Tesis de Posgrado 42


Título:

EL ROL DEL CONTROL DINÁMICO PRIMARIO EN LA NUEVA INDUSTRIA ELÉCTRICA

Índice:

ABSTRACT ..........................................................................................................I ACKNOWLEDGMENTS ..................................................................................III INDEX OF FIGURES ........................................................................................XI INDEX OF TABLES........................................................................................XV LIST OF SYMBOLS ......................................................................................XVII LIST OF ACRONYMS ................................................................................ XXIII CHAPTER 1 .........................................................................................................1 1 INTRODUCTION......................................................................................1 1.1 SCOPE OF THIS THESIS ............................................................3 1.2 STRUCTURE OF THIS WORK.....................................................4 CHAPTER 2 .........................................................................................................7 2 POWER SYSTEM PRIMARY CONTROL AND DYNAMIC PERFORMANCE.................................................................................................7 2.1 DYNAMIC PROBLEMS.............................................................7 2.1.1 Power System Stability .....................................................7 2.1.2 Variable Deviations..........................................................9 2.2 CONTROL ACTIONS FOR FACING DYNAMIC PROBLEMS .........9 2.2.1 Primary controllers ........................................................10 2.2.1.1 Generator-based primary controllers........................11 2.2.1.2 Non-generator-based controllers ..............................12 2.2.1.3 Load-Based Control ....................................................13 2.2.2 Reasons for Nonlinear Primary control .........................14 2.2.3 Primary controller costs.................................................15 2.2.4 Primary Controller Modeling.........................................16 2.2.4.1 FACTS. Static Var Compensator ..............................17 2.2.4.2 Feedback Linearizing Control (FBLC) for Excitation Systems .......................................................................................19 2.2.4.2.1 FBLC formulation ...................................................192.2.4.2.2 Combination of FBLC and integral voltage control ..................................................................................22 2.3 POSSIBLE METRICS FOR VALUING PRIMARY CONTROLLERS ..23 2.3.1 Variable Deviations........................................................26 2.3.2 Metrics based on Energy Functions ...............................28 2.3.2.1 Hybrid Methods. Corrected Transient Energy Margin (CTEM) .......................................................................................29 2.3.2.2 Corrected Transient Energy Function Formulation.29 2.3.2.2.1 Transient energy margin (TEM) concept ............33 2.3.2.2.2 Corrected Transient Energy Margin (CTEM) .....34 2.3.2.2.3 Integration of trajectory Pa-E0’ for stable TEM calculation ..................................................................................34 2.3.2.3 Linear Properties of CTEM. CTEM Sensitivity ........35 2.3.2.4 Stabilizing Multiple Contingencies ............................36 2.3.2.5 Determination of Critical Machines ...........................36 2.3.2.5.1 Integrating Transient Stability Margin Calculation with Critical Machine Determination .........................................37 CHAPTER 3 .......................................................................................................39 3 VALUE OF FAST CONTROLLERS ......................................................39 3.1 THE VALUE OF CONTROLLERS.............................................39 3.1.1 Power flow control .........................................................39 3.1.2 Reactive Power Support .................................................40 3.1.3 Relocatability Value of Controllers ................................40 3.1.4 Reliability Value of Controllers......................................40 3.1.5 Transfer Capacity Value of Controllers .........................42 3.1.6 Controller Value on the use of Generation Dispatch to Improve Transient Stability...........................................................43 3.2 CURRENT TREATMENT OF POWER SYSTEM CONTROL IN ELECTRICITY MARKETS .....................................................................44 3.2.1 Ancillary Services...........................................................44 3.2.1.1 Frequency Control.......................................................44 3.2.1.2 Voltage Control ............................................................45 3.2.1.3 Emergency Control .....................................................46 3.3 RELATIONSHIP BETWEEN DYNAMIC PERFORMANCE METRICS AND SYSTEM QUANTITATIVE VALUE .................................................46 3.3.1 Dynamic Security Auction ..............................................48 3.3.2 Risk of automatic load disconnection .............................50CHAPTER 4 .......................................................................................................53 4 THE ROLE OF FAST CONTROLLERS IN THE NEW ELECTRICITY INDUSTRY........................................................................................................53 4.1 TWO METHODOLOGIES TO VALUE FAST CONTROLLERS ......54 4.1.1 Methodology to Value Reduction in System Cost of Generation Rescheduling for Security Reasons............................55 4.1.1.1 Modified Dynamic Security Auction with Second- Swing Stabilization ...........................................................................56 4.1.1.1.1 First-Swing Stability Verification and Generation Rescheduling Correction .................................................................58 4.1.1.1.2 New Methodology for Second-Swing Stability Detection using Hybrid Transient Energy Function Concepts ....... .......................................................................................59 4.1.1.1.3 Modified Critical Machines Ranking using Corrected Transient Energy Functions ............................................................61 4.1.1.1.4 Algorithms for Modified Dynamic Security Auction, First-Swing Stabilization, and Second-Swing Stabilization ........64 4.1.1.1.5 Stabilizing Multiple Contingencies ............................68 4.1.1.2 Value of Fast Controllers at Reducing the Costs of Generation Rescheduling for Security Reasons ..........................69 4.1.2 Reducing the risk of automatic load disconnection ........70 4.2 INTEGRATION OF FAST CONTROLLER VALUE.......................72 4.3 TOWARDS DYNAMIC CONTROL CAPACITY MARKETS (DCCM). THE ROLE AND DESIGN......................................................73 4.3.1 Supply Function for DCCM............................................77 4.3.2 Demand Function for