Ultracapacitor based supplementary excitation module for the improvement of synchronous generator transient stability

Abstract

La estabilidad transitoria es la capacidad de los sistemas eléctricos de potencia de retornar a un punto estable después de una gran perturbación que provoca excursiones significativas del ángulo de carga de los generadores. Esta tesis se centra en la mejora de la estabilidad transitoria de generadores síncronos excitados mediante excitaciones estáticas alimentadas de barras de generación mediante Elevadores de Excitación (EE) basados en ultracondensadores. La tecnología de EE constituye una solución a los requisitos de huecos de tensión de los códigos de red. Los códigos de red formalizan las obligaciones de cada agente en sistemas eléctricos de potencia liberalizados. Estos desarrollaron los requisitos de huecos de tensión para abordar la estabilidad transitoria. La combinación de huecos de tensión severos y puntos de operación extremadamente capacitivos desafían la capacidad de los generadores de mantener sincronismo. Estos requisitos son particularmente severos para aquellos generadores equipados con excitaciones estáticas alimentadas de barras de generación. Los EE permiten superar las limitaciones de estos sistemas de excitación y permitirles cumplir los requisitos de huecos de tensión. El EE es estudiado usando la aproximación de máquina frente a red infinita demandada por los códigos de red. Se ha propuesto un EE coherente con las teorías clásicas de estabilidad transitoria. Se ha construido un banco de ensayos de prototipado rápido basado en Dspace para validar los modelos de simulación con medidas experimentales y para demostrar la viabilidad del concepto de EE. Asimismo se ha propuesto una novedosa metodología de dimensionamiento del EE combinando requisitos de huecos de tensión de códigos de red, límites técnicos de generadores síncronos, características de ultracondensadores y estudios de sensibilidad. El EE se controla en un modelo de máquina frente a red infinita mediante un control todo o nada que utiliza la tensión en bornes del generador, una señal disponible localmente, como entrada. Este esquema de control permite mejorar la estabilidad transitoria de un generador síncrono tras una falta cercana al mismo tanto en un sistema de máquina frente a red infinita como en uno multimáquina. Sin embargo, el control discreto empeora la estabilidad en algunos casos en los que la falta es remota. Este resultado demuestra que la estabilidad transitoria es un problema global que necesita soluciones globales. Para superar ese inconveniente se ha propuesto un controlador basado en medidas globales utilizando la teoría de estabilidad de Lyapunov. Este control está basado en medidas globales adquiridas por sincrofasores, tecnología desplegada recientemente en los sistemas eléctricos de potencia de potencia. Las leyes de control están basadas en el concepto de centro de inercia y en el de rutas interáreas dominantes que permiten modular la tensión del EE de cada generador del sistema. Este concepto ha sido demostrado a través de medidas experimentales en una plataforma OPAL-RT de simulación en tiempo real con hardware en el lazo.

Transient stability is the ability of the power system to return to a stable operating point after large disturbance that provokes significative rotor angle excursions. This thesis is focused on the improvement of transient stability generators equipped with bus fed static excitations through ultracapacitor based Excitation Boosters (EB). The thesis addresses the problem of modelling, sizing and controlling ultracapacitor based Excitation Boosters (EB) to improve synchronous generators transient stability. The EB technology supposes a solution to grid code’s Fault Ride Through (FRT) capability requirements. Grid codes formalize the duties of every agent in liberalized power systems. They have developed the FRT requirements to tackle with transient stability. The combination of stark FRT requirements with extreme leading operating points challenges generators to maintain synchronism. Synchronous generators equipped with bus-fed static excitation systems are particularly vulnerable to new grid code requirements. EBs can overcome bus-fed static excitation systems limitations and enable them to fulfil grid codes FRT requirements. The EB is studied using the Single Machine Infinite Bus (SMIB) approach that grid codes demand. An EB simulation model consistent with classical transient stability assumptions has been proposed. A Dspace Rapid Control Prototyping (RCP) test bench has been assembled to validate the simulation model through experimental measurements and to demonstrate the feasibility of the EB concept. A novel sizing method of the EB has been performed combining grid codes FRT requirements, synchronous generators technical limits, ultracapacitor features and sensitivity studies. The EB is controlled in SMIB systems by an on-off control that uses terminal voltage as input, which is a locally available signal. This control scheme is able to improve the transient stability of a generator after a fault close to the generator in both SMIB and multimachine systems. However, it worsens the stability in some cases where the fault is situated far away from the generator. This result demonstrates that the transient stability problem is a global problem that requires global solutions. A Lyapunov stability theory based EB Wide Area Control Systems (WACS) controller has been proposed to overcome this drawback. This control is based in global measurements that are acquired by Measurement Units (PMU) that have been recently deployed in power systems. Control rules based in the Center of Inertia (COI) concept and Dominant Interarea Paths (DIP) theoriy allows modulating the EB voltage of each generator in the system. The concept has been validated through experimental measurements in an OPAL-RT Real Time Hardware in the Loop (RT-HIL) simulator.