Assessing the impact of inertia and reactive power constraints in generation expansion planning

Abstract

En el camino hacia sistemas de energía con altas penetraciones renovables y, en última instancia, carbono neutral, la generación cada vez más síncrona está siendo desplazada por la generación renovable variable que actualmente no proporciona inercia del sistema ni soporte de energía reactiva. Esto podría crear serios problemas de estabilidad del sistema eléctrico en un futuro cercano, y países con alta penetración de energías renovables como Irlanda ya están enfrentando estos desafíos. Por lo tanto, este documento tiene como objetivo responder a las preguntas de si y cómo incluir explícitamente la inercia y las restricciones de potencia reactiva en la planificación de la expansión de la generación afectaría la combinación óptima de capacidad del sistema eléctrico del futuro. Con este fin, proponemos el novedoso modelo de optimización de la generación de expansión con bajas emisiones de carbono, que tiene en cuenta explícitamente: las restricciones de compromiso de la unidad, los requisitos de inercia de la tasa de cambio de frecuencia y la provisión de inercia virtual, y una aproximación de programación de cono de segundo orden de la potencia de AC flujo, teniendo en cuenta las limitaciones de potencia reactiva. Un estudio de caso ilustrativo subraya que ignorar la inercia y las limitaciones de potencia reactiva en la planificación de la expansión de la generación puede resultar en un costo adicional del sistema, inviabilidades del sistema, una distorsión de la asignación óptima de recursos e incapacidad para alcanzar los objetivos políticos establecidos.

On the path towards power systems with high renewable penetrations and ultimately carbon-neutral, more and more synchronous generation is being displaced by variable renewable generation that does not currently provide system inertia nor reactive power support. This could create serious issues of power system stability in the near future, and countries with high renewable penetrations such as Ireland are already facing these challenges. Therefore, this paper aims at answering the questions of whether and how explicitly including inertia and reactive power constraints in generation expansion planning would affect the optimal capacity mix of the power system of the future. Towards this end, we propose the novel Low-carbon Expansion Generation Optimization model, which explicitly accounts for: unit commitment constraints, Rate of Change of Frequency inertia requirements and virtual inertia provision, and, a second-order cone programming approximation of the AC power flow, accounting for reactive power constraints. An illustrative case study underlines that disregarding inertia and reactive power constraints in generation expansion planning can result in additional system cost, system infeasibilities, a distortion of optimal resource allocation and inability to reach established policy goals.