LOAD FREQUENCY CONTROL OF A GAS TURBINE POWER PLANT IN RESPONSE TO A SUDDEN DISTURBANCE WITH A BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM (BESS)

Abstract

ABSTRACT

In recent periods the world, we have seen the required need for an increase in the demand for the production of electric power and the increase in the expansion of building electric power production stations and electric transmission networks by a large rate of 50% in recent years, as well as the problem of frequency identification and frequency disturbance that occurs within the network transmission lines. And the value of the impact that occurs on the systems of producing electric energy from the systems of gas turbines and thermal turbines and the increasing demand for clean renewable energies, and it also has problems that cause symptoms in the conduct of transmission and production processes and interconnected electric power systems and provides a frequency equation by building interconnected electricity networks with equal and stable frequency and its solution and return to the natural frequency, and the relationship between production and consumption must be properly managed [1]. The output is higher if the frequency goes up, and if the frequency goes down, then the net is stable. In the end, the frequency stays constant. The active electrical outputs of the power generation system are controlled for regulation in such a way that load frequency management or automatic output control are terms used to describe the regulation [2,3]. Load frequency control consists of two systems: basic and auxiliary frequency control. The main frequency control loop of a synchronous generator consists of a speed limiter and a control circuit [4]. The error caused by deterioration in frequency and connecting line power can be managed solely by the primary control. The obtained speed regulator is given a second control by adding a signal proportional to itself and its integral. to control load frequency on an electrical system. In this research, a single-zone electrical system was studied, then a two-zone electrical system, despite the great limitations in increasing and decreasing electricity production during regular activity. To enhance the response of the basic control of the electric power production system [5].

This progress should be successfully represented in the use of gas turbine models as well as power system simulation tools. The study adds to a comprehensive study of engine frequency control concepts for power generation systems (vertical engines and gas power turbines), as well as advances in their design in the traditional analysis of power systems tools [6].

In this research, a gas turbine power system diagram model is built for one and two regions to show the comparison with the addition of a PID controller in its usual state and without the PID controller by using the MATLAB controller program. Adding a building model integrating the battery energy storage system BESS with the gas turbine system simplified to demonstrate the idea of solving the frequency problem in the future by using the charging and discharging system in case of frequency disturbance, restoring the frequency to the normal state, and extracting and comparing the results of frequency equality must be provided to connect interconnected electricity networks today to ensure equality and maintain a balance between production and electric power transmission networks. When frequency disturbance increases a lot, production will decrease in order to preserve the safety of production systems from falling. Control units lose active power in the case of synchronous generators to keep the turbine from activating the protection system to prevent damage and protect the equipment. This configuration is referred to as load frequency control or automatic production control. The load frequency control loop consists of the main and auxiliary frequency control cycles. The main frequency control cycle involves the use of a synchronous operation generator to regulate the speed limiter. Because the main management is insufficient, power line hesitation and contact deterioration occur, and it is integrated with a fault signal proportional to the speed regulator by adding a secondary control. This paper considered how to control the load frequency of the electric power systems of gas engine installations [7].

It was unclear which had greater performance in an electrical power system. The proportion of energy from renewable sources (RS) in electricity networks has increased in recent decades. New electricity systems will have less inertia and be more difficult to regulate because of sporadic and changeable green energy that is challenging to send because of its shifting characteristics. As a consequence, greater grid flexibility is needed to maintain system dependability. To satisfy this demand, new technologies that include energy storage systems using batteries BESS are being extensively discussed [8]. It's thought that it's highly advantageous to provide a quick and accurate response in frequency control services with BESS, especially in inertial situations. Changes in power networks have a significant impact on the sizing, charge-discharge control, and lifespan of a BESS offering frequency control service. As a consequence of this, deciding throughout the investment phase is a very hard subject [9].

In our research, the network frequency data was evaluated by evaluating the optimal size, age, and technical economy of the BESS that provides the load frequency control (LFC) tool. First, the BESS design with an LFC power system was created for this purpose. Secondly, the developed technology calculates the number of charge and discharge cycles of the BESS as well as the life of the BESS and the ability to degrade depending on the frequency deviation. Finally, the economic analyzes of BESS in the light of investment were carried out in one of the research chapters. Finally, the main objective (LFC) is to control the electrical power generation of a generator within a given area in response to changes in system frequency and turbine line load. (LFC) helps to maintain the planned system frequency and link line power transmission with other locations within the mentioned limits. Conventional controllers are slow and do not enable the controller builder to adapt to changes in the working conditions and linearity of the generator unit drive. When the load requirements of a unit of production change, there is a short-term imbalance in the real power input and final output. Externally, they are energy storage batteries system BESS [10]. The mechanism is used to compensate for the imbalance of electricity. Battery energy storage systems can successfully reduce frequency oscillations caused by large load disturbances [11-12]. Power devices that store energy are affected by sudden load changes in energy needs. This paper contrasts conventional controls with a BES system both qualitatively and numerically in LFC for a normal two-zone connected power system. This study confirms and discusses the superior performance of BESS over conventional controllers.

