STABILIZATION OF VIRTUAL POWER PLANT SOURCES STABILIZACJA ŹRÓDEŁ W ELEKTROWNI WIRTUALNEJ ELEKTRYKA 2009

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 009 Zeszyt (0) Rok LV Stefan PASZEK, Adrian NOCOŃ Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach STABILIZATION OF VIRTUAL POWER PLANT SOURCES Summary. The paper presents investigations of a group control system enabling limitation of power swings of generating units operating in the power system (PS). The idea of the control system is based on the theory of system stabilizers. The output signal of the control system proposed depends on the values of the instantaneous power and angular speeds of distributed source generators. There are given the exemplary calculations for a 4-machine system containing three distributed generation sources. Keywords: power system stability, group control, distributed sources, virtual power plant STABILIZACJA ŹRÓDEŁ W ELEKTROWNI WIRTUALNEJ Streszczenie. W artykule zaprezentowano badania układu sterownia grupowego, pozwalającego na ograniczenie kołysań mocy małych zespołów wytwórczych pracujących w systemie elektroenergetycznym. Koncepcja układu sterowania opiera się na teorii stabilizatorów systemowych. Proponowany układ sterowania wypracowuje sygnał wyjściowy na podstawie sygnałów mocy chwilowej i prędkości kątowych sterowanych źródeł generacji rozproszonej. Przykładowe obliczenia przedstawiono dla układu 4-maszynowego, który zawiera trzy małe źródła generacji rozproszonej. Słowa kluczowe: stabilność systemu elektroenergetycznego, sterowanie grupowe, źródła rozproszone, elektrownia wirtualna. INTRODUCTION During the last years there has been growth of interest in distributed sources of electric energy. On the energy market there have appeared the companies managing more than one source on the given area of the system. Within one company, energy sources can be connected to each other by means of the power and teleinformation network. Such a system is often called the virtual power plant. The presence of significant number of distributed sources in the power system can result in uncontrolled power swings due to continuous changes of operating conditions of these sources. The individual stabilization of operation of distributed sources can be difficult and its results can be unsatisfactory. For improvement in stabilization of the sources managed by one company and connected relatively close to each other, there can be

2 L4 L L 46 S. Paszek, A. Nocoń used one central stabilizer influencing particular sources by the teleinformation network of the virtual power plant control.. STABILIZATION OF OPERATION OF DISTRIBUTED SOURCES The computations were carried out for a 4-machine power system show in Fig.. G0 L G SEE G G Fig.. The 4-machine power system Rys.. 4-maszynowy system elektroenergetyczny The system analysed contains an equivalent high power generator G0 representing the part of the system and three generators G G being the virtual power plant distributed sources. When modelling the power network, it was assumed that the fragment analysed is weakly connected with the rest of the system, which was taken into account by appropriately selected values of the line reactances. The following ratios of the line reactances were assumed: X(L)/ X(L)/ X(L)/ X(L4) / / /. () The following generating units in generating nodes were assumed for computations: G0 turbogenerator, electromachine excitation system (model IEEET [4]), steam turbine (model IEEEG [, 4]), system stabilizer with the input signal proportional to the instantaneous power [], G turbogenerator, electromachine excitation system (model IEEET), steam turbine (model IEEEG), optional system stabilizer generator angular speed deviation [], with the input signal proportional to the G, G turbogenerator, electromachine excitation system (model IEEET), steam turbine (model IEEEG). Active powers generated in particular units are determined by approximate relations: P(G0) / P(G) / P(G) / P(G) 4 / 5 /.5/. () In computations there was assumed the disturbance in the form of a transient symmetrical short circuit of the duration tz = 0.5 s at the end of the transmission line L. Figs. -4 present

3 Stabilization of virtual 47 the instantaneous power waveforms (in the case of electromechanical swings often called active power waveforms) and the angular speed of the generator rotors in particular units without system stabilizers (curve ), with the individual system stabilizer in unit G (curve ) and with the virtual power plant regulator for units G, G and G (curve ). The structure and parameters of the virtual power plant regulator model were assumed to be the same as those of the individual stabilizer for unit G. A sum of the signals of the distributed generation source angular speed deviations was applied to the virtual power plant regulator inputs. In the synchronous generator mathematical model there was included one equivalent damping circuit of the field magnet in the longitudinal (d) and one in the transverse (q) axis when assuming the machine symmetry and constant magnetic permeability of the core. After Park s transformation, the synchronous generator mathematical model is described by the matrix equation: U = R I + L di/dt + L I () where: U vector of the axial voltages, I vector of the axial currents, matrix of pulsations, R matrix of resistances, L matrix of inductances. The computations of the power network were carried out in the natural (phase) coordinate system []..0 [p.u.] P [p.u.] Fig.. Angular speed and active power P in unit G after transient short circuit in line L Rys.. Przebiegi prędkości kątowej i mocy czynnej P w zespole G po przemijającym zwarciu w linii L

