Impact of active power recovery of converter-interfaced generation on power system stability
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2025-02-06
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Automation and Electrical Engineering
Language
en
Pages
65
Series
Abstract
Climate change is forcing a rapid transition from fossil-fuel-based electricity production towards renewable generation technologies, most of which are based on power-electronic converters. In fault situations, this kind of converter-interfaced generation (CIG) is typically, including in Finland, required to prioritise reactive power, which may result in a temporary reduction in active power production. If large amounts of CIG are concentrated in the same area, a single fault could cause a temporary reduction in total active power generation much larger than the dimensioning fault of the power system. This thesis investigated the voltage, transient rotor angle and frequency stability effects of the active power recovery of large concentrations of CIG in the Finnish power system, more specifically in the western coast of Finland, with a phasor-domain simulation tool. Single-machine infinite-bus simulations of type-3 and type-4 wind power plants were used to obtain parameter sets for generic control models, which would replicate the performance of those supplied by wind turbine generator manufacturers. The generic models were then used in a model representing the Nordic power system, in which four different fault scenarios were tested with different amounts of wind power production, different numbers of synchronous condensers, different active power recovery ramp rate limits and in both winter and summer power flow cases. The results with the Nordic model show that large concentrations of wind power can pose major risks to voltage and frequency stability if the active power recovery of that production takes three seconds or longer after a deep connection point voltage dip. When the recovery takes only one second or less, no instability can be observed. With longer recovery, the disconnection of a large generating unit as a result of a fault may cause a temporary reduction in active power production exceeding the dimensioning fault of the power system several times. This reduction in active power generation can cause a large power swing in the Sweden-Finland transmission lines, which may cause the series capacitors of the lines to be bypassed, further exacerbating the problems. Synchronous condensers can alleviate the problems slightly, but further measures are required to ensure that the power system remains stable in fault situations, as more CIG is connected to the grid.Ilmastonmuutoksen torjuminen edellyttää nopeaa siirtymää fossiilisiin polttoaineisiin perustuvasta sähköntuotannosta uusiutuviin teknologioihin, joista suurin osa perustuu tehoelektroniikkaa hyödyntäviin suuntaajiin. Sähköverkon vikatilanteissa tällaiselta suuntaajakytketyltä tuotannolta vaaditaan tyypillisesti myös Suomessa loistehon tuotannon priorisointia, mikä voi johtaa väliaikaiseen pätötehontuotannon alenemiseen. Jos suuri määrä suuntaajakytkettyä tuotantoa on keskittynyt samalle alueelle, yksi verkkovika voi johtaa hetkellisesti paljon voimajärjestelmän mitoittavaa vikaa suurempaan kokonaispätötehontuotannon alenemiseen. Tässä diplomityössä tutkittiin suurten suuntaajakytketyn tuotannon keskittymien pätötehon palautumisen vaikutuksia jännite-, taajuus- ja transienttiroottorikulmastabiiliuteen osoitinlaskentasimulaatioilla Suomen voimajärjestelmässä ja erityisesti Suomen länsirannikolla. 3- ja 4-tyypin tuulivoimaloita simuloitiin yksinkertaisessa Theveninin jännitelähde-ekvivalentilla kuvatussa taustaverkossa, jotta saatiin parametrisetit geneerisille säätömalleille, jotka vastaisivat tuuliturbiinivalmistajien toimittamien mallien suorituskykyä. Näitä geneerisiä malleja käytettiin pohjoismaista voimajärjestelmää kuvaavassa verkkomallissa, jolla simuloitiin neljää erilaista vikaskenaariota eri määrillä tuulivoimatuotantoa, synkronikompensaattoreita, erisuuruisilla tuulivoiman pätötehon palautumisnopeuden rajoituksilla ja sekä kesä- että talvitehonjakotilanteissa. Pohjoismaisen mallin simulaatioiden tulokset osoittavat, että suuret tuulivoimakeskittymät voivat aiheuttaa riskejä jännite- ja taajuusstabiiliudelle, jos niiden pätötehon palautuminen lähivian jälkeen kestää kolme sekuntia tai kauemmin. Kun palautuminen lähivian jälkeen kestää vain sekunnin tai vähemmän, stabiiliusongelmia ei ilmene. Pidemmällä palautumisajalla suuren voimalan irtoaminen vian seurauksena voi johtaa hetkelliseen pätötehontuotannon alenemaan, joka ylittää mitoittavan vian moninkertaisesti. Tämä tuotannon alenema aiheuttaa Ruotsin ja Suomen välisillä siirtojohdoilla tehonheilahduksen, josta voi seurata johtojen sarjakondensaattoreiden ohittuminen, mikä pahentaa stabiiliusongelmia. Synkronikompensaattoreilla voidaan lieventää ongelmia hieman, mutta voimajärjestelmän stabiiliuden säilyttäminen vikatilanteissa vaatii lisätoimenpiteitä, kun lisää suuntaajakytkettyä tuotantoa liitetään verkkoon.Description
Supervisor
Seppänen, JanneThesis advisor
Janhunen, Olli-PekkaKeywords
converter-interfaced generation, wind power, fault ride through, active power recovery, voltage stability, frequency stability