Συμβολή της αιολικής διείσδυσης στην ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The subjects of this thesis is modelling of wind generators for power system stability studies and their impact on power system stability, mainly short-term voltage stability and small-signal stability. Emphasis is given on Doubly Fed Asynchronous Generator (DFAG) which is the most popular scheme used today in wind generators. However, many conclusions refer to the other category of full-converter variable-speed wind generators. Different models for variable speed wind turbines were developed, appropriate for power system stability studies. The models were developed in Matlab/Simulink and in the frame of the power system simulation program WHSSP of the Electric Energy Systems Lab of NTUA. The various model assumptions are investigated, as well as their effect on stability. The models are used to investigate the low voltage ride-through capability of wind generators, a basic demand by transmission system operators. Modeling of the wind generator behavior during severe voltage sags, assuming low voltage ride-through capability is also investigated. Next, the contribution of variable-speed wind generators to short-term voltage stability is examined. Simulations in small test power systems and in the Evia network show that variable speed wind generators improve voltage stability compared to constant speed wind generators. A large part of the thesis concerns small-signal stability. First, the stability of a DFAG - infinite bus system is investigated. Speed control stability is analyzed and the DFAG response modes are specified. Using a DFAG model with detailed control loops, based on manufacturer data, it is ascertained that the reactive power control loop can introduce important dynamics. Stability of the specific control loop is analyzed and general rules are outlined. Next, a typical interconnected power system with local conventional power generation is investigated for various operating conditions and wind power penetration levels. As a general remark, the effect of wind power penetration is positive, i.e. damping of the interarea oscillation increases. For the cases where negative interaction occurs, it is shown that it can be avoided by the proposed tuning of the wind parks reactive power control loop. The impact of DFAG dynamic models on small signal stability of the Hellenic Interconnected system is also investigated in cooperation with the Hellenic Transmission System Operator (HTSO). At the examined operating point, a small positive impact on interarea oscillations is observed and appropriate tuning of the DFAG reactive power control loop is proposed, when necessary, to improve its stability. Finally, the thesis introduces and analyzes a power system stabilizer for wind generators (Wind PSS) to improve damping of interarea oscillations. The proposed controller is simple and similar to those proposed in the literature to emulate inertia in autonomous power systems.

Η διατριβή ασχολείται με την παράσταση των ανεμογεννητριών σε μελέτες ευστάθειας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) και με τη συμβολή τους στην ευστάθεια ΣΗΕ, κυρίως στη βραχυπρόθεσμη ευστάθεια τάσης και την ευστάθεια μικρών διαταραχών. Μεγαλύτερη έμφαση δίνεται στις ανεμογεννήτριες με Ασύγχρονη Γεννήτρια Διπλής Τροφοδότησης (ΑΓΔΤ), οι οποίες είναι σήμερα οι πιο διαδεδομένες. Αρκετά συμπεράσματα όμως αφορούν και στην άλλη κατηγορία ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών, με μετατροπέα πλήρους ισχύος. Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκαν μία σειρά από μοντέλα για ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών, κατάλληλα για μελέτες ευστάθειας ΣΗΕ. Διερευνήθηκαν οι διάφορες παραδοχές που γίνονται στα μοντέλα και η επίδραση τους στην ευστάθεια. Με τα μοντέλα αυτά εξετάζεται η αδιάλειπτη λειτουργία των ανεμογεννητριών σε βυθίσεις τάσης, μία βασική απαίτηση πλέον των διαχειριστών συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Διερευνάται επίσης πώς μπορεί να αναπαρασταθεί με ικανοποιητική ακρίβεια η συμπεριφορά των ανεμογεννητριών στις μελέτες ευστάθειας κατά τη διάρκεια βυθίσεων της τάσης που προκαλούνται από μεγάλες διαταραχές. Στη συνέχεια, εξετάζεται η συμβολή αιολικών πάρκων με ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών στη βραχυπρόθεσμη ευστάθεια τάσης. Μέσω προσομοιώσεων σε μικρά δοκιμαστικά συστήματα, αλλά και σε παραλλαγή του συστήματος της Ν. Εύβοιας, συμπεραίνεται ότι οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών βελτιώνουν την ευστάθεια τάσης σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών με μηχανές επαγωγής. Μεγάλο μέρος της διατριβής αφορά στην ευστάθεια μικρών διαταραχών. Καταρχάς εξετάζεται η ευστάθεια μίας ανεμογεννήτριας με ΑΓΔΤ σε σύνδεση με άπειρο ζυγό. Αναλύεται η ευστάθεια ελέγχου των στροφών και προσδιορίζονται οι ρυθμοί απόκρισης που εισάγει στο ΣΗΕ η ΑΓΔΤ. Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο με λεπτομερείς βρόχους ελέγχου με βάση δεδομένα συγκεκριμένου κατασκευαστή, διαπιστώνεται ότι μπορεί να εισάγεται σημαντική δυναμική από το βρόχο ελέγχου της αέργου ισχύος. Αναλύεται η ευστάθεια του συγκεκριμένου βρόχου και διατυπώνονται γενικοί κανόνες. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της ευστάθειας μικρών διαταραχών ενός διασυνδεδεμένου ΣΗΕ με τοπική σύγχρονη γεννήτρια για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και επίπεδα αιολικής διείσδυσης. Διαπιστώνεται ότι γενικά η επίδραση της αιολικής διείσδυσης είναι θετική, δηλαδή αυξάνεται η απόσβεση της διασυνδετικής ταλάντωσης. Για τις περιπτώσεις που εμφανίζονται αρνητικές αλληλεπιδράσεις προτείνεται ρύθμιση του βρόχου αέργου ισχύος. Γίνεται εφαρμογή στο Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα, όπου διαπιστώνεται μικρή θετική επίδραση στις διασυνδετικές ταλαντώσεις και γίνεται ρύθμιση του βρόχου αέργου ισχύος των ανεμογεννητριών για τη βελτίωση της ευστάθειας του. Τέλος γίνεται εισαγωγή και ανάλυση ενός αιολικού σταθεροποιητή για αύξηση της απόσβεσης των ταλαντώσεων διασύνδεσης.