دانلود رایگان مقاله تنظیم سطح بارگذاری یک واحد تولیدی بادی در مطالعات مربوط به پایداری

چکیده

           در مطالعه پایداری در برنامه‌ریزی سیستم قدرت با محوریت یک واحد تولیدی بادی خاص (WPP)، این واحد در شرایط توزیع بار کامل در خروجی عمل می‌کند. انتظار می‌رود که پاسخ دینامیکی تأثیر چندانی از بارگذاری WPP های نزدیک نگیرد. به منظور بررسی اعتبار این روش و نیز درک بهتر اثر متقابل سطوح بارگذاری WPP های نزدیک روی پاسخ‌های دینامیکی در مقابل خطاهای سیستم قدرت، چهار مورد مطالعه‌ای با مناطق محلی مختلف و تجهیزات ژنراتور توربین بادی (WTG) متفاوت به کار رفته است. شبیه‌سازی‌های خطا روی پایگاه‌های داده سیستم قدرت واقعی و بزرگ صورت گرفته است. علی‌رغم اینکه بیشتر مطالعات عددی این روش را تأیید کرده‌اند اما برخی دیگر از مطالعات اظهار داشته‌اند که این روش لزوماً شرایط پایدار را نتیجه نمی‌دهد. تحلیل نوع دیگری از EMPT لازم است. ضمناً و به خصوص زمانی که مطالعه برنامه‌ریزی، مشکلات مربوط به پایداری یک WPP را مشخص می‌کند، و یا توانایی گذر از خطا برای سیستم مشخص می‌گردد، ترکیب‌های بیشتری از سطوح بارگذاری WPP می‌بایست مورد ارزیابی قرار گیرد. 

1. مقدمه

           انرژی باد به یکی از فناوری‌های انرژی جایگزین با سرعت پیشرفت بالا بدل شده است. در مطالعات برنامه‌ریزی سیستم قدرت، ارزیابی پایداری برای کی واحد تولیدی بادی جدید (WPP) بر اساس شبیه‌سازی‌های رویدادهای احتمالی در حوزه زمان صورت می‌گیرد. سناریوهای مختلف در این مطالعات اغلب شامل خطاهای اتصال کوتاه است که از نظر مکان، نوع و روند رفع خطا با هم متفاوت هستند. به منظور اجرای شبیه‌سازی‌ها، برنامه‌های نرم‌افزاری توالی مثبت به کار می‌رود، که در آن‌ها، مدل‌های ساده شده‌ای از (پایداری) دینامیکی و ژنراتور توربین بادی (WTG) برای مطالعات پایداری گذرا استفاده می‌شود. اطلاعات حیاتی پیرامون توسعه و اعتبار چنین مدل‌های WTG را می‌توانید در مراجع [1] تا [3] بیابید. 

         با معلوم فاکتورهای متعددی که روی پاسخ دینامیکی WPP اثر می‌گذارند و از سوی دیگر، این حقیقت که نتیجه‌گیری‌های مطالعات برنامه‌ریزی را می‌توان بر اساس تعداد محدودی از شبیه‌سازی‌ها به دست آورد، نقش روش مطالعه نمایان می‌شود. در حالت خاص، شبیه‌سازی‌های رویدادهای احتمالی می‌بایست روی یک مجموعه نمایشی از حالت‌های پخش توان صورت گیرد که بازگوکننده شرایط مختلف بار و سناریوهای مختلف توزیع توان تولیدی است. اغلب، شرایط بار کم و زیاد فصلی، شرایط نرمال و شرایط تحت استرس برای سیستم قدرت فرض می‌گردد. 

          زمانی که مطالعه پایداری به منظور برنامه‌ریزی روی یک WPP ی خاص تمرکز می‌کند، این واحد در شرایط خروجی کامل برنامه‌ریزی می‌گردد که اغلب تصور می‌شود که از نظر عملکرد پایداری، با بیشترین محدودیت مواجه است. زمانی که یک WPP ی دیگر در نزدیکی این واحد قرار داشته به خصوص، زمانی که از یک نقطه اتصال مشترک (POI) استفاده می‌کنند، احتمال بالقوه بروز اثرات دینامیکی متقابل می‌بایست مورد ارزیابی قرار گیرد. به عنوان مثال، بررسی کنترل متقابل بین چندین WPP که از نظر الکتریکی در نزدیکی هم قرار دارند، نشان می‌دهد که تنظیم‌کننده‌های ولتاژ در آن‌ها می‌بایست با هم هماهنگ شوند. با این وجود، پاسخ دینامیکی WPP معمولاً انتظار می‌رود که با بارگذاری WPP های مجاور تأثیر چندانی نپذیرد. از این رو، بارگذاری این واحدها معمولاً بر اساس منطق توزیع توان سیستم، سطوح پخش توان مطلوب و غیره تعیین می‌شود. 

