Ocenjevanje vztrajnostne konstante EES s pomočjo WAMS meritev

DIMITROVSKA, TEODORA (author), Rudež, Urban (mentor), Mihalič, Rafael (comentor)

Magistrsko delo analizira in preverja delovanje metode za hkratno oceno vztrajnostne konstante elektroenergetskega sistema in časa motnje na osnovi pridobljenih WAMS meritev. Osnovni cilj metode je pridobiti oceno vztrajnosti sistema, medtem ko se oceno časa motnje na osnovi konvergence izračunov lahko smatra kot stranski produkt postopka. Za zagotavljanje stabilnega obratovanja EES je ključna relacija med delovno močjo in frekvenco. Vsaka sprememba delovne obremenitve sistema (na strani proizvodnje ali porabe) vpliva na vrtilno hitrost generatorjev in posledično na frekvenco električne napetosti. V primeru zmanjšanega odjema pride do viška proizvodnje delovne moči in tako mehanski navor na gredi generatorja postane večji od električnega navora (kateri je neposredno povezan s porabo). Posledično se rotor generatorja pospeši in frekvenca naraste. Presežni delež proizvedene delovne moči se torej shrani v obliki kinetične energije rotirajočih mas generatorja in turbine. Začetni frekvenčni odziv sistema, poleg povezanosti z električno bližino okvare, je najtesneje povezan tudi s sistemsko vztrajnostjo, katera neposredno vpliva na hitrost spremembe frekvence po okvari. V skladu z nihajno enačbo ugotovimo, da večji velikostni razred vztrajnostne konstante pomeni manjšo občutljivost na spremembe v bilanci delovne moči. Vztrajnostna konstanta, kot konstrukcijska lastnost, je torej med ključnimi faktorji pri določevanju frekvenčne stabilnosti sistema. Spremembe v profilu proizvodnih enot, do katerih postopoma prihaja zaradi implementacije brez-vztrajnostnih obnovljivih virov, pomenijo potencialno grožnjo frekvenčni stabilnosti. Osnovno jedro problema leži v znižani in v splošnem spremenljivi vztrajnosti sistema obnovljivih virov, ki so na omrežje priključeni preko pretvornikov, saj brez posebne regulacije nimajo naravne značilnosti inercijskega odziva. Zaradi prednostnega dispečiranja je lahko v določenih trenutkih v omrežju delež konvencionalnih virov precej znižan, kar zmanjšuje skupno kinetično energijo rotirajočih mas v sistemu. Možnost ocenjevanja vztrajnosti EES v realnem času prinaša poleg situacijskega zavedanja tudi podporo mehanizmom kot je na primer adaptivno podfrekvenčno razbremenjevanje. Od tukaj prihaja osnovna motivacija za oceno vztrajnosti sistema v realnem času. Preverjeni algoritem uporablja metodo drsečih povprečij, katere izhod ob pojavu motnje konvergira proti iskani vrednosti vztrajnostne konstante. Izkaže se, da je uporaba drsečega povprečja dobra strategija za obvladovanje šuma, kateremu se v realnosti ne da v popolnosti izogniti. Širina drsečega okna se določa na podlagi izkušenj. Večji šum zahteva povečano širino okna, upoštevajoč dodatne časovne zakasnitve. Za zaznavanje konvergence izračunanih vrednosti se uporabljajo vsote kvadratov razlik med zaporednimi ocenami inercije, kar se lahko uporabi tudi za oceno trenutka nastanka motnje. V delu je podan tudi diagram poteka algoritma. Kljub hevrističnem pristopu so se rezultati izkazali zadovoljivi, in sicer s povprečnim odstopanjem okrog 10%. V programskem paketu NEPLAN so bile izvedene dinamične simulacije treh vrst motenj: izpad generatorja, izpad bremena in trifazni kratek stik na vsaki od zbiralk 39-vozliščnega IEEE sistema. Algoritem se lahko uporabi za oceno inercije enega generatorja ali skupine generatorjev, katero na opazovano motnjo odreagira koherentno. Takšno skupino generatorjev je mogoče določiti na podlagi različnih kriterijev, zato je v nalogi podanih enajst različnih delitev. Prva možnost je delitev sistema na tri cone, in sicer s hkratnim upoštevanjem dveh kriterijev: prvič, v primeru večje okvare, katera povzroči slabše dušena nihanja, se cone oblikujejo glede na koherentne skupine generatorjev; drugič, pri morebitnem oblikovanju otokov pride do minimalnih sprememb v pretokih moči. Čeprav v nalogi takšno ločevanje sistema na otok ni predvideno, je smiselno takšno delitev sistema upoštevati kot izhodišče. Frekvenco, kot vhodni podatek, opazujemo na enem izmed generatorjev v koherentni coni, medtem ko delovno moč merimo na vseh generatorjih, saj sicer ocena ni mogoča. Z združevanjem meritev iz celotnega sistema v enotni metodi za oceno inercij posameznih con, je mogoče dobiti oceno inercijskega odtisa na nivoju