Development of robust and effective coordination methodologies for power systems

Abstract

Καθώς τα συστήματα ηλεκτρικής ισχύος προχωρούν προς την υλοποίηση των “ευφυών δικτύων”, καινούριες προκλήσεις εμφανίζονται λόγω των μεγάλων αλλαγών που υπόκεινται τα δίκτυα αυτά. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που καλούνται τα συστήματα ηλεκτροδότησης να αντιμετωπίσουν είναι η εμφάνιση διαταραχών μεταξύ περιοχών του δικτύου. Οι διαταραχές αυτές προκύπτουν ουσιαστικά από την αδύνατη διασύνδεση διαφορετικών περιοχών του συστήματος, όπου οι συμβατικές μέθοδοι ελέγχου αποτυγχάνουν στην εξ’ ολοκλήρου απόσβεσή τους. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω της ανεπαρκούς πληροφόρησης για την κατάσταση ολόκληρου του συστήματος και της χρήσης μόνο τοπικών σημάτων. Η ικανότητα παρατήρησης αυτών των διαταραχών κατέστη δυνατή μόνο μετά την εμφάνιση των Μετρητών Φασιθετών στα συστήματα ηλεκτρικής ισχύος. Οι συσκευές αυτές έχουν τη δυνατότητα παροχής συγχρονισμένων μετρήσεων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, συμβάλλοντας καθοριστικά στην υλοποίηση συστημάτων παρατήρησης και ελέγχου ευρείας περιοχής. Ο σκοπός του ελέγχου ευρείας περιοχής (ΕΕΠ) είναι να χρησιμοποιήσει με τέτοιο τρόπο τις συγχρονισμένες μετρήσεις, ώστε να εξαγάγει σήματα ανάδρασης με σκοπό την επιτυχή και πλήρης εξάλειψη όλων των διαταραχών μεταξύ των περιοχών. Ως εκ τούτου η ανάγκη για δημιουργία και χρήση ΕΕΠ υψηλής επίδοσης έχει γίνει εμφανής τα τελευταία χρόνια.Παρόλα αυτά, το κοινό πρόβλημα το οποίο παρατηρείται σε υφιστάμενες μεθόδους σχεδιασμού ΕΕΠ, είναι η παράλειψη της δημιουργίας εύρωστων ελεγκτών οι οποίοι θα μπορούν να έχουν υψηλή επίδοση σε διάφορες συνθήκες που μπορούν να προκύψουν. Επίσης, αγνοείται σχεδόν παντελώς το γεγονός ότι το σύστημα δεν λειτουργεί σε ιδανικές συνθήκες, ότι νέα δυναμικά στοιχεία εμφανίζονται συνεχώς στο σύστημα, καθώς και το ότι υπάρχουν αβεβαιότητες στις παραμέτρους του συστήματος οι οποίες χρησιμοποιούνται από τον διαχειριστή του συστήματος. Ως εκ τούτου, η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή έχει ως πρωταρχικό στόχο την ανίχνευση και επιτυχή αντιμετώπιση των σημαντικών παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την λειτουργία του ΕΕΠ. Η επίτευξη αυτού του στόχου κατέστη δυνατή με την δημιουργία ρεαλιστικών προσομοιώσεων οι οποίες είναι ιδιαίτερα αναλυτικές κατά την διάρκεια δυναμικών συνθήκων και παρέχουν ένα περιβάλλον κατάλληλο για δοκιμή της επίδοσης του ΕΕΠ. