Tuulivoimalaitosten dynaamiset simuloinnit PSS®E-ohjelmistolla

Abstract

Voimalaitosten toiminta verkon vikojen aikana ja jännitesäädön vaste ovat keskeisiä asioita koko voimajärjestelmän stabiiliuden kannalta. Yksittäisen voimalaitoksen epästabiili toiminta voi johtaa suurempaan koko järjestelmän kattavaan epästabiiliuteen. Tässä diplomityössä tutkittiin tuulivoimalaitoksen dynaamisia ilmiöitä verkossa tapahtuvan vian sekä jännitteensäädön aikana. Työn tavoitteena oli mallintaa tuulivoimalaitos PSS®E-simulointiohjelmistoon, suorittaa mainitut dynaamiset simuloinnit ja verrata simulointituloksia Fingridin voimalaitosten järjestelmäteknisiin vaatimuksiin (VJV). Lisäksi tarkoituksena oli todentaa käytetyn aggregoidun mallin käyttökelpoisuus simuloinneissa aggregoimattoman mallin avulla.

Fingridin uudet voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset ottavat hyvin huomioon myös tuulivoima- eli suuntaajakytketyt voimalaitokset. Vaatimusten mukaisesti voimalaitos mallinnetaan yhden generaattorin aggregoituna eli ekvivalenttimallina simulointiohjelmistoon. Työssä käytiin läpi aggregoidun mallin mallinnus tuulivoimalaitoksen tarvittavilta osilta. Simulointimallin rakentamisen lisäksi työssä käytiin läpi PSS®E:n toiminnallisuutta siltä osin, kuin työn simuloinnit vaativat sitä. PSS®E:n osalta tutustuttiin muun muassa simuloinnin vaiheisiin, dynaamisten mallien lisäämiseen simulointimalliin ja verkkovian mallintamiseen.

Työssä tuulivoimalaitos mallinnettiin aggregoituna mallina simulointiohjelmistoon, mikä vaati muuntajien, generaattorien ja kaapeleiden ekvivalenttiarvojen laskemista. Ennen simulointeja työssä käytiin läpi tuulivoimalan, puistosäätäjän ja taustaverkon dynaamisia malleja ja näiden parametreja. Parametrien osalta keskityttiin simulointien kannalta oleellisiin parametreihin kuten loistehostatiikkaan, liityntäpisteen jännitteeseen ja mallin ulostuloihin. Jännitehäiriö- ja jännitteensäätösimuloinnit toteutettiin tämän mallin avulla, ja tuloksia verrattiin VJV2018-vaatimuksiin. Jännitehäiriösimuloinnit suoritettiin VJV:n mukaisesti lyhyelle ja pitkälle vialle, sekä standardin mukaisesti kumpikin vikatilanne suoritettiin kahdella eri pätötehon arvolla. Näin ollen jännitehäiriösimulointeja suoritettiin työssä yhteensä 4 kappaletta. Jännitteensäätösimuloinnit suoritettiin tuulivoimalaitoksen loistehostatiikan 2 %:n ja 4 %:n arvolla ja kahdessa eri tilanteessa: jännitettä säädettiin 0,01 pu:n, ja 0,02 pu:n portaissa. Jännitteensäätösimuloinneissa tuulivoimalaitos toimi nimellisellä pätötehollaan. Saatuja simulointituloksia verrattiin myös aggregoimattomaan simulointimalliin ja todettiin, että aggregoitua mallia voi käyttää VJV:n vaatimissa simuloinneissa. Sekä jännitehäiriö että jännitteensäätösimulointien tulokset täyttivät VJV2018-vaatimukset jokaiselta osa-alueelta.

Työn tuloksena syntyivät onnistuneet simuloinnit sekä hyvä pohja tulevaisuuden simulointeja varten. Tulokset osoittivat, että tuulivoimalaitosten parametrisoinnilla ja simuloinneilla voidaan tarkastella riittävällä tarkkuudella tuulivoimalaitoksen käyttäytymistä erilaisissa voimajärjestelmän muutosilmiöissä. Simulointitulosten perusteella voitiin todeta, että PSS®E-mallin parametreja voitaisiin käyttää myös oikean tuulivoimalaitoksen parametreina. Lisäksi työn sivutuotteena saatiin huomattavaa kokemusta PSS®E-simuloinneista ja ohjelman käytöstä itsessään. PSS®E osoittautui työn edetessä haasteelliseksi simulointiympäristöksi verrattuna muihin ohjelmistoihin, mutta monien simulointien jälkeen ohjelma osoittautui erittäin hyväksi simulointiympäristöksi.

The operation of power plants during grid faults and the response of voltage control are crucial for power system stability. Unstable operation of one power plant may lead to the whole power system instability. In this thesis, wind power plants dynamic phenomena were studied during grid faults and voltage control. The objective of this thesis was to model wind power plant to PSS®E simulation software, carry out dynamic simulations and compare simulation results against Fingrid’s grid code specifications for power generating facilities (VJV). Moreover, another objective was to verify aggregate simulation model’s feasibility in dynamic simulations. This was done by comparing aggregate model simulation results against detailed wind farm simulation model results.

Fingrid’s new grid code takes into account converter connected wind power plants. According to grid code, power plant is modelled as a single equivalent generator model, which is called aggregate model. In this thesis, necessary modelling steps of aggregate model were studied. Apart from modelling also, PSS®E functionalities were studied by means of dynamic simulations. From PSS®E for example stages of simulations, implementation of dynamic models and modelling of grid fault were analyzed.

In this thesis, wind power plant was modelled as an aggregate model to simulation software that requires equivalent value calculation of transformers, generators and cables’ data. Before simulating wind power turbines, wind farm controller and feeder grid’s dynamic models and parameters were studied. In the analysis of parameters, the focus was on slope of voltage control, point of connection voltage and outputs of model. Voltage interruption and voltage control simulations were executed with this simulation model and results were compared against VJV grid code. Voltage interruption simulations were done in short and long faults. Both fault simulations were done in two different cases: (1) when wind farm is producing 100 % and (2) when wind farm is producing 25 % of nominal active power. This made a total of 4 voltage interruption simulations. Voltage control simulations were performed in 2 % and 4 % slope setting. In both settings, the voltage was stepped up and down in 0,01 pu and 0,02 pu steps and wind farm was producing 100 % of nominal active power all the time. These simulation results were then compared against detailed wind farm model’s results. The final conclusion was that the aggregate model can be used in grid code dynamic simulations and simulation results fulfil grid code requirements.

As an outcome, successful simulations were done and good groundwork for future simulation work was acquired. Results show that parametrization and simulation model of power plant were detailed enough for these power system dynamic studies. Simulation results showed that parameters used in simulation model can be implemented to real power plant’s controller. Also during these studies PSS®E user experience was obtained which helps future simulation works. PSS®E was challenging software to use but in the end, it was excellent simulation environment for power systems studies.