ÖZET

Dünyada son dönemde elektrik enerjisi üretimine olan talebin artması ve bina elektrik üretim istasyonları ile elektrik iletim şebekelerinin son yıllarda %50 gibi büyük bir oranda yaygınlaşması için gerekli ihtiyacı gördük. şebeke iletim hatlarında meydana gelen frekans tanımlama ve frekans bozulması sorununun yanı sıra. Ve gaz türbinleri ve termik türbin sistemlerinden elektrik enerjisi üreten sistemler üzerinde meydana gelen etkinin değeri ve temiz yenilenebilir enerjilere olan talebin artması ve ayrıca iletim ve üretim süreçlerinin yürütülmesinde semptomlara neden olan sorunlar ve birbirine bağlı elektrik güç sistemlerini eşit ve sabit frekansta birbirine bağlı elektrik şebekeleri kurarak frekans denklemini sağlar ve bunun çözümü ve doğal frekansa dönüşü ile üretim ve tüketim arasındaki ilişkinin doğru yönetilmesi gerekir [1]. Frekans yükselirse çıkış daha yüksektir ve frekans düşerse ağ kararlıdır. Sonunda, frekans sabit kalır. Güç üretim sisteminin aktif elektrik çıkışları, düzenleme için yük frekans yönetimi veya otomatik çıkış kontrolü gibi terimler düzenlemeyi [2] [3] açıklamak için kullanılan terimler olacak şekilde kontrol edilir. Yük frekans kontrolü iki sistemden oluşur: temel ve yardımcı frekans kontrolü. Bir senkron jeneratörün ana frekans kontrol döngüsü, bir hız sınırlayıcı ve bir kontrol devresinden oluşur [4]. Frekans ve bağlantı hattı gücündeki bozulmanın neden olduğu hata yalnızca birincil kontrol tarafından yönetilebilir. Elde edilen hız regülatörüne kendisi ve integrali ile orantılı bir sinyal eklenerek ikinci bir kontrol verilir. Bir elektrik sistemindeki yük frekansını kontrol etmek için. Bu araştırmada, düzenli faaliyet sırasında elektrik üretimini artırma ve azaltmadaki büyük sınırlamalara rağmen, tek bölgeli bir elektrik sistemi, ardından iki bölgeli bir elektrik sistemi incelenmiştir. Elektrik enerjisi üretim sisteminin temel kontrolünün tepkisini arttırmak [5].

Bu ilerleme, güç sistemi simülasyon araçlarının yanı sıra gaz türbini modellerinin kullanımında başarılı bir şekilde temsil edilmelidir. Çalışma, güç üretim sistemleri (dikey motorlar ve gaz gücü türbinleri) için motor frekans kontrol kavramlarının kapsamlı bir çalışmasına ve ayrıca güç sistemi araçlarının geleneksel analizindeki tasarımlarındaki ilerlemelere katkıda bulunur [6].

Bu araştırmada, bir ve iki bölge için bir gaz türbini güç sistemi diyagram modeli, MATLAB kontrol programı kullanılarak normal durumda bir PID kontrolör eklenmesi ve PID kontrolör olmadan karşılaştırmasını göstermek için oluşturulmuştur. Batarya enerji depolama sistemi BESS'i gaz türbini sistemi ile entegre eden bir bina modelinin eklenmesi, frekans bozukluğu durumunda şarj ve deşarj sistemini kullanarak gelecekte frekans problemini çözme, frekansı normal duruma getirme fikrini göstermek için basitleştirilmiş, ve bugün birbirine bağlı elektrik şebekelerini birbirine bağlamak için frekans eşitliğinin sonuçlarının çıkarılması ve karşılaştırılması, eşitliği sağlamak ve üretim ile elektrik enerjisi iletim şebekeleri arasında bir denge sağlamak için sağlanmalıdır. Frekans bozukluğu çok arttığında, üretim sistemlerinin güvenliğini düşmekten korumak için üretim azalacaktır. Senkron jeneratörlerde, türbinin koruma sistemini devreye sokmasını engellemek ve ekipmanı korumak için kontrol üniteleri aktif gücü kaybeder. Bu yapılandırma, yük frekans kontrolü veya otomatik üretim kontrolü olarak adlandırılır. Yük frekansı kontrol döngüsü, ana ve yardımcı frekans kontrol döngülerinden oluşur. Ana frekans kontrol çevrimi, hız sınırlayıcıyı düzenlemek için senkron çalışma üretecinin kullanımını içerir. Ana yönetimin yetersiz olması nedeniyle güç hattında tereddüt ve kontak bozulması meydana gelir ve ikincil bir kontrol eklenerek hız regülatörü ile orantılı bir arıza sinyali ile entegre edilir. Bu makale, gaz motoru kurulumlarının elektrik güç sistemlerinin yük frekansının nasıl kontrol edileceğini ele almıştır [7].

