The rise of Renewable Energy Sources (RES) such as wind and solar power, creates new challenges for electric power systems. One of these challenges occur in Frequency Containment Reserves (FCR) on power system because of decreasing system inertia from RES. The purpose of FCR is to regulate the system frequency after a disturbance that gives rise to a Rate of Change of Frequency (RoCoF) and an Instantaneous Frequency Deviation (IFD). Conventional electricity production such as hydro and nuclear power have a contribution for the amount of inertia in the system, while RES lack this contribution of inertia.This paper studies different cases of amount of inertia to understand the impact of lower amount of inertia caused by RES on power system. A power system was simulated and the IFD and SteadyState Frequency Deviation (SSFD) of the system were examined as the nuclear powers were substituted by wind powers. The results showed that a large amount of inertia implies a small IFD and vice versa.Furthermore, this paper also studies Battery Energy Storage System (BESS) as a power support for FCR when using RES. The conclusion for the impact of the battery was to use high injected power and triggering frequency level (TLF) and vice versa to get an acceptable IFD. In other words, this means that it is possible to keep the IFD within predefined limits by using batteries and identify the appropriate range of battery control settings.

To create more sustainable power systems, as well as achieve environmental goals, further integration of Renewable Energy Sources (RES) is essential. However, this may result in a power system more vulnerable to disturbances, since RES do not contribute to the system’s inertia. A power system’s ability to counteract disturbances is highly dependant on inertia. This is because the power system uses the kinetic energy of rotating machines, i.e. inertia, to restore the power balance after a disturbance. This causes a deviation of the system’s frequency, which must be contained within certain limits or, in the worst case scenario, a blackout could follow. Frequency Containment Reserves (FCR) stabilizes the frequency first dozens of seconds after a disturbance, therefore, it is the inertia that plays the major role in controlling the initial frequency deviation. One possibility to counter disturbances in a power system with less inertia is to use electrical batteries as fast power support, by injecting power into the system when needed. This project aims to investigate the dynamics of the FCR as well as the possibility to use batteries as fast power support. Different parameters of the batteries are also analyzed. The project is conducted through a case study of a power system model in Simulink and Matlab. Additional aspects, such as sustainability, cost-effectiveness, and future research, are discussed. / För att skapa mer hållbara kraftsystem, men även uppnå miljömål, är fortsatt integrering av förnyelsebara energikällor viktigt. Dock kan detta resultera i ett kraftsystem som är mer sårbart mot störningar, då förnyelsebara energikällor inte bidrar till systemets svängmassa. Ett kraftsystems förmåga att möta störningar är direkt relaterad till svängmassan i systemet. Detta är på grund av att systemet använder kinetisk energi från roterande maskiner, deras svängmassa, för att återställa balans mellan produktion och konsumtion efter en störning. Dock orsakar detta en avvikelse hos systemets frekvens, som måste hållas inom vissa gränser, annars kan det i värsta fall leda till strömavbrott. Primärreglering stabiliserar frekvensen först dussin sekunder efter en störning, därför är det svängmassan som spelar den avgörande rollen för att kontollera den initiella avvikelsen. En möjlig lösning för att möta störningar i ett kraftsystem med mindre svängmassa är att använda elektriska batterier som snabbt kraftstöd, genom att tillföra effekt till systemet vid behov. Detta projekt syftar till att undersöka dynamiken hos primärregleringen men även huruvida batterier kan användas som snabbt kraftstöd. Olika parametrar hos batterierna analyseras även. Projektet görs genom en fallstudie av en model av ett kraftsystem i Simulink och Matlab. Andra aspekter, så som hållbarhet, kostnadseffektivitet samt framtida forskning diskuteras.

