Modeling and simulation of power system dynamics for studying the impacts of increasing wind power in a weak grid system

Abstract

Die Sorge um die Umwelt und die Bemühungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, führen dazu, dass erneuerbare Energieressourcen bei der Stromerzeugung in den Vordergrund rücken. Die Windenergie hat in den letzten Jahrzehnten weltweit einen rasanten Ausbau erfahren, was zu Herausforderungen im Systembetrieb in Bezug auf Frequenz- und Spannungsstabilität führt. Die Untersuchung und Bewertung der Auswirkungen großer Windkraftanlagen auf die Dynamik des Stromnetzes ist ein wesentlicher Schritt zur Verbesserung des frequenz- und spannungsstabilen Betriebs. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Windenergie zu untersuchen und Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Netzen mit verschiedenen Netztopologien vorzuschlagen. Der doppelt gespeiste Asynchrongenerator (DFIG) ist der am weitesten verbreitete Windturbinentyp, da er mit variabler Windgeschwindigkeit betrieben werden kann, über einen Teillastumrichter verfügt und in der Lage ist, den Generator bei anormalen Bedingungen synchron mit dem Netz zu halten. Daher wird in dieser Arbeit ein detailliertes Modell von DFIG-basierten Windturbinengeneratoren verwendet, um den Einfluss eines steigenden Windenergieanteils in einem großen Netzsystem zu veranschaulichen. Die netzdynamischen Modelle umfassen Synchrongeneratoren, automatische Spannungsregler, Turbinenregelungssysteme, DFIG-basierte Windturbinengeneratoren, verschiedene Steuerelemente, Übertragungssysteme und Transformatoren. Die mathematischen, dynamischen Modelle werden mit Hilfe numerischer Integrationstechniken gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Tool zur dynamischen Simulation von Stromsystemen in MATLAB/Simulink entwickelt. In dieser Arbeit werden vier Testnetze, einschließlich einer Fallstudie für das äthiopische Stromnetz, verwendet, um die dynamischen Reaktionen in verschiedenen Netztopologien zu simulieren. Die verschiedenen Simulationsszenarien und Netztopologien bestätigen, dass eine Erhöhung des Windenergieanteils die transiente Stabilität des Systems verschlechtert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Windkraftanteils zu einer Verringerung der dynamischen Spannungsstabilitätsreserven, einer Erhöhung der Frequenzänderungsrate und einer Verringerung der Wirkleistungsübertragungsfähigkeit führen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass sich die DFIGs als Reaktion auf Netzspannungseinbrüche bei schweren Fehlerereignissen selbst vom Netz trennen, um die rotorseitigen Back-to-Back-Umrichter vor Rotorüberströmen zu schützen. Die dynamischen Auswirkungen von DFIG-basierten Windgeneratoren werden bewertet und es werden Regelungsstrategien vorgeschlagen, die die Windgeneratoren nicht nur unterstützen, am Netz zu bleiben, sondern auch die Systemstabilität bei Netzstörungen zu verbessern. Es wird eine neue Regelungsstrategie vorgeschlagen, um die Fähigkeit von DFIG-Windgeneratoren zum Niederspannungs-Ride-Through zu verbessern. Die vorgeschlagene Regelungsstrategie umfasst die gemeinsame Anwendung eines STATCOM und einer Rotor-Überdrehzahl-Strategie. Der STATCOM wird hauptsächlich eingesetzt, um den Stator-Spannungseinbruch zu reduzieren und die Rotor-Überdrehzahl-Strategie wird verwendet, um die Rotorüberströme bei Stator-Spannungseinbrüchen zu reduzieren, was zu einer geringeren Ausgangsleistung führt. Die Überdrehzahlregelung wird eingesetzt, um den Wirkleistungssollwert so anzupassen, dass er proportional zum Spannungseinbruch an der Klemme ist. Auf diese Weise wird die Turbine veranlasst, die Rotordrehzahl bis zur maximal zulässigen Grenze zu erhöhen, sodass die Ausgangsleistung so lange reduziert bleibt, bis der Spannungseinbruch am Stator durch den schnell reagierenden STATCOM wieder ausgeglichen wird. Der zweite Beitrag dieser Doktorarbeit befasst sich mit Lösungen für die Verbesserung der Netzfrequenzstabilität bei höherem Durchdringungsgrad von Windenergie. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dem die Betreiber von Windkraftanlagen ihre Windenergieerzeugung so planen können, dass sie den Prozess der Wiederherstellung der Netzfrequenz unterstützen. Das vorgeschlagene Frequenzregelungsmodul auf Anlagenebene überwacht den Beitrag der verschiedenen Betriebseinheiten in einem großen Windpark auf der Grundlage ihrer jeweiligen Windgeschwindigkeit und der Netzfrequenzabweichung. Die dynamischen Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Spannungsund Frequenzregelungsstrategien effizient sind, um den Spannungsabfall in Echtzeit zu regulieren und die Steuerbarkeit von Spannung und Frequenz bei einem höheren Durchdringungsgrad der Windenergie zu verbessern.