           مطالعات شبیه‌سازی این نکته را آشکار کرده است که این روش لزوماً شرایط پایدار مطلوب را نتیجه نمی‌دهد که همین مسئله انگیزه‌ای برای این تحقیق است. در حالت خاص، فرض خروجی کامل لزوماً تضمین‌کننده بدترین حالت عملکرد پایداری یک WPP نبوده و از این رو، شرایط عملیاتی بیشتری می‌بایست شبیه‌سازی شود تا به درستی قابلیت گذر از خطا (FRT) را در یک WPP ارزیابی نماید. روش تشریح شده برای تنظیم سطوح بارگذاری WPP های مجاور نیز به اصلاحات بیشتری نیاز دارد. 

           این مقاله در مورد تنظیم سطوح بارگذاری یک WPP و اثر متقابل سطوح بارگذاری WPP های مجاور روی پاسخ‌های دینامیکی در مقابل خطاهای نزدیک بحث می‌کند. بررسی این مسئله بر اساس چهار مورد مطالعه‌ای با مناطق مختلف محلی و تجهیزات WTG ی گوناگون انجام می‌گیرد. شبیه‌سازی‌های خطا با برنامه نرم‌افزاری Siemens PTI PSS/E روی پایگاه‌های داده سیستم قدرت بزرگ واقعی که توسط اپراتور سیستم قدرت مستقل نیویورک (NYISO) جمع آورش شده است، صورت می‌گیرد. از آنجایی که مدل‌های  WTG به منظور مطالعات پایداری قادرند رفتار مشکوکی را از خود نشان دهند، این مقاله ویژگی‌های مدل را که برای شبیه‌سازی بارهای جزئی WTG ها ضروری است، در نظر می‌گیرد. 

           این تحقیق بخشی از فعالیت‌های NYISO است که به منظور تضمین کیفیت بالای مطالعات مربوط به تولیدات بادی صورت گرفته است. 

2. روش مطالعه

           در اصل، بررسی این تحقیق بر اساس تعداد زیادی از مطالعات عددی روی مجموعه نمایشی از حالت‌های شبکه با پروژه‌های واقعی WPP که از تجهیزات WTGی مختلف بهره می‌گیرند، صورت گرفته است. 

A. منطقه محلی

          در این جا، یک منطقه محلی از سیستم قدرت به صورت یک زیرسیستم نسبتاً کوچک از و آن تعریف شده است که شامل سه WPP ی نزدیک به هم است (WPP-1, WPP-2  و  WPP-3) که اثر متقابل آن‌ها بررسی شده است. یک دیاگرام شماتیکی از یک منطقه محلی در شکل 1 نشان داده شده است. این ساختار تنها یک نمونه است. توجه داشته باشید که خطوط انتقال به صورت مستقیم WPP-2 را به دو WPP ی دیگر متصل می‌کند که تنها در مورد مطالعه‌ای CS#1 ارائه شده است. 

Abstract

         In a planning stability study focusing on a specific wind power plant (WPP), it is dispatched at full output. Its dynamic response is not expected to be noticeably affected by the loading of WPPs in close electrical proximity. To investigate the validity of this approach and better understand the mutual effect of the loading levels of nearby WPPs on their dynamic responses to power system faults, four case studies with different local areas and wind turbine generator (WTG) devices are performed. Fault simulations are carried out on real large power system databases. While most numerical experiments confirm the approach, some others suggest that it does not necessarily lead to the severest stability conditions. Further EMTP-type analysis is needed. Meanwhile, and especially when a planning study identifies concerns about the stability of a WPP and/or its fault ride through capability, more combinations of WPP loading levels should be evaluated.

