Virtual inertia from UPS systems

Abstract

The electrical networks are changing globally towards an increasingly converter-connected power generation caused by the shift towards renewable energy sources. This will lead to the rotating masses of the network to be replaced by static power electronics which contain no rotating inertia. The electrical grids will become increasingly sensitive to imbalances between the generation and consumption. The need for fast acting frequency reserves will increase in the future. The goal of this thesis is to analyze the potential of dual-purposing UPSs to provide virtual inertia to the electrical grid.

To determine this technical possibility the frequency data of different geographical grids were analyzed and compared to the technical capabilities of modern bi-directional double conversion UPSs. The UPS hardware is found the be technically capable of providing the frequency response and the commonly used battery solutions are viable options. The development needs are mainly software based and the inertia algorithm will need to be developed to the UPS.

The current fast frequency response services are compared for different grids and the virtual inertia product requirements are estimated based on other similar services. A business case for the potential benefits and risks for the UPS owner is presented with calculations for earnings potential, and activation times and durations per year for different parameters of the virtual inertia algorithms.

The calculations show that it is financially interesting for the owner of the UPS device to participate in the virtual inertia market. The activation times during a year are very limited and compared to the total available battery capacity for a normal UPS system, the discharged capacity during a frequency event is extremely low. The risks for the critical load are mainly related to the increased complexity of the UPS software. A thorough testing of all possible scenarios during a frequency event is required, as well as making sure that the UPS will in all situations prioritize protecting the critical load.

Sähköverkot ovat hiljalleen muuttumassa ja siirtymässä kohti tehoelektroniikka-liitäntäistä sähköntuotantoa, joka johtuu siirtymisestä kohti uusiutuvia energialähteitä. Tämä muutos aiheuttaa generaattoreiden pyörivien massojen korvaamisen tehoelektroniikalla, mikä aiheuttaa sähköverkon inertian pienentymisen. Tämä johtaa herkästi taajuusvaihteluihin tilanteissa, joissa tuotanto ja kulutus eivät ole täysin tasapainossa ja nopeille häiriöreserveille tulee entistä enemmän tarvetta. Työn tarkoitus on analysoida UPSien käyttömahdollisuuksia korvaamaan poistuvaa inertiaa virtuaalisella inertialla.

Tätä varten eri sähköverkkojen taajuusdataa on analysoitu ja verrattu UPSien tekniseen suorituskykyyn. Työn perusteella voidaan todeta, että moderni UPS on teknisiltä ominaisuuksiltaan käytettävissä virtuaalisen inertian tuottamiseen ja yleisimmin käytetyt energiavarastot ovat siihen soveltuvia kapasiteetiltaan ja ominaisuuksiltaan. Kehitystarpeet koskevat pääasiassa UPS-ohjelmistoa ja virtuaalisen inertian algoritmin kehittämistä.

Työssä analysoiduissa sähkömarkkinoissa ei ole virtuaalisen inertian markkinatuotetta, mutta vastaavia nopeita häiriöreservejä verrataan ja niiden perusteella arvioidaan virtuaalisen inertian ominaisuuksia ja kompensaatiorakennetta. Liiketaloudellinen arvio inertiatuotteen käyttöönoton kannattavuudesta tehdään perustuen vastaaviin häiriöreserveihin.

UPS-laitteiden sekundäärikäyttö virtuaalisen inertian tuottamiseen on liiketaloudellisesti houkutteleva mahdollisuus UPS-laitteen omistajalle. Vuosittaiset aktivoinnit ovat lukumäärältään pieniä ja niiden kesto on hyvin lyhyt. Tämän takia UPSin akuston kokonaiskapasiteettiin nähden purkaustehot ovat pieniä ja kriittiselle kuormalle aiheutuvat riskit ovat pienet. Suurimmat riskit johtuvat ohjelmiston kasvavasta monimutkaisuudesta, mutta riskit voidaan minimoida kattavalla esitestauksella.