As the share of power electronics-based renewable energy sources increases in power systems, the system inertia provided by conventional generation is reduced. Inertia is an important factor in the grid's frequency stability, and with its reduction comes challenges to ensure the reliability of the grid. The frequency stabilising service of frequency containment reserves will need to work in conjunction with the faster, stabilising service of fast frequency reserves to avoid power failures in case of sudden disturbances. This project aims to examine the impact of inertia and methods of improving frequency stability in a future low inertia power system. The frequency behaviour is studied using a simplified and linearised model of the Nordic power system implemented in Matlab/Simulink. The model is extended by implementing supplementary battery control to support the frequency response. The simulation results show that there is an evident correlation between the reduction of system inertia and frequency instability. Moreover, it is concluded that the implemented battery support is successful in stabilising frequency following a disturbance. / Då andelen kraftelektronikbaserade förnybara energikällor ökar i kraftsystem så kommer systemets tröghet, tillfört av konventionell generering av elektricitet, att minska. Trögheten är en viktig faktor för elnätets frekvensstabilitet. Då trögheten minskar utmanas tillförlitligheten av elnätet. Frekvensstabiliserande frekvenshållningsreserver behöver fungera i samspel med de snabbare och stabiliserade frekvensreserverna för att undvika strömavbrott vid plötsliga störningar. Projektet ämnar undersöka trögheten och metoder som används vid förbättring av frekvensstabilitet i framtida kraftsystem med låg tröghet. Beteendet hos frekvenser studeras med en förenklad och linjäriserad modell av det nordiska kraftsystemet implementerat i Matlab/Simulink. Modellen utökas genom att inkludera en batterikontrollmetod för att tillförse ett snabbt frekvenssvar. Resultatet av simuleringarna visar att det finns en korrelation mellan minskning av systemets tröghet och frekvensinstabilitet. Vidare visas det att implementationen av batteristöd lyckas förbättra frekvensen i fallet av en störning. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

In the search for green energy to combat climatechange, a shift from conventional energy sources such as coal,oil, and nuclear towards Renewable Energy Sources (RES) isneeded. This shift poses a threat to the stability of the powergrids as RES do not contribute with rotating mass in the system.A lack of rotating mass, or in other words inertia, jeopardizesthe ability of power systems to counteract large disturbances.Frequency Containment Reserves (FCR) units are responsiblefor controlling the frequency in power systems by regulatingthe balance between the generated and consumed power. If thefrequency deviates outside of the defined range from the nominalvalue, it can lead to system separation, blackouts, and systemequipment damage. The frequency deviations are faster in lowinertia systems, making it more difficult for FCR to keep thefrequency within accepted ranges. Hydro turbines are often usedas FCR units, but additional means of support could be neededfor low inertia systems. Viable support could be battery systems.This project investigates the change towards low inertia and thepossible implementation of a battery system as fast step-wisepower support with a frequency trigger. The investigation is donethrough case studies of simulated system models in Matlab andSimulink. / I jakten på grön energi för att bekämpaklimatförändringarna behövs en övergång från konventionellaenergikällor som kol, olja och kärnkraft mot förnyelsebaraenergikällor. Denna övergång utgör ett hot mot kraftnätensstabilitet då förnyelsebara energikällor inte bidrar med roterandemassa. Brist på roterande massa eller med andra ord tröghetäventyrar kraftsystemens förmåga att motverka stora störningar.Frequency Containment Reserves (FCR) är system som aktivt arbetarmed att styra frekvensen i kraftsystemet genom att reglerabalansen mellan den producerade och konsumerade effekten.Om detta misslyckas och frekvensen avviker för mycket frånden nominella frekvensen kan detta leda till systemseparation,strömavbrott eller skada hos systemkomponenter. I ett systemmed låg tröghet blir frekvensavvikelserna snabbare. Detta gördet svårare att använda sig av FCR för att hålla frekvenseninom accepterade intervall. Vattenkraftverk används ofta somFCR enheter, men för system med låg tröghet kan ytterliggarestöd behövas. Ett möjligt effektstöd kan vara batterisystem.Detta projekt undersöker förändringen till lägre tröghet i ettkraftsystem och möjlig implementering av ett batterisystemmed ett snabbt stegsvar för effektstöd, vilket aktiveras vid enförbestämd frekvens. Undersökningen görs genom studier avspecifika fall med en linjäriserad modell av ett kraftsystemet,simulerade i Matlab och Simulink. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm

The frequency of the Nordic power system has been increasingly deviating outside the normal frequency band (50 ± 0.1 Hz) in the past two decades. In an effort to counteract this, the Nordic Transmission System Operators (TSOs) have proposed new and stricter requirements on the units participating in Frequency Containment Reserve (FCR) market. The implication of these new requirements is that all units participating in the FCR markets must be re-evaluated and early predictions state that double regulated (DR) hydropower turbines, such as Kaplan and Bulb types, will have problems meeting these new requirements. To limit the amount of work required to re-evaluate all DR turbines, which might ultimately show that the unit will not pass the requirements, it is highly beneficial for power producing companies to be able to simulate the turbine response accurately enough, without full-scale physical testing, to filter out the possible cases from the impossible ones. This thesis is aimed at finding a hydropower turbine model that could accurately predict the FCR prequalification outcome for a DR hydropower turbine in Simulink from only pre-existing testing and design data. Three hydropower turbine models, one single regulated (SR) and two DR, were tested and validated for FCR Normal operation (FCR-N). The validation was performed by comparing the model results to field test data attained from a full-scale FCR-N test performed on one of Fortum’s DR hydropower units. Furthermore, two of these models were simulated and tested with regard to the FCR Disturbance (FCR-D) requirements but not validated as no such data was available. The results showed that simulating DR turbines with SR models can give inaccurate results as the SR model could not capture the more complex dynamics of the DR turbine accurately enough. The SR model underestimated the active power response drastically while at the same time overestimating the dynamic stability. The DR turbine models managed to capture the dynamics better with the most prominent model, DR Model 2, giving less than 3 % overestimation of the FCR-N capacity and a correctly predicting that the unit would fail the dynamic stability for FCR-N. The thesis results further showed that when modelling DR turbines, the calculation of the net head is vital for accurate model response. Finally, both the SR and DR model agreed that the unit would likely not pass the FCR-D requirements and therefore confirm the early predictions that DR hydropower turbines, such as the one modelled in this thesis, may have problems passing the new FCR prequalification requirements. Ultimately this might impact electrical price or frequency quality negatively. / Frekvenskvaliteten i det nordiska kraftsystemet har stadigt avvikit alltmer från det normala frekvensbandet (50 ± 0,1 Hz) under de två senaste decennierna. I ett försöka att motverka denna trend har de nordiska kraftsystemoperatörerna (TSO) föreslagit nya och striktare krav på aggregat som deltar i frekvensreservsmarknaden (FCR). Dessa nya krav innebär att alla aggregat som redan deltar på FCR-marknaden måste omvärderas och de bedömningar som har gjorts antyder att dubbelreglerade (DR) vattenkraftturbiner, som kaplan- och bulbturbiner, kommer att ha svårt med att uppfylla dessa nya krav. För att begränsa mängden arbete som krävs för att omvärdera alla DR-turbiner, som i slutändan kan visa att aggregatet inte kommer att klara kraven, är det mycket för fördelaktigt för kraftföretag att kunna noggrant simulera turbinresponsen innan de fysiska testerna utförs, för att filtrera bort de omöjliga fallen från de möjliga. Detta examensarbetes syfte var att hitta en turbinmodell som med bra noggrannhet kan förutsäga FCR förkvalificeringsresultatet for en dubbelreglerad vattenkraftturbin, med hjälp av Simulink från endast befintliga driftdata och information om aggregatets konstruktion. Tre turbinmodeller, en enkelreglerade (SR) och två dubbelreglerade, testades och validerades för FCR Normal drift (FCR-N). Valideringen utfördes genom att jämföra modellresultaten med fälttestdata från ett fullskaligt FCR-N-test som utfördes på en av Fortums dubbelreglerade vattenkraftturbiner. Dessutom simulerades även två av dessa modeller och testades med avseende på frekvensreglering vid störd drift (FCR-D) men validerades inte på grund av avsaknad av fälttestdata. Resultaten visade att simulering av dubbelreglerade turbiner med enkelreglerade turbinmodeller kan vara problematisk eftersom enkelreglerade modellen inte kunde fånga dubbelregleringsturbinernas mer komplexa dynamik tillräckligt bra. Enkelreglerade modellerna tydligt underskattade den aktiva effektresponsen samtidigt som de överskattade den dynamiska stabiliteten. De dubbelreglerade turbinmodellerna fångade däremot dynamiken bättre, där den mest framstående modellen, DR model 2, gav mindre än 3 % överskattning av FCR-N-kapaciteten och en korrekt förutsägelse att enheten skulle misslyckas uppfylla den dynamiska stabiliteten för FCR-N. Resultaten visade vidare att beräkningen av nettofallhöjden är avgörande för korrekt modellrespons. Slutligen var både singel- och dubbelreglerade modellerna överens om att aggregatet sannolikt inte skulle klara FCR-D-kraven och bekräftar därmed de tidiga bedömningarna att dubbelreglerade aggregat, som den som modellerades i denna avhandling, kan ha svårt att klara de nya FCR kraven. I slutändan kan det påverka såväl elpris som frekvenskvalitet negativt.