I. INTRODUCTION

        Wind energy has become one of the fastest advancing alternative energy technologies. In power system planning studies, stability evaluations for a new wind power plant (WPP) are based on time-domain contingency simulations. Their scenarios mostly involve short circuit faults differing in location, type and clearing procedure. To carry out the simulations, positive-sequence commercial software programs are applied, along with simplified wind turbine generator (WTG) dynamic (stability) models intended for transient stability studies. Essential information about the development and validation of such WTG models can be found in [1]-[3].

         Given the multitude of factors affecting the dynamic response of a WPP and, on the other hand, the fact that planning study conclusions are to be made based on a limited number of simulations, the role of study methodology is crucial. In particular, contingency simulations need to be run on a representative set of power flow cases reflecting different load conditions and generation dispatch scenarios. Most often, seasonal high and low load conditions, normal or stressed, are assumed for the power system.

         When a planning stability study focuses on a specific WPP, it is dispatched at full output, which is widely thought to be most limiting in terms of its stability performance. When another WPP is very close electrically and, especially, when it shares the same point of interconnection (POI), a potential for mutual dynamic effects should be evaluated. As an example, the investigation of control interaction between multiple WPPs in close electrical proximity [4] shows that their voltage regulators need to be coordinated. However, the dynamic response of a WPP is usually not expected to be noticeably affected by the loading of nearby WPPs. Therefore, their loading is usually defined by the logic of the overall power system dispatch, desired interface flow levels, etc.

          Simulation experience, however, has provided evidence that this approach does not necessarily lead to the severest stability conditions, which became an impetus for this work. In particular, the assumption of full output does not necessarily ensure the worst-case stability performance of a WPP and, therefore, more operating conditions should be simulated to adequately assess the fault ride through (FRT) capability of a WPP [5], [6]. The described approach to setting nearby WPPs’ loading levels also needs more justification.

         This paper discusses setting the loading level of a WPP and the mutual effect of nearby WPPs’ loading levels on their dynamic responses to close-in faults. The investigation is based on four case studies with real different local areas and WTG devices. Fault simulations with the Siemens PTI PSS/E software program are carried out on real large power system databases developed by the New York Independent System Operator (NYISO). Since WTG models intended for stability studies are known to be able to exhibit questionable behavior [7], [8], the paper considers model features essential in terms of simulation of partially loaded WTGs.

          The work is part of NYISO activities intended to ensure the high quality of wind generation interconnection studies.

II. STUDY METHODOLOGY

         At the core, the investigation is based on a large number of numerical experiments on a representative set of network cases with real WPP projects utilizing different WTG devices.

A. Local Area

          Here, a “local area” of the power system is defined as its relatively small subsystem that includes three nearby WPPs (WPP-1, WPP-2 and WPP-3) whose mutual effect is evaluated. A schematic diagram of a local area is shown in Fig. 1. This topology is only an example; note that the transmission lines directly connecting WPP-2 to the two other WPPs are present only in case study CS#1.

چکیده

1. مقدمه

2. روش مطالعه

A. منطقه محلی

B. WPP های نزدیک

C. تجهیزات WTG و مدل‌سازی آن‌ها

D. علامت‌گذاری سطوح بار WPP

E. معیار ارزیابی

3. سازمان‌دهی شبیه‌سازی‌ها

A. بارگذاری WPP های نزدیک

B. رویدادهای احتمالی

C. نقش پاسخ عددی

D. تنظیمات شبکه

4. شبیه‌سازی‌ها: موردها مطالعه‌ای

A. مورد مطالعه‌ای CS#1

B. مورد مطالعه‌ای CS#2

C. مورد مطالعه‌ای CS#3

D. مورد مطالعه‌ای CS#4

5. خلاصه نتایج شبیه‌سازی 

6. بحث و گفتگو

7. کارهای آینده

8. نتیجه‌گیری‌ها

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. STUDY METHODOLOGY

A. Local Area

B. Nearby WPPs

C. WTG Devices and Their Modeling

D. Notation for WPPs’ Loading Levels

E. Evaluation Criteria

3. ORGANIZATION OF SIMULATIONS

A. Nearby WPPs’ Loading

B. Contingencies

C. Role of Numerical Solution

D. Network Adjustments

4. SIMULATIONS: CASE STUDIES

A. Case Study CS#1

B. Case Study CS#2

C. Case Study CS#3

D. Case Study CS#4

5. SUMMARY OF SIMULATION RESULTS

6. DISCUSSION

7. FURTHER WORK

8. CONCLUSIONS

REFERENCES