Overvoltage ride through requirements in the Finnish converter-dominated power system

Abstract

As the share of converter-connected power plants in the power system increases, it is essential for the power plants to stay connected to the system during overvoltages, because the disconnection may result in the loss of a significant proportion of generation. Due to this, grid codes in some countries include overvoltage ride through requirements that require the power plants to stay connected to the grid during overvoltage of certain magnitude and duration. In some countries, converter-connected power plants are required to inject additional inductive current to mitigate overvoltages.

The objective of this thesis was to propose overvoltage ride through and additional inductive current injection requirements for converter-connected power plants in Finland. In addition, the thesis studies whether additional capacitive current injection during faults can cause overvoltages due to a delay in the control system. The overvoltages were studied using electromagnetic transient type simulation software and wind power plant models from two manufacturers. The simulation studies were done using three simulation models: a simple model consisting of three wind power plants and a small, meshed network, island model corresponding to an actual islanding situation in the Finnish power system and a large model corresponding to the part of the Finnish power system located in Ostrobothnia.

The results obtained in the simple model show that the largest overvoltages were observed after faults causing line or bus disconnection in the 110 kV network. These overvoltages were aggravated by the constant positive reactive power produced by the wind power plants after the fault. However, the magnitude and duration of these overvoltages could be reduced by adjusting the control parameters of the wind power plants. In the large model, the duration of overvoltages was shorter as the slow active power recovery of some wind power plants decreased the overvoltages. Employing additional inductive current injection mitigated overvoltages in the simple model and in the large model but did not affect the overvoltage in the island model. The magnitude of capacitive current injected during a fault had small effect on the overvoltage occurring after fault clearing. Proposals for overvoltage ride through and additional inductive current injection requirements were given based on the results.

Suuntaajavaltaisessa järjestelmässä suuntaajakytkettyjen voimalaitosten on tärkeä pysyä kytkettynä sähköjärjestelmään ylijännitteiden aikana, sillä niiden irtikytkeytyminen saattaa vaarantaa voimajärjestelmän stabiiliuden. Tämän vuoksi joidenkin maiden kantaverkkoyhtiöt ovat määrittäneet suuntaajakytketyille voimalaitoksille ylijännitevaatimuksia, jotka velvoittavat voimalaitoksia pysymään kytkettynä järjestelmään tietyn suuruisten ja kestoisten ylijännitteiden aikana. Lisäksi suuntaajakytketyiltä voimalaitoksilta vaaditaan induktiivisen virran syöttöä ylijännitteiden pienentämiseksi

Tämän diplomityön tavoitteena oli ehdottaa ylijännitevaatimuksia ja vaatimus induktiivisen virran syötöstä suomalaiseen sähköjärjestelmään kytketyille suuntaajakytketyille voimalaitoksille. Lisäksi työssä tutkittiin voiko suomalaisessa verkkokoodissa vaadittu vianaikainen kapasitiivisen virran syöttö aiheuttaa ylijännitteitä. Ylijännitteitä tutkittiin käyttäen sähkömagneettitransienttisimulaatio-ohjelmistoa ja kahden valmistajan tuulivoimalaitosmalleja. Simulaatiot tehtiin käyttäen kolmea mallia: yksinkertaisesta silmukoidusta verkosta ja kolmesta tuulivoimalasta koostuvaa mallia, Suomessa esiintynyttä saareketilannetta vastaavaa mallia ja Pohjanmaalla sijaitsevaa sähköjärjestelmää vastaavaa mallia.

Yksinkertaisen mallin tuloksissa suurimmat ylijännitteet esiintyivät tapauksissa, joissa viat johtivat johtojen tai kiskojen pysyvään irtoamiseen ja siten vaikuttavat tehonjakoon 400 kV:n ja 110 kV:n verkossa. Näissä tapauksissa tuulivoimalaitosten toiminta suurensi ylijännitteitä, sillä vian jälkeen ne syöttivät vakioloistehoa vikaa edeltävän asetusarvon mukaisesti tietyn ajanjakson verran. Pohjanmaan mallissa simuloitujen ylijännitteiden kestot olivat lyhyempiä kuin yksinkertaisessa mallissa. Ylijännitteiden voitiin kuitenkin pienentää muokkaamalla tuulivoimalaitosmallien säätäjäparametreja. Induktiivisen virran syötöllä pystyttiin pienentämään ylijännitteitä yksinkertaisessa mallissa ja Pohjanmaan mallissa, mutta ei saarekemallissa. Vianaikaisella kapasitiivisen virran syötöllä oli pieni vaikutus vianjälkeisen ylijännitteen maksimiarvoon. Tulosten perusteella annettiin ehdotus ylijännitevaatimuksista ja vaatimuksesta induktiivisen virran syötölle ylijännitteen aikana.