4 48 S. Paszek, A. Nocoń [p.u.] P [p.u.] Fig.. Angular speed and active power P in unit G after transient short circuit in line L Rys.. Przebiegi prędkości kątowej i mocy czynnej P w zespole G po przemijającym zwarciu w linii L [p.u.] P [p.u.] Fig. 4. Angular speed and active power P in unit G after transient short circuit in line L Rys. 4. Przebiegi prędkości kątowej i mocy czynnej P w zespole G po przemijającym zwarciu w linii L Figs. -4 show that the proposed virtual power plant regulator damps weakly the power swings of unit G in during the first stage of the transient state. During the second stage the power swings are close to those in case of using the individual system stabilizer. For units G and G, for which the individual stabilizer of unit G did not reduce the swings, the virtual power plant regulator damped the swings visibly, especially during the second stage of the transient state.. CONCLUDING REMARKS

5 Stabilization of virtual 49 From the computations carried out it follows that the system without system stabilizers damps weakly the electromechanical swings appearing after the disturbance. Introducing the system stabilizer and the proposed virtual power plant regulator to the traditional generating unit improves the damping of the swings. However, further investigations connected with optimisation (including multi-criterion optimisation) of system stabilizer and virtual power plant regulator parameters are necessary in order to determine the correct operation regimes of the power system with large share of distributed generation. The important problem is also appropriate configuration of the communication system between particular sources of the virtual power plant and the regulation system. Considering the remote control (stabilization) of the generating unit, the teleinformation network has to ensure sufficiently fast communication between particular elements of the virtual power plant. The research is partly realised in the framework of the project Power Security of Poland (PBZ-MEiN-//006) carried out by the Consortium of Universities of Technology of Gdańsk, Gliwice, Warszawa and Wrocław. BIBLIOGRAPHY. Boboń A., Kudła J., Żywiec A.: Electromagnetic parameters of a synchronous machine (in Polish). Proceedings of the Silesian University of Technology, Gliwice Paszek S.: Optimisation of the power system stabilizers in a power system (in Polish). Proceedings of the Silesian University of Technology, Elektryka No. 6, Gliwice Ordered research project PBZ-MEiN-//006, Report concerning realization of task Planning of PS development when taking into account distributed sources ensuring power security (in Polish). Silesian University of Technology, authors: Paszek S., Latko A., Nocoń A., Witek B., Kraszewski T., Gliwice Power Technologies, a Division of S&W Consultants Inc.: Program PSS/E Application Guide. Wpłynęło do Redakcji dnia 5 czerwca 009 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Ryszard Zajczyk

6 50 S. Paszek, A. Nocoń Omówienie W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie rozproszonymi źródłami energii elektrycznej. Na rynku energii pojawiły się podmioty zarządzające więcej niż jednym źródłem na danym obszarze systemu. W ramach jednego podmiotu źródła energii mogą być wzajemnie powiązane przez sieć elektroenergetyczną i teleinformatyczną. Układ taki często nosi nazwę elektrowni wirtualnej. Znaczne nasycenie systemu elektroenergetycznego źródłami rozproszonymi może powodować niekontrolowane kołysania mocy wywołane ciągłymi zmianami stanów pracy tychże źródeł. Indywidualna stabilizacja pracy źródeł rozproszonych może być trudna i nie zawsze może dawać zadowalające efekty. Do poprawy stabilności źródeł zarządzanych przez jeden podmiot i przyłączonych stosunkowo blisko siebie można wykorzystać centralny stabilizator, wpływający na poszczególne źródła przez sieć teleinformatyczną sterowania elektrowni wirtualnej. Obliczenia przeprowadzono dla 4-maszynowego systemu elektroenergetycznego przedstawionego na rys.. Analizowany system zawiera zastępczy generator G0 dużej mocy reprezentujący ekwiwalent części systemu oraz trzy generatory G G, stanowiące źródła rozproszone elektrowni wirtualnej. W obliczeniach przyjęto zakłócenie w postaci przemijającego symetrycznego zwarcia na końcu jednej z linii przesyłowej. Na rys. -4 przedstawiono przebiegi mocy chwilowej (w przypadku kołysań elektromechanicznych często nazywanych przebiegami mocy czynnej) i prędkości kątowej wirników generatorów w poszczególnych zespołach przy wyłączeniu oddziaływania stabilizatorów systemowych (przebieg ), przy włączeniu indywidualnego stabilizatora systemowego w zespole G (przebieg ) oraz włączeniu regulatora elektrowni wirtualnej dla zespołów G, G i G (przebieg ). Regulator elektrowni wirtualnej zamodelowano zadając jego strukturę i parametry - takie same jak stabilizatora indywidualnego dla zespołu G. Na wejścia regulatora elektrowni wirtualnej wprowadzono sumę sygnałów odchyłek: prędkości kątowych generatorów generacji rozproszonej. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że układ bez stabilizatorów systemowych słabo tłumi kołysania elektromechaniczne, pojawiające się po wystąpieniu zakłócenia. Wprowadzenie stabilizatora systemowego w tradycyjnym zespole wytwórczym i zaproponowanego regulatora elektrowni wirtualnej generacji rozproszonej poprawia tłumienie kołysań.