Increased damping of wide-area oscillations in the Nordic 44 power system through power system stabiliser design

Abstract

Las oscilaciones electromecánicas de baja frecuencia constituyen uno de los principales retos para la operación segura de los sistemas eléctricos de potencia de gran tamaño, especialmente en condiciones de elevada carga. Este Trabajo Fin de Grado presenta una metodología sistemática para mejorar la estabilidad de pequeña señal mediante análisis modal y el diseño de un Estabilizador de Sistemas de Potencia (Power System Stabiliser, PSS), utilizando la red de referencia Nordic44 implementada en DIgSILENT PowerFactory.

En primer lugar, se analizaron distintos escenarios de operación con el objetivo de identificar el modo interárea más crítico. Se comprobó que la desconexión de uno de los corredores de transmisión entre Suecia y Finlandia produce el menor amortiguamiento del sistema, constituyendo la condición de operación más desfavorable. Posteriormente, mediante análisis de controlabilidad, observabilidad y factores de participación se determinó la ubicación óptima del estabilizador, seleccionando el generador síncrono conectado al bus 3245.

A continuación, se implementó desde cero un PSS convencional de tipo lead-lag utilizando el lenguaje Dynamic Simulation Language (DSL). La mayoría de los parámetros del controlador se seleccionaron siguiendo recomendaciones de la literatura técnica y del estándar IEEE, mientras que la ganancia principal se ajustó mediante un proceso iterativo basado en análisis modal y simulaciones dinámicas en el dominio del tiempo.

El controlador diseñado incrementó el coeficiente de amortiguamiento del modo crítico del 5,60 % al 9,05 %, lo que supone una mejora aproximada del 62 %. Asimismo, las simulaciones temporales confirmaron una reducción significativa del tiempo de establecimiento tras perturbaciones severas, validando la eficacia de la metodología propuesta.

Low-frequency electromechanical oscillations represent a major challenge for the secure operation of large interconnected power systems, particularly under heavily loaded operating conditions. This thesis presents a systematic methodology for improving small-signal stability through modal analysis and the design of a Power System Stabiliser (PSS), using the Nordic44 benchmark network implemented in DIgSILENT PowerFactory.

The study begins by analysing several operating scenarios to identify the most critical inter-area oscillatory mode. The outage of one Sweden–Finland transmission corridor is found to produce the lowest damping ratio, making it the most demanding operating condition. Controllability, observability and participation factor analyses are then used to determine the optimal location for the stabiliser, identifying the synchronous generator connected to bus 3245 as the most suitable installation point.

A conventional lead-lag PSS is subsequently implemented from scratch using the Dynamic Simulation Language (DSL). Most controller parameters are selected according to established literature and IEEE recommendations, while the controller gain is tuned iteratively based on modal performance and nonlinear time-domain simulations.

The proposed controller increases the damping ratio of the critical inter-area mode from 5.60% to 9.05%, representing an improvement of approximately 62%. Time-domain simulations further demonstrate a significant reduction in oscillation settling time following severe disturbances. The results confirm that combining modal analysis with practical controller implementation provides an effective engineering workflow for enhancing the dynamic stability of interconnected transmission systems.