Αξιοποίηση μετατροπέων αιολικών πάρκων για τη βελτίωση της ευστάθειας τάσεως ΣΗΕ

Abstract

This PhD dissertation investigates the effect of reactive support of Wind Farm (WF) converters on the maximum power transfer of a power transmission system. Specifically, the aim of this work is to assess the power transfer limit increase (and hence the long-term voltage stability enhancement) by a proposed emergency maximum reactive support control scheme, in the presence of stochastic wind farm generation.The examined systems include transmission lines where Wind Farms (WF) are connected through dedicated MV distribution feeders. The detailed data for the feeders are taken from actual wind farms connected to the Hellenic System in the area of Peloponnese. The wind farm feeders consist of HV/MV substations with power transformers equipped with Load-Tap Changers, switched capacitor banks and power electronic converters AC/DC/AC connecting the WFs. These devices regulate and control the reactive power injected by the wind farms. The WF and the wind generator controllers have the ability to regulate the reactive power injected to the connection bus. At first two different test systems are simulated with one and two WFs respectively, while later the whole Hellenic Interconnected System (HIS) is simulated.In order to simulate the effect of wind variability in system loadability limit, two correlated wind speed time series are considered as input to the wind generators. The model used to extract the active power time series simulates the operation and control of a variable speed wind generator, specifically of a doubly-fed asynchronous generator.To assess the contribution from each WF, three different control strategies of the wind farm converter are implemented, more specifically the unity power factor control (UPF), the WF constant voltage control (CVC) and a proposed intelligent emergency control with maximum available reactive support command (Emergency Maximum Reactive Support, EMRS). The EMRS control scheme requires only one triggering signal requesting maximum reactive support from the distributed source (in this case the WF). This can be achieved through an inexpensive and easy to acquire communication channel, either wireless (e.g. mobile phone) or through line courier communication. This exercise focuses also on new converter instability mechanisms, not so far described in power system stability classifications. The converter instability condition refers to the inability of the network to receive the generated power (minus active losses) under adverse network conditions, due to its diminishing voltage. This short-term power system instability arises when the converter is assigned to support the transmission system through reactive power injection. Furthermore, a protection scheme, able to detect and prevent this type of instability is proposed.Next, the internal structure and topology of the wind turbine generators (WTGs) that compose a wind farm are investigated (a detailed model of a WF is simulated). The model of each wind turbine includes a detailed implementation of the voltage, the active and reactive power control systems. In addition, a central control system of the Wind Farm is implemented, through which control signals are distributed to the individual wind turbines. A method is then proposed for the determination of an aggregate model for the simplified equivalent representation of a Wind Farm, focusing on the application to voltage stability studies. Furthermore, a full simulation is compared with the Quasi-Steady-State (QSS) for the approximate Wind Farm model of an aggregated equivalent wind turbine under variable wind. The comparison aims to highlight the Quasi-Steady-State as a reliable way of assessing the voltage stability limit on a transmission