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, ο ΕΕΠ δοκιμάστηκε κάτω από διάφορες συνθήκες όπως σφάλματα στις μετρήσεις, καθυστέρηση και απόρριψη δεδομένων, ύπαρξη αβεβαιότητας στις αποθηκευμένες παραμέτρους των γραμμών και των γεννητριών του συστήματος, μη αναφορά τοπολογικών αλλαγών του συστήματος και ύπαρξη δυναμικών φορτίων. Το αποτέλεσμα της έρευνας έδειξε ότι η λειτουργία του ΕΕΠ επηρεάζεται από την καθυστέρηση και απόρριψη δεδομένων, τη μη αναφορά τοπολογικών αλλαγών του συστήματος καθώς και από την ύπαρξη δυναμικών φορτίων στο σύστημα. Επιπλέον, η συνεχής εισδοχή Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στο δίκτυο αποτελεί έναν από τους πιο γνωστούς παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την ευστάθεια του συστήματος και επομένως είναι ένα παράγοντας ο οποίος επίσης πρέπει να αντιμετωπιστεί. Η διδακτορική διατριβή αυτή παρουσιάζει μεθοδολογίες για την επιτυχή αντιμετώπιση όλων των θεμάτων. Συγκεκριμένα, για να αποφευχθεί η καθυστέρηση και η απόρριψη δεδομένων, έχουν υλοποιηθεί γρήγορες μέθοδοι γραμμικής πρόβλεψης οι οποίες διατηρούν υψηλή την ακρίβεια του ΕΕΠ ακόμα και σε μεγάλες καθυστερήσεις. Στην περίπτωση των ΑΠΕ, μια καινούρια μεθοδολογία ΕΕΠ ιεραρχικής διαβάθμισης έχει προταθεί σε αυτή την διατριβή, για τον επιτυχή συντονισμό όλων των γεννητριών και ΑΠΕ με σκοπό την πλήρης εξουδετέρωση όλων των διαταραχών. Η ύπαρξη άγνωστων τοπολογικών αλλαγών επιλύθηκε με την συνένωση της Παρατήρησης Ευρείας Περιοχής (ΠΕΠ) μαζί με τον ΕΕΠ η οποία υλοποιήθηκε μέσα σε προσομοιωτές πραγματικού χρόνου. Οι επιπτώσεις της ύπαρξης δυναμικών φορτίων, αντιμετωπίστηκαν μέσω της κατασκευής και χρήσης ΕΕΠ υψηλής επίδοσης. Τέλος, μειονεκτήματα της αρχικής μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε έχουν εντοπιστεί και επιλυθεί κατάλληλα.Ο δεύτερος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η υλοποίηση προχωρημένων και καινοτόμων μεθόδων ΕΕΠ. Οι εν λόγω μέθοδοι κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας ρεαλιστικές προσομοιώσεις πραγματικού χρόνου για μεγαλύτερη ακρίβεια καθώς και για δοκιμή σε σχεδόν πραγματικές συνθήκες. Στόχος των καινοτόμων μεθοδολογιών είναι ο σωστός και επιτυχής συντονισμός της λειτουργίας των τοπικών ελεγκτών όλων των γεννητριών. Πιο συγκεκριμένα, καινοτόμες μέθοδοι ΕΕΠ δημιουργήθηκαν με σκοπό τον καλύτερο έλεγχο του ρυθμιστή στροφών, του συστήματος διεγέρσεως και του σταθεροποιητή, ελέγχοντάς τους με τα κατάλληλα σήματα έτσι ώστε να μπορούν να αντιμετωπίσουν επιτυχώς όλες τις τοπικές διαταραχές αλλά και όλες τις διαταραχές μεταξύ των περιοχών του συστήματος. Η σύγκριση των προτεινόμενων μεθόδων με αντίστοιχες συμβατικές πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας την μέθοδο Prony. Επίσης, στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, μια προχωρημένη μέθοδος για τον προσαρμοστικό έλεγχο των τοπικών ελεγκτών από τον ΕΕΠ έχει προταθεί. Η συνένωση όλων των καινοτόμων μεθόδων οδηγεί στην εμφάνιση ενός προχωρημένου ελεγκτή ευρείας περιοχής ο οποίος παρέχει υψηλή επίδοση κυρίως για την εξάλειψη όλων των διαταραχών μεταξύ περιοχών, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την ευστάθεια του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος ακόμα και σε ακραίες συνθήκες.

