Inter-area Resonance Phenomenon in the Nordic Power System Excited by Forced Oscillations

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-10-09

Department

Major/Subject

Electrical Power and Energy Engineering

Mcode

ELEC3024

Degree programme

AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)

Language

en

Pages

71 + 8

Series

Abstract

Power system stability is a well-known matter in power engineering, and it is crucial in ensuring the reliable power systems operations. One phenomenon to cause power system instability is known to be low frequency inter-area oscillations. In recent years, transmission system operators have identified significant amplifications in the inter-area modes, excited by forced oscillations. The phenomenon is recognized as an inter-area resonance. The research studied inter-area resonance phenomenon, excited by the interactions of inter-area oscillation modes and forced oscillations. To specify, the research focused on the resonance phenomenon regarding the 0.3–0.4 Hz inter-area mode between Southern Finland and Southern Sweden. The mode and its damping are known to cause restrictions in the transmission capacity between Finland and the rest of Nordic countries. The objective was to determine which properties of a forced oscillation have the most prominent resonance effect on the inter-area mode. Also, it was studied, if the operational conditions of the Nordic power system have an effect on the phenomenon. The research was implemented by simulating a model of the Nordic power system. Based on the generated data, the resulted amplification in the inter-area mode were determined. The effects of certain forced oscillation properties regarding the inter-area resonance were examined by these amplifications. The results were analyzed in a comparison with the prior research. The objective of the research was achieved. The findings suggested that inter-area resonance is a phenomenon with numerous factors affecting it. However, the most crucial are the damping of the inter-area mode resulting from the power flow situation, and the frequency and location of the forced oscillation. The findings also showed similarities with the prior research but also, to some extent challenge certain preconceptions.

Stabiilius ja sen merkitys luotettavan sähköjärjestelmän toiminnassa on hyvin tunnettu aihe sähkövoimatekniikassa. Matala-taajuisella alueiden välisellä tehoheilahtelulla on tunnetusti yhteys epästabiiliuteen. Viime vuosina, siirtoverkko-operaattorit ovat huomanneet merkittäviä, pakotettujen tehoheilahteluiden aiheuttamia vahvistuksia alueiden välisissä moodeissa. Kyseinen ilmiö tunnetaan myös alueiden välisenä resonanssina. Tässä työssä tutkittiin alueiden välisen moodin ja pakotetun heilahtelun vuorovaikutuksen herättämää resonanssi-ilmiötä. Tarkennuksena, työ keskittyi Etelä-Suomen ja Etelä-Ruotsin välillä esiintyvää 0.3–0.4 Hz moodiin sekä siihen liittyvään resonanssiin. Kyseisellä moodilla sekä sen vaimennuksella on tunnetusti rajoittavia vaikutuksia Suomen ja muiden pohjoismaiden väliseen siirtokapasiteettiin. Työ tavoitteena oli selvittää, millä pakotetun tehoheilahtelun ominaisuuksilla on merkittävimmät vaikutukset alueiden väliseen resonanssiin. Lisäksi tutkittiin vaikuttaako pohjoismaisen sähköjärjestelmän toimintaolosuhteet kyseiseen ilmiöön. Tutkimus toteutettiin simuloimalla pohjoismaiseen sähköjärjestelmään perustuvaa mallia. Tuotetun datan pohjalta määritettiin edellä mainitun yhteisvaikutuksen aiheuttamat alueiden välisen moodin vahvistukset. Kunkin pakotetun tehoheilahtelun ominaisuuden vaikutuksia alueiden välisen moodin resonanssiin tarkasteltiin näiden vahvistusten pohjalta. Näitä tuloksia tarkasteltiin aiemman tutkimustiedon pohjalta. Työn tavoitteet saavutettiin. Löydökset osoittavat useiden tekijöiden vaikuttavan alueiden välisen moodin resonanssi-ilmiöön. Kuitenkin keskeisimmät tekijät olivat sähköjärjestelmän tehonjakotilanteen aiheuttama alueiden välisen moodin vaimennus sekä pakotetun tehoheilahtelun taajuus ja sijainti. Löydökset osoittivat samankaltaisuuksia tunnetun tutkimustiedon kanssa, mutta osaltaan myös haastoivat tiettyjä ennakkokäsityksiä.

Description

Supervisor

Seppänen, Janne

Thesis advisor

Cheng, Hock-Lim

Keywords

inter-area oscillation, forced oscillation, resonance phenomenon, power system stability

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202310156407

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC