Suuntaajakytketyn tuotannon mallinnuksen kehittäminen

Abstract

Tässä Fingrid Oyj:lle tehdyssä diplomityössä tutkittiin simulointiohjelmiston uusia toiminnallisuuksia, joita voitaisiin hyödyntää tulevaisuudessa suuntaajakytketyn tuotannon mallinnuksessa. Suuntaajakytketyn tuotannon määrä kasvaa ja tulee kasvamaan tulevaisuudessa huomattavasti. Näin ollen vanha tahtigeneraattoreihin pohjautuva mallinnustapa vaatii muutoksia, koska suuntaajakytkettyä tuotantoa ei voida mallintaa samalla tavalla niin kuin tahtigeneraattori mallinnetaan. Suuntaajat toimivat esimerkiksi vikatilanteessa virtalähteinä ja ne ovat mallinnettu tällä hetkellä jännitelähteiksi. Työn tavoitteena oli varmistaa simulointiohjelmiston toiminnallisuuksien toimivuus tai kumota se. Simulointi aloitettiin yksinkertaisella mallilla ja sitä sovellettiin myöhemmin laajempaan verkkomalliin vikavirransyötön ja jännitteensäädön statiikan osalta. Tutkittavina toiminnallisuuksina olivat jännitteensäädön statiikka, suuntaajien vikavirransyöttö ja pätö- ja loistehorajat. Kaikkien toiminnallisuuksien tarkastelu suoritettiin simulointiohjelmiston tehonjakolaskennan pohjalta. Toiminnallisuuksien vertailu suoritettiin vanhan mallinnustavan ja uuden mallinnustavan välillä. Työssä jännitteensäädön statiikan mallinnukselle kehitettiin laskenta ja vikavirransyötölle kehitettiin laskentaehdotus, joka toimitettiin simulointiohjelmiston toimittajalle. Tämän työn tulokset osoittivat, että suuntaajien vikavirransyöttö ei toimi halutusti tehonjakotilanteessa ja vaatii toimiakseen tietyt olosuhteet. Suuntaajien vikavirransyöttöä ei voi ottaa käyttöön tällä hetkellä ja se vaatii muutoksia simulointiohjelmiston toimittajalta, mikäli ei aiota muuttaa mallinnustapaa. Jännitteensäädön statiikka toimii halutusti yksinkertaisella mallilla, mutta tietyt simulointiohjelmiston rajoitteet eivät mahdollista täysipainoista toiminnallisuuden käyttöönottoa. Laajemmassa verkkomallissa statiikan käyttöönotto aiheuttaa vääriä tuloksia. Edellä mainitut toiminnallisuudet vaativat tämän työn lisäksi tutkimuksia ja todennäköisesti muutoksia simulointiohjelmiston toimittajalta. Pätö- ja loistehorajojen mallinnus suoritettiin vain yksinkertaisella mallilla, koska siirtokykylaskennassa ei voida olettaa tuulivoimalaitosten toimivan tietyllä teholla. Työn alkuvaiheessa haasteita aiheuttivat simulointiohjelmiston käyttöliittymän ongelmat, jotka pystyttiin lopulta kiertämään Python-rajapinnan avulla. Jatkotutkimustarpeeksi muodostui vikavirransyötön uudelleentarkastelu tehonjakolaskennassa ja varmistaminen dynamiikkalaskennassa, kun ohjelmiston toimittaja on korjannut vikavirransyötön. Lisäksi jännitteensäädön statiikka vaatii muutoksia ohjelmiston toimittajalta toimiakseen oikein laajemmissa verkkomalleissa.

In this thesis the new functionalities of the simulation software were researched, which could be used in the modelling of converter interfaced generation. The amount of converter interfaced generations is increasing and will increase significantly in the future. The old modelling way, which is based on synchronous generators need changes, because the converter interfaced generation can not be modelled like synchronous generator. CIG’s act like current sources in the event of fault and they are modelled as voltage sources at the time of this work. The aim of the thesis was to ensure the working of the simulation software’s new functionalities or undo it. The simulation started with a simple model and then it was applied to wider network model in terms of fault current contribution and voltage droop. The researched functionalities were voltage droop control, fault current contribution of converters and active and reactive power limits. The examination of all functionalities was performed based on the power flow calculation of the simulation software. Comparing of the functionalities were performed between old and new modelling way. In this thesis a calculation was developed for the voltage droop control and a calculation proposal for fault current contribution was developed. Fault current contribution calculation was provided to the simulation software supplier. Obtained results of this work showed that the fault current contribution of converters does not work as desired in a power flow, and it requires certain conditions to work. Fault current contribution cannot be commissioned, and it requires changes from the software supplier if there is no intention to change the modelling way. Voltage droop control works as desired with the simple model, but certain limitations of the simulation software do not allow full commissioning of the functionality. In a wider network model, the voltage droop control causes wrong results. In addition to this work, the functionalities require more studies and probably changes from the supplier of the simulation software. Active and reactive power limits modelling was performed only with the simple model because transmission capacity calculation it cannot be assumed that wind power plants operate at a certain power. In the initial phase of the thesis, challenges with the graphical user interface of the simulation software caused problems, which were eventually overcome with the Python-interface. The need of further research was a re-examination of the fault current contribution in the power flow and its verification in the dynamic model. That is possible, when software supplier has corrected the fault current contribution. In addition, the voltage droop control requires changes from the software supplier to function correct in the wider network models.