celotnega sistema. Pri ocenjevanju vztrajnostne konstante posameznega generatorja pri vseh vrstah okvar se izkaže, da je mogoče njegovo vztrajnost oceniti dokaj natančno (do 10 % napake). Če primerjamo izpada največjega in najmanjšega generatorja je mogoče opaziti, da je vsota relativnih napak pri večjem izpadu manjša, saj je takrat tudi vpliv šuma zanemarljiv. V primeru izbranih trifaznih kratkih stikov je odziv generatorjev precej turbulenten - velike amplitude in frekvence odziva (opazovan na aktivno moč in frekvenco). Posledično, zaradi slabše konvergence konsekvenčnih ocen vztrajnosti, čas motnje ni bil ocenjen. Vprašanje skupne sistemske vztrajnosti je neločljivo vezano z delitvijo omrežja na električno dobro/bolje povezana področja. Ko je bila za osnovo analize privzeta delitev sistema IEEE 39 iz enega od obstoječih virov se je izkazalo, da je uspešnost ocene pri takšnem tvorjenju generatorskih skupin vezana na lokacijo in velikost same motnje. V nadaljevanju je bilo preizkušenih še deset ostalih možnosti tvorjenja generatorskih skupin. Končni zaključek je, da je treba pri omrežja upoštevati konkretno situacijo, pri čemer sta pomembni tako lokacija kot tudi velikost motnje. Šele z upoštevanjem naštetega je mogoče tvoriti koherentne generatorske skupine, katere bi predstavljale dele omrežja pri oceni inercijskega odtisa. Iz rezultatov sklepamo, da je praktično nemogoče določiti univerzalno rešitev za takšno delitev, katera bi vedno rezultirala z zanemarljivi relativni napaki pri oceni inercije. V nadaljevanju je bil analiziran še vpliv šuma in širine okna na natančnost metode pri izpadu enega od bremen. Izkaže se, da je potrebno širino okna prilagoditi profilu pričakovanega šuma, upoštevajoč, da večje okno pomeni tudi večjo zakasnitev, torej je smiselno najti določen kompromis. V petem poglavju je bila metoda uporabljena na realnem primeru, in sicer na dogodku izpada bloka TEŠ 4, in sicer 12 oktobra 2011 ob 03:15 do 09:08 zaradi okvare na vzbujanju. Potek frekvenčnega odziva je bil opazovan na 400 kV zbiralkiv stikališču RTP Krško, v katerega je priključena tudi Nuklearna elektrarna Krško (NEK). Izveden je bil izračun vztrajnostne konstante NEK, katero primerjamo z vztrajnostno konstanto obstoječega dinamičnega modela. Izkaže se, da lahko z ustrezno prilagoditvijo parametrov metode vztrajnostno konstanto uspešno ocenimo. Do podobnih zaključkov smo prišli tudi z obravnavanjem pojava medsistemskega nihanja v ENTSO-E kot posledica priključitve sistema Turčije in njegovega vpliva na NEK. V primeru izpada prečnega transformatorja v Divači, poleg zadovoljive ocene vztrajnostne konstante (15% relativna napaka), dobimo tudi natančno oceno časa motnje (katera se od dejanskega časa razlikuje zgolj za 0.02 s). Za potrebe dinamičnih simulacij je bil uporabljen programski paket NEPLAN, za obdelavo podatkov in implementacijo metode pa programski paket MATLAB.

• Language: English
• Keywords: vztrajnostna konstanta, ocena, drseče povprečje, WAMS, vztrajnostni odtis sistema
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2015
• PID: 20.500.12556/RUL-30836
• Publication date in RUL: 22.06.2015

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Electric power-system inertia estimation applying WAMS

Abstract

This thesis analyzes and tests a method which is said to perform inertia constant estimation of a power system immediately after a disturbance. This algorithm uses WAMS measurements and clusters the input data into sliding data windows to continuously calculate candidate inertia estimates. These candidate estimates converge towards the true inertia value once a disturbance occurs. Additionally, the consequent sums of residues between subsequent candidate estimates are used to detect this convergence and thus detect the moment of disturbance occurrence. The scope of this thesis is to apply and upgrade this estimation method, analyze and critically judge the different possibilities for implementation on a larger system and obtaining satisfactory results based on real system data. The output of the algorithm is tested for inertia estimation of a group of generators representing a power network island by incorporating measurements from multiple locations into a single method that, rather than returning a single estimate of inertia, returns some form of an inertia fingerprint.

• Keywords: Inertia, Estimation, Sliding Window, WAMS, Inertia fingerprint