Inter-area oscillations have become one of the major challenges that modern power systems have to confront, since their appearance is increasing due to the vast changes and constant expansion of the power systems. The appearance of inter-area oscillations creates many issues such as the degradation of the power quality, the limitation of the transmission system capacity and in several occasions, it can even lead the system to instability. Typical local controllers utilized for damping any undesirable oscillations, fail to compensate them due to the lack of global observability. The utilization of Phasor Measurement Units (PMUs) into the power systems and the provision of synchronized measurements has made possible the observation of inter-area oscillations. Wide Area Control (WAC) aims to utilize effectively the near real-time information provided by the PMUs in order to provide feedback control and coordination signals to the system, having as an objective the compensation of all the inter-area oscillations along with the enhancement of the system’s damping performance. Therefore, the necessity for the successful development of highly effective wide area controllers is becoming more apparent recently. However, an aspect which is commonly disregarded during the WAC design phase is that the robustness of the wide area controller has to be ensured and must not be compromised under any conditions. In addition to this, the simulated conditions, usually utilized for the evaluation of the WAC performance, do not consider that the system is not ideal, it almost never operates in steady-state conditions, new dynamic components are making their appearance into the grid and that there are uncertainties considering known parameters of the system. Therefore, the first objective of this Ph.D. dissertation is to identify the most crucial factors which can affect the WAC operation and then propose methods to mitigate their effect, having as a goal to obtain a highly robust wide area controller. The former was made possible by developing realistic simulation environments (especially when dynamic conditions take place), suitable for testing WAC methodologies. The performance of the wide area controller was tested under the presence of measurement errors (steady-state and dynamic), data delays/dropout, system parameter uncertainties (transmission line and generator data), unreported topology changes and dynamic loads. The investigation revealed that the WAC performance is mainly affected from the data delays/dropout, the unreported topology changes and the presence of dynamic loads. Apart from these, a widely known reason for the degradation of the system stability is the increasing penetration of the Renewable Energy Sources (RESs), since they reduce the system’s inertia and change its dynamic characteristics. This Ph.D. dissertation proposes methods for the compensation of all the identified threads. Considering the data delays/dropout, fast model-free linear predictors are developed, which improve considerably the damping performance of the system even at the presence of severe delays. For the case of the renewables, a novel wide area controller is introduced which is able to utilize and coordinate appropriately both synchronous generators and RESs, enhancing that way the damping performance of the system, even under a high penetration of renewables. In order to mitigate the effect of the unreported topology changes, a combination of Wide Area Monitoring (WAM) and WAC schemes is developed in a real-time simulation environment, while the impact of the dynamic loads is addressed by implementing high performance coordination methods. Apart from the identified threats, drawbacks of the conventional controller are addressed as well in order to enhance significantly its robustness. The second objective of this Ph.D. dissertation is the development of a highly effective wide area controller, by proposing novel coordination techniques. These methodologies are implemented and tested in real-time conditions (through a real-time simulator) which in combination with the aforementioned realistic simulation environments can result into the most suitable testbed for testing and validating WAC methods. Therefore, advanced schemes are proposed for the proper coordination of the synchronous generator local controllers, which are evaluated by comparing their performance to conventional methods through Prony analysis. More specifically, novel techniques are developed for enhancing the operation of the exciter, the governor and power system stabilizer (PSS). It should be noted that for the case of the governor and PSS coordination, a methodology is implemented which can be used either in coordinating all the governors of the system or in coordinating simultaneously both the governor and PSS of each generator through a common WAC signal. Furthermore, an adaptive tuning method for regulating adaptively the level of the WAC contribution to all the local controllers is also developed and applied to the novel coordination techniques in order to enhance even more their performance. The combination of all the advanced methodologies along with the application of the adaptive tuning method result to the appearance of an advanced wide area controller, which has high performance in damping effectively all the local and inter-area oscillations even under extreme conditions (i.e. high penetration of dynamic loads). The integration of the advanced wide area controller with the WAM application is realized and evaluated in almost actual conditions, through the utilization of a novel laboratory setup.