The issue of environmental concerns and efforts to decrease dependency on fossil fuel are bringing renewable energy resources to the mainstream of electric power generation. Wind energy has undergone fast expansions worldwide in recent decades, but it also results in challenges in system operation related to frequency and voltage stabilities. Investigating and evaluating the impact of large-scale wind power on power system dynamics is an essential step to enhance the stable operation of frequency and voltage. This thesis work is intended to investigate the impacts of wind power and propose mitigation measures to enhance the dynamic behaviors of power systems with various network topologies. Doubly-fed induction generator (DFIG) is the most common wind turbine type due to its ability to operate at variable wind speed, partial-load converter and its capability to sustain the generator in synchronism with the system during abnormal conditions. Therefore, in this thesis work, a detailed model of DFIG-based wind turbine generators is employed to illustrate the influence of increasing wind power share in a large network system. The network dynamic models include synchronous generators, automatic voltage regulators, turbine-governor systems, DFIG-based wind turbine generators, various control elements, transmission systems and transformers. The mathematical dynamic models are solved using numerical integration techniques. For this purpose, a power system dynamic simulation tool is developed in the MATLAB/Simulink environment. In this thesis work, four test networks, including a case study for the Ethiopian power system, are employed to simulate the dynamic responses in different network topologies. The various simulation scenarios and network topologies confirm that an increase in wind power share deteriorates the transient stability of a system. The results effectively show that the increase in wind power penetration level has contributed to reducing the dynamic voltage stability margins, increasing the rate of change of frequency and reducing active power transfer capability. Moreover, the DFIGs are observed to disconnect themselves from the grid in response to grid voltage dips under severe fault events so as to protect the back-to-back rotor-side converters from rotor over-currents. The dynamic impacts of DFIG-based wind generators are assessed and control strategies are proposed to help them not only to remain connected but also to support the system stability during grid fault events. A new control strategy is contributed to enhance the low voltage ride-through capability of DFIG-based wind generators. The proposed control strategy comprises a joint application of a STATCOM and rotor over-speeding schemes. The STATCOM is mainly employed to improve the stator voltage dip and the rotor overspeeding strategy is employed to reduce the rotor over-currents during stator voltage dips that results in reduced output power. The over-speeding scheme is initiated to adjust the active power reference to be proportional to the voltage dip at the terminal. Thus, the turbine is made to increase the rotor speed till the maximum allowable limit so that the output power remains reduced until the stator voltage dip is recovered by the fast-acting STATCOM. The second contribution is related to solutions to the grid frequency challenges with higher penetration level of wind power. A new approach is introduced by which wind power plant operators can schedule their wind power generations so as to give support in the frequency restoration process. The proposed frequency control module at plant level monitors the contribution of various operating units in a large wind farm, based on their respective wind speed and the grid frequency deviation. The time-domain simulation results indicate that the proposed voltage and frequency control strategies are efficient to regulate the real-time voltage dip and enhance the voltage and frequency controllability with higher penetration level of wind power.