Enhancing the primary frequency reserves with advanced underfrequency load shedding

Abstract

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον συμβατικά σχήματα αποκοπής φορτίου σε περιπτώσεις όπου υπάρχει έλλειμα παραγωγής. Αυτά τα συμβατικά σχήματα χρησιμοποιούν μια αρχιτεκτονική που βασίζεται στη βηματική αποκοπή φορτίου προκειμένου να επιτευχθεί η διατήρηση της συχνότητας του ηλεκτρικού δικτύου σε επιθυμητά επίπεδα σε περιπτώσεις σοβαρής έκτακτης ανάγκης (π.χ., μαζική απώλεια παραγωγής). Υπάρχουν προκαθορισμένα υποψήφια προς αποκοπή κυκλώματα που βασίζονται στη σημαντικότητά τους, τα ιστορικά δεδομένα, τη ζήτηση ηλεκτρικής ισχύος σε κάθε υποσταθμό και την εμπειρία του διαχειριστή του συστήματος. Οι συνθήκες κάτω από τις οποίες συμβαίνει κάποιο σφάλμα ή μια βλάβη διαφέρουν και έχουν ως αποτέλεσμα την αποκοπή μικρότερης ή μεγαλύτερης ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου από την απαιτούμενη και συνεπώς στη μη-βέλτιστη λειτουργία του σχήματος αποκοπής φορτίου. Επιπρόσθετα, τα πρόσφατα προτεινόμενα ημί-προσαρμοστικά σχήματα αποκοπής φορτίου είναι λειτουργικά μόνο στη θεωρία μια και για να λειτουργήσουν ικανοποιητικά στην πράξη χρειάζονται μεγάλο αριθμού δεδομένων συλλεχθέντων σε πραγματικό χρόνο. Αυτά τα δεδομένα δεν μπορούν εύκολα να συλλεγούν σε μεγάλη κλίματα και με τρόπο αποδοτικό από οικονομικής άποψης. Επιπλέον, τα προηγούμενα προταθέντα σχήματα αποκοπής φορτίου αποτυγχάνουν να ανταποκριθούν με επάρκεια σε πρωτόγνωρα ή συνδιαστικά συμβάντα, είναι συντηρητικά ως προς την ποσότητα του φορτίου που πρέπει να αποκοπεί και δεν καταπιάνονται με την επιλεκτική διάσταση του φαινομένου της αποκοπής φορτίου. Σ’ αυτή την διδακτορική διατριβή, προτείνεται αριθμός από καινοφανή σχήματα αποκοπής φορτίου (βασιζόμενα σε μοντέλο, πλήρως προσαρμοστικά και αναλυτικά), τα οποία ελαχιστοποιούν το συνολικό φορτίο που πρέπει να αποκοπεί και είναι εύρωστα σε διαδοχικές διαταραχές. Προσθετικά, οι επιπτώσεις του συνολικού χρόνου ανταπόκρισης των προτεινόμενων συστημάτων αποκοπής φορτίου σε σχέση με την ποσότητα του φορτίου προς αποκοπή έχουν μελετηθεί και ποσοτικοποιηθεί. Περαιτέρω, η παρούσα διδακτορική διατριβή μοντελοποιεί το ίχνος των σχημάτων αποκοπής φορτίου στην διάρκεια ζωής των περιστρεφόμενων μαζών του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και παρέχει τη βέλτιστη ποσότητα φορτίου προς αποκοπή που εξασφαλίζει τη μέγιστη βιωσιμότητα από οικονομικής άποψης, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος της μη εξυπηρετούμενης ενέργειας καθώς και το κόστος της μηχανικής καταπόνησης στην οποία υπόκεινται οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής.

In contemporary power systems conventional Under Frequency Load Shedding (UFLS) schemes are typically used. These UFLS schemes employ a step-level structure to calculate the amount of load to be shed in the case of a severe contingency (e.g., massive loss of generation). There are pre-defined candidate circuit breakers to be opened, based on the importance of loads, historical data for the load demand at each substation, and the operator’s experience. However, real conditions at the time of fault differ, resulting to the shedding of a larger or smaller amount of load and to a non-optimal operation of the load shedding scheme. Furthermore, the recently proposed semi-adaptive load shedding schemes are usually only theoretically functional due to the large amount of real time monitoring data required to perform satisfactorily. These data cannot be obtained at a large scale and on a cost effective manner. Also, previously proposed UFLS schemes fail to respond adequately against newly emerging or combinational events, are conservative in terms of the amount of load to be shed and do not address the selectivity dimension as far as the combination of loads to be shed is concerned. In this Ph.D. thesis, a number of novel UFLS schemes are proposed (model based, fully adaptive and analytical) that minimize the total amount of UFLS and are robust to consecutive disturbances. Also, the impact of the total response time of the proposed UFLS schemes with regards to the load shedding amount was investigated and quantified. Additionally, this Ph.D. thesis models the footprint of the UFLS to the lifetime of the rotating equipment of the power system and provides the optimal amount of load shedding that ensures maximum sustainability from the economical point of view, taking into account the cost of unserved energy as well as the cost of the incurred fatigue of the generating units.