system. Finally, the converter instability examined earlier with the QSS method, referring to the inability of the network to receive the generated power under adverse network conditions and constant current limitation, is now investigated with the full simulation model. Protection schemes are proposed, able to prevent this type of instability by retuning the Maximum Power Point Tracking controller parameters, in order to better interact with the pitch controller.Afterwards, with the use of stochastic Markov models, an algorithm is developed for the production of synthetic time series. After the discretization and the extraction of the probability transition matrix of the original time series, which corresponds to real wind speed measurements, the effect of various parameters on the reproduction of autocorrelation factors and probability density function is examined, in order to choose the most fitting model for each time series. Finally, the produced synthetic time series from each chosen Markov model are used for the probabilistic simulation of the Wind Farms. The use of a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method is considered as an appropriate representation of wind power and its statistics in this exercise. For the simulations of the first test system comprised by one wind farm, the software package MATLAB is used, while for the test system consisted of two wind farms, as well as for the whole Hellenic Interconnected System, the long-term Quasi-Steady-State simulation program WPSTAB.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την επίδραση της άεργης υποστήριξης μετατροπέων αιολικών πάρκων στο όριο φόρτισης ενός συστήματος μεταφοράς. Συγκεκριμένα, σκοπός της εργασίας είναι να παρέχει μία εκτίμηση της αύξησης της μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος (και κατά συνέπεια του ορίου ευστάθειας τάσεως) που μπορεί να επιτευχθεί από την προτεινόμενη μέθοδο έκτακτης μέγιστης άεργης υποστήριξης αιολικών πάρκων, παρουσία μεταβλητής αιολικής παραγωγής.Τα συστήματα που εξετάζονται αποτελούνται από γραμμές μεταφοράς στις οποίες συνδέεται μέσω αποκλειστικών γραμμών διανομής μέσης τάσης η αιολική παραγωγή. Τα δεδομένα των γραμμών σύνδεσης προέρχονται από πραγματικά αιολικά πάρκα που είναι συνδεδεμένα στο Ελληνικό σύστημα, στην περιοχή της Πελοποννήσου. Η γραμμή σύνδεσης κάθε πάρκου αποτελείται από τον υποσταθμό Υψηλής/Μέσης Τάσης και περιλαμβάνει μετασχηματιστή ισχύος εξοπλισμένο με ΣΑΤΥΦ. Στον ζυγό Μέσης Τάσης του υποσταθμού υπάρχουν αυτόματοι στατοί πυκνωτές αντιστάθμισης. Τα αιολικά πάρκα και οι επί μέρους ελεγκτές των ανεμογεννητριών έχουν τη δυνατότητα να ρυθμίζουν την έγχυση αέργου ισχύος στον ισοδύναμο ζυγό σύνδεσης κάθε πάρκου. Αρχικά προσομοιώνονται δύο συστήματα δοκιμών με ένα και δύο αιολικά πάρκα αντίστοιχα, ενώ εν συνεχεία προσομοιώνεται ολόκληρο το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα (ΕΔΣ).Για την προσομοίωση της επίδρασης που έχει η μεταβλητότητα του ανέμου στην ικανότητα φόρτισης του συστήματος, δύο συσχετισμένες χρονοσειρές ταχυτήτων ανέμου θεωρούνται ως είσοδος στις ανεμογεννήτριες. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των χρονοσειρών ενεργού παραγωγής, προσομοιώνει τη λειτουργία και τον έλεγχο μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών και συγκεκριμένα μιας ασύγχρονης ανεμογεννήτριας διπλής τροφοδότησης.