Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

Het moderne elektriciteitsnet is een delicaat evenwicht tussen vraag en aanbod, een systeem dat al meer dan een eeuw steunt op enorme, draaiende turbines in kolen- en gascentrales. Deze zware machines fungeren als een natuurlijke schokdemper; hun enorme gewicht en momentum houden de frequentie van het systeem stabiel, zelfs wanneer de belasting plotseling verandert. Terwijl de wereld verschuift naar schonere energie, nemen windparken de plaats in van deze traditionele centrales. Windturbines draaien echter niet met dezelfde zware inertie. Ze zijn via elektronische schakelaars verbonden met het net, wat betekent dat ze die natuurlijke fysieke buffer missen. Wanneer een grote hoeveelheid windenergie wordt toegevoegd zonder voldoende van dit "draaibewegingsgewicht", wordt het net kwetsbaar. Als er een plotselinge verstoring optreedt, zoals het uitschakelen van een grote fabriek of het falen van een generator, kan de systeemfrequentie te snel dalen, wat potentieel blackouts kan veroorzaken.

Om dit op te lossen, hebben ingenieurs twee verschillende manieren ontwikkeld om windturbines meer te laten gedragen als traditionele generatoren. Eén methode, genaamd grid-following (netvolgend), laat de turbine naar het net luisteren en de output daarop aanpassen, vergelijkbaar met een passagier die een bestuurder volgt. De andere, grid-forming (netvormend), stelt de turbine in staat om als de bestuurder te fungeren, waarbij de turbine de eigen spanning en frequentie bepaalt om het net te ondersteunen. Hoewel grid-forming turbines krachtig zijn, kunnen ze onder bepaalde omstandigheden instabiel zijn, en grid-following turbines zijn minder effectief in het bieden van onmiddellijke ondersteuning. De uitdaging ligt in het naadloos laten samenwerken van deze twee verschillende soorten turbines, vooral wanneer de windsnelheid verandert en het net een plotselinge schok ervaart.

Een team van onderzoekers van de Shanghai Maritime University en het Shanghai Power Equipment Research Institute heeft een nieuwe strategie voorgesteld om deze hybride windparken te coördineren. Zij erkenden dat de standaard manier waarop deze turbines worden aangestuurd gebruikmaakt van vaste instellingen die niet veranderen, ongeacht hoe ernstig een verstoring is of hoeveel ondersteuning de andere turbines bieden. Deze starheid kan leiden tot een situatie waarin de grid-following turbines te lang wachten met helpen, of juist te veel hulp bieden wanneer dat niet nodig is, wat energie verspilt en apparatuur doet slijten. De onderzoekers ontwikkelden een systeem waarbij de turbines hun gedrag in realtime kunnen aanpassen, door hun interne "stijfheid" en "demping" aan te passen op basis van wat het net op dat exacte moment nodig heeft.

De kern van hun oplossing omvat een controlemethode die bekend staat als een virtuele synchrone generator. Deze softwarematige aanpak fopt de windturbine zodat deze zich gedraagt alsof hij de zware, draaiende massa van een traditionele generator heeft, waardoor hij weerstand kan bieden aan veranderingen in de frequentie. In het nieuwe ontwerp van de onderzoekers zijn de sterkte van deze virtuele massa en de hoeveelheid demping die zij biedt geen vaste getallen. In plaats daarvan veranderen ze dynamisch afhankelijk van hoe snel de frequentie daalt en hoe ver deze is gedaald. Als de frequentie plotseling begint te kelderen, verhoogt het systeem onmiddellijk de virtuele inertie om de daling te vertragen. Naarmate het systeem begint te herstellen, verschuiven de instellingen om de frequentie te helpen terugkeren naar het normale niveau zonder te overschieten of wild te gaan oscilleren. Deze adaptieve aanpak zorgt ervoor dat de grid-forming turbines de juiste hoeveelheid ondersteuning bieden op het exacte juiste moment.

