Development of grid code handling process and simulation models for synchronous machines

Abstract

Synchronous machines are electrical machines that rotate with synchronous speed. Two types of synchronous machines are discussed: salient pole rotor synchronous machines and nonsalient or round rotor synchronous machines. A synchronous generator is designed based on IEC or NEMA standards. Sometimes the design based on these standards does not fulfil the requirements given by the grid codes and then additional modifications are needed. In grid code projects, salient pole rotor synchronous generators are mostly used, which is why they are more discussed in the thesis. An equivalent circuit, which is used to study performance characteristics of a synchronous machine, is explained in the thesis for both nonsalient and salient pole machines.

Grid codes are a set of regulations set by respective TSOs to all the connection points of the power grid. Grid codes have regulations for voltage and frequency variation, FRT (fault ride through), power quality etc. The grid codes vary between different TSOs and in European area ENTSO-E has set some common regulations for all the power grids operating in its area to ensure good power quality, safety, and reliability of the network. The grid code requirements for voltage and frequency variation and FRT of Finland, Italy and Germany are discussed in more detail in the thesis.

The goal of the thesis is to create simulation models for the support teams and customer and end-users. The simulation models are created using DIgSILENT PowerFactory program. The created simulation models are FRT simulation, load connection and rejection simulation and load flow simulation. The simulation models are used to run simulations in the pre-sales phase of new grid code projects. In the thesis, example simulations are run, and the simulation results are presented. In addition to the simulation models, an automation script for the generator object is created. The purpose of the automation script is to allow the user to give all generator object parameters for the simulation from an Excel worksheet without the need to fill the parameters manually one by one. The generator parameters are first added to the Excel worksheet. The script then reads the parameters in correct order from this worksheet.

Current simulation models for the simulations are created with MathWorks Simulink. They are used by the R&D team. With the created PowerFactory models, these simulations could be performed by the support team without the need to contact the R&D. Later the simulations could be run by the customer and the end-user themselves due to the simple interface of the PowerFactory program.

Another goal of the thesis is to develop the grid code handling process. The handling process is inspected and developed by creating two documents for the front-end and back-end teams. The first document is a questionnaire, where the grid code project process related questions from the sales team members are collected and answered. The second document is an FAQ document, which includes questions coming often from the customer and the end-user. The questions are collected with the help of technical support team and a sales team member. The FAQ questions and answers are mostly related to machine design parameters and the documentation needed from the customer and end-user. These two documents help the sales team to provide offer requests faster and to answer questions coming from the customer and the end-user at the beginning of the grid code project. Another tool for faster response in the pre-sales phase is a statement of grid code compatibility. It can be provided when an offer request is received for a machine that has been previously proved to fulfil the same operation and grid code requirements.

Tahtikoneet ovat sähkökoneita, jotka pyörivät tahtinopeudella. Tahtikoneita on sekä avonapaisia että umpinapaisia. Tahtigeneraattori suunnitellaan IEC- tai NEMA-standardien pohjalta. Joskus näihin standardeihin pohjautuva suunnittelu ei täytä verkkokoodien asettamia vaatimuksia. Tällöin generaattorin rakennetta pitää muokata. Verkkokoodiprojekteissa käytetään enimmäkseen avonapaisia tahtigeneraattoreita, minkä vuoksi tässä työssä keskitytään niihin. Sähkökoneita mallinnetaan sijaiskytkennän avulla ja tässä työssä käydään läpi sijaiskytkennät sekä avonapaiselle että umpinapaiselle tahtikoneelle.

Verkkokoodit ovat vaatimuksia, jotka siirtoverkonhaltijat ovat asettaneet kaikille sähköverkon liitäntäpisteille. Verkkokoodeissa on vaatimuksia jännitteen ja taajuuden vaihtelulle, FRT:lle (fault ride through), sähkön laadulle jne. Verkkokoodit vaihtelevat eri siirtoverkonhaltijoiden välillä, ja Euroopan alueen yhteinen toimija ENTSO-E on asettanut joitakin yhteisiä sääntöjä kaikille alueellaan toimiville sähköverkoille. Yhteiset säännöt varmistavat sähköverkon sähkönlaadun, turvallisuuden ja luotettavuuden. Tässä työssä käsitellään tarkemmin ENTSO-E:n jäsenmaista Suomen, Italian ja Saksan verkkokoodien vaatimuksia.

Diplomityön tavoitteena on luoda simulointimallit teknisen tuen sekä loppukäyttäjien käyttöön. Mallit tehdään DIgSILENT PowerFactory -ohjelmalla. Luodut simulointimallit ovat FRT-simulointi, kuorman kytkentä- ja hylkäyssimulointi sekä tehonjakosimulointi. Simulointimalleja käytetään simulointien suorittamiseen uusien verkkokoodiprojektien alkuvaiheessa. Työssä ajetaan esimerkkisimulaatioita ja esitellään niiden tulokset. Simulointimallien lisäksi luodaan automaatiokoodi simulointimallin generaattoriobjektille. Automaation tarkoituksena on antaa käyttäjälle mahdollisuus syöttää kaikki generaattoriobjektin parametrit simulointia varten Excel-tiedostosta ilman, että niitä tarvitsee täyttää manuaalisesti. Generaattorin parametrien syöttämistä varten luodaan Excel-taulukko, mistä koodi lukee kaikki generaattorin parametrit.

Nykyiset käytössä olevat simulointimallit on tehty MathWorks Simulink -ohjelmalla. Niitä käyttää tällä hetkellä ainoastaan R&D-tiimi. PowerFactoryn luomilla malleilla simulointeja voisivat suorittaa ensin tekninen tuki ilman, että heidän tarvitsee ottaa yhteyttä R&D-tiimiin. Myöhemmin simulointimalleja voisi käyttää myös asiakas ja loppukäyttäjä PowerFactoryn simulaatioiden yksinkertaisemman käyttöliittymän vuoksi.

Toinen työn tavoite on kehittää verkkokoodiprojektien käsittelyä ABB:llä. Tätä varten työssä luodaan kaksi dokumenttia myynti- ja tukitiimeille. Ensiksi myyntitiimin jäseniltä pyydetään verkkokoodiprojekteihin liittyviä kysymyksiä. Nämä kysymykset ja niiden vastaukset kootaan sitten yhteiseen dokumenttiin. Seuraavaksi luodaan UKK-dokumentti (usein kysytyt kysymykset), joka sisältää usein asiakkailta ja loppukäyttäjiltä tulevia kysymyksiä. UKK-kysymykset kerätään teknisen tuen kanssa. UKK-kysymykset ja -vastaukset liittyvät useimmiten koneen parametreihin ja ominaisuuksiin sekä projektin teknisiin tietoihin, joita asiakkaalta ja loppukäyttäjältä tarvitaan tarkempien simulaatioiden suorittamiseksi myöhemmässä vaiheessa projektia. Nämä kaksi dokumenttia auttavat myyntiä reagoimaan nopeammin asiakkaan ja loppukäyttäjän tarjouspyyntöihin ja kysymyksiin verkkokoodiprojektien alkuvaiheessa. Lisäksi projektin alkuvaiheessa tarjouksen antamista voidaan nopeuttaa, mikäli tarjottava kone on todettu jo aiemmassa projektissa vaatimukset täyttäväksi. Tarjouksen antamista nopeutetaan antamalla lausunto siitä, että kone on aiemmin todettu täyttävän kyseisen verkkokoodin vaatimukset.