Bir elektrik güç sisteminde hangisinin daha yüksek performansa sahip olduğu belli değildi. Elektrik şebekelerinde yenilenebilir kaynaklardan (RS) elde edilen enerjinin oranı son yıllarda artmıştır. Yeni elektrik sistemleri daha az atalete sahip olacak ve değişen özellikleri nedeniyle gönderilmesi zor olan düzensiz ve değişken yeşil enerji nedeniyle düzenlenmesi daha zor olacaktır. Sonuç olarak, sistem güvenilirliğini sürdürmek için daha fazla şebeke esnekliği gerekir. Bu talebi karşılamak için, pil kullanan enerji depolama sistemlerini (BESS) içeren yeni teknolojiler kapsamlı bir şekilde tartışılmaktadır [8]. BESS ile frekans kontrol hizmetlerinde özellikle atalet durumlarında hızlı ve doğru yanıt vermenin oldukça avantajlı olduğu düşünülmektedir. Güç ağlarındaki değişikliklerin, frekans kontrol hizmeti sunan bir BESS'in boyutlandırma, şarj-deşarj kontrolü ve kullanım ömrü üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bunun bir sonucu olarak, yatırım aşaması boyunca karar vermek oldukça zor bir konudur [9].

Araştırmamızda, yük frekans kontrol (LFC) aracını sağlayan BESS'in optimum boyutu, yaşı ve teknik ekonomisi değerlendirilerek ağ frekans verileri değerlendirilmiştir. İlk olarak, bu amaçla bir LFC güç sistemine sahip BESS tasarımı oluşturuldu. İkinci olarak, geliştirilen teknoloji, BESS'in şarj ve deşarj döngü sayısını ve ayrıca BESS'in ömrünü ve frekans sapmasına bağlı olarak bozulma yeteneğini hesaplar. Son olarak BESS'in yatırımlar ışığında ekonomik analizleri araştırma bölümlerinden birinde gerçekleştirilmiştir. Son olarak, ana amaç (LFC), sistem frekansındaki ve türbin hattı yükündeki değişikliklere yanıt olarak belirli bir alandaki bir jeneratörün elektrik enerjisi üretimini kontrol etmektir. LFC, planlanan sistem frekansının ve diğer konumlarla bağlantı hattı güç iletiminin belirtilen sınırlar içinde tutulmasına yardımcı olur. Geleneksel denetleyiciler yavaştır ve denetleyici oluşturucunun jeneratör ünitesi sürücüsünün çalışma koşullarındaki ve doğrusallığındaki değişikliklere uyum sağlamasına olanak sağlamaz. Bir üretim biriminin yük gereksinimleri değiştiğinde, gerçek güç girişi ve nihai çıkışta kısa süreli bir dengesizlik olur. Harici olarak, enerji depolama pilleridir sistem (BESS) [10]. Mekanizma, elektrik dengesizliğini telafi etmek için kullanılır. Pil enerji depolama sistemleri, büyük yük bozulmalarının neden olduğu frekans salınımlarını başarılı bir şekilde azaltabilir [11-12]. Enerji depolayan güç cihazları, enerji ihtiyacındaki ani yük değişimlerinden etkilenir. Bu makale, normal bir iki bölgeli bağlı güç sistemi için LFC'de hem niteliksel hem de sayısal olarak bir BES sistemi ile geleneksel kontrolleri karşılaştırmaktadır. Bu çalışma, BESS'in geleneksel kontrolörlere göre üstün performansını doğrulamakta ve tartışmaktadır.