Voltage stability analysis of grid connected wind farms : a case study in Trakya transmission system

Abstract

Alternative energy resources especially wind energy becomes popular in recent years because of decrement in fossil fuels and increasing energy demand. However, these sources cause some power quality problems when they are connected to grid. One of the most important problems is voltage stability. Nowadays, lots of studies are still continuing for solving this. In Turkey, with incentive of government, wind energy investments highly increase in last decade. However, studies about power quality problems of wind farms for Turkish electricity system are insufficient. In this thesis, voltage stability which is the most important power quality problem was investigated. Firstly, static and dynamic voltage stability analyzing methods were examined. Continuation power flow method for static voltage stability analysis was applied. Then, time domain simulations were investigated for dynamic analysis. In order to achieve all simulations, PSAT which is a MATLAB toolbox was used. Firstly, simulations were completed on IEEE 9 bus test system with and without a wind farm connection. Then, Trakya Transmission System was created in PSAT. Two cases were composed. One of them is the original Trakya Transmission System. In the second case, one conventional power plant is changed with a DFIG based wind farm. Maximum loadability limits of both cases were found with continuation power flow method. It was obtained that wind farm connection decrease the loadability limit. After this, fault ride through (FRT) capability of both cases were investigated with time domain simulations and it was found that wind farm connection increase the FRT capability of the system. Wind farms give better results after a three phase fault. Also, effects of FACTS devices were obtained with the dynamic analysis.

Fosil kaynakların azalması ve enerji ihtiyacının artması yüzünden son yıllarda alternatif enerji kaynakları özellikle rüzgar enerjisi oldukça ilgi çekmeye başlamıştır. Ancak bu kaynaklar şebekeye bağlandığı zaman bazı güç kalitesi problemlerine sebep olmaktadır. Bu problemlerden en önemlisi gerilim kararlılığıdır. Gerilim kararlılığı problemlerinin çözülmesi için çalışmalar hala devam etmektedir. Türkiye’de devlet teşviğiyle, son on yılda rüzgar enerjisi yatırımları oldukça artmıştır. Ancak rüzgar santrallerinin Türkiye’nin enterkonnekte elektrik sistemine bağlandığında sebep olduğu güç kalitesi problemleri ile ilgili çalışmalar yetersizdir. Bu tezde en önemli güç kalitesi problemi olan gerilim kararlılığı araştırılmıştır. İlk olarak statik ve dinamik gerilim kararlılığı analiz metotları incelenmiştir. Statik gerilim kararlılığı analizi için süregelen güç akışı yöntemi uygulanmıştır. Daha sonra dinamik analiz için zaman domeni benzetim çalışmaşarı incelenmiştir. Bütün benzetim çalışmaları için bir MATLAB toolboxı olan PSAT kullanılmıştır. Benzetim çalışmaları ilk olarak IEEE 9 baralı test sistemine rüzgar bağlantılı ve rüzgar bağlantısız olarak uygulanmıştır. Daha sonra PSAT’ta Trakya İletim Sistemi oluşturulmuştur. Buna göre iki durum senaryosu gerçekleştirilmiştir. Bunlardan birinde orijinal Trakya İletim Sistemi kullanılmıştır. İkinci senaryoda ise orijinal sistemdeki bir konvensiyonel santral, çift beslemeli asenkron generatörlü (DFIG) bir rüzgar santrali ile değiştirilmiştir. Süregelen güç akışı yöntemi kullanılarak iki durum içinde sistemin maksimum yüklenebilirlik limiti bulunmuştur. Rüzgar santrali bağlantısının maksimum yüklenebilirliği düşürdüğü görülmüştür. Daha sonra iki senaryo içinde sistemin arıza sonrası davranışı zaman domeni analizi ile incelenmiştir. Rüzgar santralinin arıza sonrasında daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. Ayrıca, FACTS cihazlarının etkileri dinamik analiz ile bulunmuştur.