Frequency stability analysis of low inertia power systems facing interactions among power electronics interfaced generators and loads equipped with frequency response capabilities

One of the main actions required to face and limit the global warming is the substitution of the conventional fossil-fuelled generators with renewable ones. Thus, it becomes fundamental to make the non-dispatchable renewable generators able to provide the services for the power system stabilization that nowadays are operated by the conventional ones. In this work the focus is on the primary frequency control, which is weakened by the progressive displacement of gas and steam turbines due to the reduction in system’s inertia and of the presence of the programmable generators which are able to operate it. They have been adopted two algorithms to control the active power output of photovoltaic and wind turbines (respectively Power Reserve Control and Extended OPPT Method) to study the benefits related to their introduction and the interactions between them in a low-inertia power system, as a small island one, that is the one of the most critical situations due to the small size and the lack of interconnections with other power systems. This system has been schematized using the Load Frequency Control approach. The test and the simulations, performed on Simulink, consist in the submission of the system to different perturbations, as a step reduction and small oscillations of the load, ambiental conditions variations and an increase in the renewable generators penetration, aiming to observe the effectiveness of these advanced algorithms for the control of renewable generators in stabilizing the frequency and their ability in facing different kind of perturbations that can hit the system.

Una delle linee di azione per limitare il riscaldamento globale prevede la progressiva sostituzione di generatori “convenzionali” con generatori rinnovabili. E’ dunque fondamentale riuscire a dare continuità alle azioni di stabilizzazione del sistema elettrico che questi ultimi svolgono, sviluppando strategie per fornirli anche con fonti rinnovabili non programmabili. In questo lavoro l’attenzione è posta sul controllo primario di frequenza che, per via del rimpiazzamento di turbine a vapore e a gas, è indebolito da una diminuzione dell’inerzia totale del sistema e alla contestuale riduzione dei generatori che sono in grado di operarlo. Sono dunque stati adottati due algoritmi per controllare la potenza attiva rispettivamente di fotovoltaico ed eolico (Power Reserve Control e Extended OPPT Method), studiando i benefici che ne conseguono in vari scenari. E’ stato scelto di ambientare questo studio su un sistema elettrico di una piccola isola, schematizzato tramite la logica Load Frequency Control, che rappresenta il caso più critico per la sua piccola taglia e mancanza di interconnesioni con altri sistemi elettrici. I test e le simulazioni, svolti sul software Simulink, prevedono la sottoposizione del sistema a differenti perturbazioni, come riduzione a gradino del carico, piccole oscillazioni sinusoidali del carico, variazioni nelle condizioni ambientali e incremento della penetrazione di rinnovabili, con lo scopo di dimostrare che questi algoritmi avanzati per il controllo dei generatori rinnovabili possono portare enormi benefici per stabilità di frequenza, e sono altresì in grado di fronteggiare agilmente diversi tipi di perturbazione che possono investire il sistema.