Για την εκτίμηση της συνεισφοράς κάθε αιολικού πάρκου, υλοποιούνται τρεις διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου αέργου ισχύος του ηλεκτρονικού μετατροπέα, συγκεκριμένα η ρύθμιση με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, η ρύθμιση τάσης του αιολικού πάρκου και μία προτεινόμενη μέθοδος ευφυούς ελέγχου με εντολή μέγιστης άεργης υποστήριξης των αιολικών πάρκων σε συνθήκες εκτάκτου ανάγκης. Ειδικότερα, η μέθοδος μέγιστης άεργης υποστήριξης εκτάκτου ανάγκης (EMRS) αποτελεί ένα νέο απλουστευμένο σενάριο επικοινωνίας και στρατηγικής ελέγχου της υψηλής τάσης του υποσταθμού ΥΤ/ΜΤ σύνδεσης των διεσπαρμένων πηγών, που απαιτεί μόνο ένα διακριτό σήμα το οποίο θα ζητάει μέγιστη άεργη υποστήριξη από την διεσπαρμένη παραγωγή, όταν η ΥΤ της γραμμής μεταφοράς παραβιάσει ένα κατώφλι ελάχιστης τάσης. Η EMRS μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός φθηνού κι εύκολου να αποκτηθεί καναλιού επικοινωνίας, είτε ασύρματα (π.χ. κινητό τηλέφωνο) ή ενσύρματα από τις γραμμές μεταφοράς.Στην διατριβή πραγματοποιείται επιπρόσθετα διερεύνηση νέων μηχανισμών αστάθειας, που οφείλονται σε αδυναμία μεταφοράς της εγχεόμενης ενεργού ισχύος από μετατροπείς Ηλεκτρονικών Ισχύος, στην προσπάθειά τους να υποστηρίξουν άεργα το σύστημα μεταφοράς σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης. Οι μορφές αστάθειας που ερευνώνται είναι νεοφανείς και δεν έχουν μέχρι στιγμής ταξινομηθεί. Ταυτόχρονα προτείνονται σχήματα προστασίας για την έγκαιρη ανίχνευση και αντιμετώπιση πιθανής αστάθειας του ανωτέρω τύπου σε διαφορετικές λειτουργίες των μετατροπέων κι επιπρόσθετα πραγματοποιείται επαλήθευση της αποτελεσματικότητας των σχημάτων αυτών.Ακολούθως πραγματοποιείται διερεύνηση της εσωτερικής δομής και τοπολογίας των ανεμογεννητριών που απαρτίζουν ένα αιολικό πάρκο (λεπτομερές μοντέλο αιολικού πάρκου), καθώς και ο τρόπος που διαμοιράζονται οι εντολές από τον κεντρικό ρυθμιστή στους επιμέρους ρυθμιστές των μετατροπέων των ανεμογεννητριών. Το μοντέλο κάθε ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει λεπτομερή υλοποίηση των συστημάτων ελέγχου τάσεως, ενεργού και αέργου ισχύος. Επιπρόσθετα εξετάζεται κατά πόσο μπορούν να αναπαρασταθούν επαρκώς οι επιμέρους ανεμογεννήτριες ενός αιολικού πάρκου από μια ισοδύναμη μηχανή. Έπειτα, πραγματοποιείται σύγκριση της πλήρους προσομοίωσης με την Οιονεί Στατική Προσέγγιση για το προσεγγιστικό μοντέλο Αιολικού Πάρκου μίας συγκεντρωμένης ανεμογεννήτριας υπό μεταβλητό άνεμο. Η σύγκριση αποσκοπεί να αναδείξει την Οιονεί Στατική Προσέγγιση ως ένα αξιόπιστο τρόπο για την εκτίμηση του Ορίου Ευστάθειας ενός συστήματος μεταφοράς. Τέλος, πραγματοποιείται διερεύνηση της νεοφανούς αστάθειας για λειτουργία σταθερού ρεύματος των μετατροπέων των ανεμογεννητριών με το πλήρες μοντέλο και προτείνονται μέτρα προστασίας μέσω κατάλληλης παραμετροποίησης των ελεγκτών των ανεμογεννητριών (συγκεκριμένα του ελεγκτή γωνίας-βήματος και της στρατηγικής μέγιστης απολαβής ισχύος). Εν συνεχεία πραγματοποιούνται πιθανοτικές προσομοιώσεις των εξεταζόμενων συστημάτων μέσω της παραγωγής συνθετικών χρονοσειρών, προκειμένου να δημιουργηθεί ένας δειγματικός χώρος πολλαπλών προσομοιώσεων και έτσι να πραγματοποιηθεί στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Αρχικά αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος παραγωγής συνθετικών χρονοσειρών με χρήση στοχαστικών μοντέλων Markov. Αφού γίνει η διακριτοποίηση και η εξαγωγή του πίνακα πιθανοτήτων μετάβασης των δεδομένων χρονοσειρών που αναφέρθηκαν παραπάνω, διερευνάται η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στην αναπαραγωγή των συντελεστών αυτοσυσχέτισης και της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας, με σκοπό την καταλληλότερη επιλογή Μαρκοβιανού μοντέλου των χρονοσειρών. Τέλος, βάσει του επιλεχθέντος μοντέλου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την επανάληψη των προσομοιώσεων, θεωρώντας τη χρήση της μεθόδου Monte Carlo Markov αλυσίδων (MCMC) ως μία κατάλληλη αναπαράσταση της αιολικής ισχύος και των στατιστικών της.Για την προσομοίωση του συστήματος δοκιμών με ένα αιολικό πάρκο χρησιμοποιείται το λογισμικό MATLAB, ενώ για την προσομοίωση του συστήματος δοκιμών με δύο αιολικά πάρκα και του Ελληνικού Διασυνδεδεμένου Συστήματος το πρόγραμμα προσομοίωσης στη μακροπρόθεσμη χρονική κλίμακα WPSTAB.