Frekvensstyrning med vindkraft

Rapport, 2022

Arbetet har syftat på att visa hur vindkraftverk kan bidra med frekvensreglering av elnätet igenom att bidra med stödtjänster till Svenska kraftnät. Detta har utförts igenom att utföra mätningar och simuleringar på Chalmers vindkraftverk placerat på Björkö, vilket har en märkeffekt på 25 kW. För att styra vindkraftverket utgick det ifrån en regulator beskriven av NREL. Denna regulator kompletterades sedan med olika styrsystem för att utveckla styrningen av vindkraftverket till att bidra med frekvensreglering. Utvecklingen av styrsystemen för frekvensreglering skedde inledningsvis i en modell av vindkraftverket konstruerad i Simulink. Målet med modellen var att på ett noggrant sätt beskriva vindkraftverkets beteende som möjliggör att styrsystem för frekvensreglering med vindkraftverket kan utvecklas i en kontrollerad miljö. När önskad funktion av dessa uppnåtts i modellen implementerades de på det verkliga vindkraftverket och deras funktion verifierades igenom mätningar. För att undersöka vindkraftverkets möjlighet till frekvensreglering studerades vindkraftverkets förmåga att bidra med FCR stödtjänsterna (FCR-N, FCR-D upp, FCR-D ned) samt med aFRR och FFR. Gällande FCR stödtjänsterna reglerades frekvensen igenom att vindkraftverket styrdes för att spilla vind i vilket frekvenssignaler användes för att styra effektproduktionen. Frekvenssignalerna vilka användes bygger på SvKs testprogram men uthållighet kraven testades ej. Angående aFRR styrdes kraftverket också för att spilla vind, dock användes en referenseffekt för att styra effektproduktionen vilket går från normaldrift till att spilla 5 kW. Ytterligare studerades snabbheten med vilket vindkraftverket kan ställa om sin effektproduktion samt vindkraftverkets förmåga att styra snabbheten för aktiveringen av stödtjänster. Slutligen studeras även vindkraftverket möjlighet med att bidra med FFR. Vindkraftverket styrs för att öka effekten under en tid i ett effektsteg, vilket följer SvK krav för det kortvariga alternativet för FFR tjänsten. Kapaciteten på stegen är 2.5 kW och har en aktiveringstid på 1 sekund. Detta utförs dock endast i modellen och inga fullständiga mätningarna av detta har utförts. För simuleringarna används en konstant vindhastighet på 8 m/s eftersom denna vindhastighet ger ett högt varvtal utan att vindkraftverket helt uppnår sin märkeffekt. För att ytterligare analysera vindkraftverkets förmåga att bidra med stödtjänsten FFR beräknas också den totala energin vilket effektstegen medför.

Angående styrningen för att bidra med syntetiskt tröghetsmoment, FFR, igenom att utföra effektsteg utfördes detta framförallt i modellen. Anledningen till detta var problem med uppskattningen av den tillgängliga effekten för mätningarna. Resultatet av simuleringarna visade på att följa SvKs krav för dessa steg kan leda till att vindkraftverket stannar ifall de utförs med ett Cp värde vilket redan innan steget inte är optimalt samt med ett otillräckligt varvtal. Finns det dock möjlighet för vindkraftverket att arbeta med optimalt Cp samtidigt som en stor mängd energi finns lagrad i turbinen kan stegen utföras utan problem.

När det kommer till att styra vindkraftverket för att spilla vind visar resultaten på att detta kan utföras i mätningar både efter vad frekvensen i elnätet för tillfället är samt efter en referenseffekt. Ytterligare klarar vindkraftverket att mycket snabbt ställa om mellan effektnivåer då vindkraftverket kan övergå från normaldrift till att spilla 5 kW (20 procent av märkeffekten) på mindre en 1 sekund.