De onderzoekers hebben ook een specifiek coördinatieprobleem tussen de twee soorten turbines aangepakt. Grid-following turbines hebben meestal een "deadband" (dode zone), een klein bereik van frequentieschommelingen waar ze niets doen om te voorkomen dat ze op elke kleine trilling reageren. In een hybride park, als de grid-forming turbines al sterke ondersteuning bieden, zouden de grid-following turbines niet onnodig moeten ingrijpen. Echter, als de grid-forming turbines moeite hebben, moeten de grid-following turbines onmiddellijk in actie komen. Het team creëerde een dynamische deadband die de breedte aanpast op basis van de realtime prestaties van de grid-forming eenheden. Als de grid-forming turbines hun werk goed doen, wordt de deadband breder, wat de grid-following turbines vertelt om stil te blijven en hun energiereserves te sparen. Als de ondersteuning van de grid-forming turbines verzwakt, wordt de deadband smaller, wat een signaal geeft aan de grid-following turbines om hun ondersteuning onmiddellijk te activeren. Dit creëert een vloeiende, coöperatieve relatie waarbij de twee soorten turbines fungeren als één intelligente eenheid in plaats van twee aparte groepen.

Om dit idee te testen, bouwden de onderzoekers een gedetailleerde computersimulatie van een elektriciteitssysteem bestaande uit twee traditionele generatoren en een hybride windpark met veertig grid-following turbines en twintig grid-forming turbines. Ze onderwierpen dit virtuele systeem aan plotselinge belastingsverstoringen onder drie verschillende windsnelheden: laag, medium en hoog. In elk scenario vergeleken ze hun nieuwe adaptieve strategie met twee oudere methoden: één waarbij de turbines vaste instellingen gebruikten, en één waarbij alleen de grid-forming turbines zich aanpasten terwijl de grid-following turbines statisch bleven.

De resultaten toonden een duidelijk voordeel voor de adaptieve aanpak. Wanneer een grote verstoring optrad, behield het systeem dat de nieuwe strategie gebruikte een hogere minimumfrequentie, wat betekent dat het net veel dichter bij de veilige operationele limiet bleef. In het scenario met lage windsnelheid daalde de frequentie naar 49,8641 Hz met de oude vaste methode, maar de nieuwe strategie hield deze op 49,8772 Hz. In het scenario met hoge windsnelheid was de verbetering nog prominenter, waarbij de frequentie op 49,7326 Hz bleef vergeleken met 49,7117 Hz met de vaste methode. Deze hogere minimumfrequenties zijn cruciaal omdat ze het risico op het triggeren van noodstops door het systeem verminderen.

Naast het simpelweg hoger houden van de frequentie, verbeterde de nieuwe strategie ook hoe de turbines de werklast verdeelden. De simulaties toonden aan dat de grid-forming turbines meer van hun opgeslagen kinetische energie vrijgaven wanneer dat nodig was, en dat de grid-following turbines hun ondersteuning effectiever activeerden. Cruciaal was dat de dynamische deadband voorkwam dat de grid-following turbines te vaak activeerden tijdens kleine fluctuaties. De onderzoekers ontdekten dat dit het aantal keren dat de turbines hun vermogensoutput moesten wijzigen verminderde, wat essentieel is voor het verminderen van de slijtage van de apparatuur. Door de twee soorten turbines zo te coördineren dat ze alleen reageren wanneer dat nodig is en in verhouding tot de werkelijke behoefte, bereikte het systeem een betere balans tussen het stabiel houden van het net en het behoud van de levensduur van het windpark.

De studie concludeert dat deze adaptieve coördinatiestrategie een praktische manier biedt om hoge niveaus van windenergie te integreren zonder de stabiliteit van het net op te offeren. Door de virtuele inertie en de activatiedrempels in realtime te laten veranderen, kan het hybride windpark op verstoringen reageren met dezelfde flexibiliteit en veerkracht als een traditionele elektriciteitscentrale. De simulaties suggereren dat deze methode niet alleen voorkomt dat de frequentie te laag daalt, maar ook ervoor zorgt dat de verschillende componenten van het windpark efficiënt samenwerken, wat een robuuste oplossing biedt voor de toekomst van hernieuwbare energienetten.