DCCM.........................................78 4.3.3 Clearing Mechanism for DCCM ....................................78 4.3.4 Interactions between DCCM and the Energy Market.....79 CHAPTER 5 .......................................................................................................81 5 SIMULATION EXAMPLES ...................................................................81 5.1 TEST SYSTEMS USED IN THE EXAMPLES...............................81 5.1.1 IEEE-39-Bus Test System ...............................................81 5.1.2 Three-Bus Test System....................................................83 5.2 FAST CONTROLLER VALUE FOR REDUCTION IN COSTS OF GENERATION RESCHEDULING FOR SECURITY REASONS.....................84 5.2.1 Power System Security Enhancement using FBLC combined with integral voltage control ........................................85 5.2.1.1 Base Case....................................................................85 5.2.1.2 Case FBLC-G9 ............................................................87 5.2.2 Corrected Transient Energy Margin determination .......89 PhD Thesis Marcelo A Elizondo viii 5.2.2.1 Critical Machine Determination Using the Modified Critical Machine Ranking.................................................................93 5.2.2.2 Linear Relationship between Corrected Transient Energy Margin and Generation Rescheduling .............................99 5.2.3 Reducing System Cost of Generation Rescheduling for Security Reasons.........................................................................103 5.2.3.1 Rescheduling Auction and Stabilization of Multiple Contingencies .................................................................................103 5.2.3.2 First-Swing Stability Correction and Second-Swing Stabilization.....................................................................................108 5.2.3.3 Value of FBLC-G9 at Reducing Cost of Generation Rescheduling ..................................................................................113 5.3 FAST CONTROLLER VALUE FOR THE REDUCTION IN RISK OF AUTOMATIC LOAD DISCONNECTION ................................................115 5.3.1 Load automatically disconnected by expected action of protective relays..........................................................................116 5.3.2 Risk of automatic load disconnection ...........................118 5.4 INTEGRATED SYSTEM VALUE OF FAST CONTROLLERS (FBLC AT G9) ...........................................................................................122 5.5 ILLUSTRATIONS OF GUIDELINES FOR DYNAMIC CONTROL CAPACITY MARKET APPLIED TO DYNAMIC CONTINGENCY RESERVE FOR PRIMARY VOLTAGE SUPPORT....................................................123 5.5.1 Dynamic simulations ....................................................124 5.5.2 Supply for DCCM.........................................................125 5.5.3 Demand for DCCM ......................................................128 5.5.4 Clearing of DCCM .......................................................129 5.5.4.1 Local and Remote Effect of Primary Voltage Controllers .....................................................................................130 5.5.4.2 Effect of Controller Location.....................................131 5.5.4.3 Total Price of Reliability/Security for Primary Voltage Support .....................................................................................132 CHAPTER 6 .....................................................................................................135 6 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK.............................................135 6.1 CONCLUSIONS....................................................................136 6.2 FUTURE WORK ...................................................................140 CHAPTER 7 .....................................................................................................143 7 REFERENCES.......................................................................................143APPENDIX A...................................................................................................151 A DATA OF TEST SYSTEMS .................................................................151 A.1 DATA OF THE IEEE-39-BUS TEST SYSTEM.........................151 A.1.1 Generators....................................................................151 A.1.2 Lines and Transformers................................................152 A.1.3 Power Setpoints, Voltage Setpoints, and Bus Loads.....153 A.1.4 Turbine-Governor Controllers .....................................155 A.1.5 Excitation Controllers ..................................................156 A.1.5.1 Automatic Voltage Regulators .....................................157 A.1.5.2 Power System Stabilizers.............................................157 A.1.5.3 Feedback Linearizing Control of Excitation ................158 A.2 DATA OF 3-BUS TEST SYSTEM ...........................................159 A.2.1 Generators....................................................................159 A.2.2 Lines and Transformers................................................159 A.2.3 Power Setpoints, Voltage Setpoints, and Bus Loads.....159 A.2.4 Turbine-Governor Controllers .....................................160 A.2.5 Automatic Voltage Regulators and Power System Stabilizers ...................................................................................160 A.2.6 Static Var Compensator................................................160 AUTHOR’S RESUME .....................................................................................161 RESUMEN EXTENDIDO ...............................................................................163 R EL ROL DEL CONTROL DINÁMICO PRIMARIO EN LA NUEVA INDUSTRIA ELÉCTRICA ..............................................................................163 R.1 INTRODUCCIÓN ..................................................................163 R.1.1 Alcance de esta tesis.....................................................166 R.2 CONTROL DE SISTEMAS DE POTENCIA Y DESEMPEÑO DINÁMICO ........................................................................................168 R.2.1 Problemas Dinámicos...................................................168 R.2.2 Acciones de Control para Afrontar Problemas Dinámicos ......................................................................................168 R.2.2.1 Dispositivos de Control Primario.................................169 R.2.2.2 Control Primario No Lineal..........................................170 R.2.2.3 Costo del Control Primario ..........................................170 R.2.3 Posibles medidas de desempeño dinámico para valuar al control rápido .............................................................................171 R.2.3.1 Desvíos en las Variables del Sistema ...........................172 R.2.3.2 Medidas Basadas en Funciones de Energía Transitoria172 R.2.3.2.1 Determinación de Máquinas Críticas ................173 PhD Thesis Marcelo A Elizondo x R.3 EL VALOR DEL CONTROL RÁPIDO......................................174 R.3.1 El valor de los dispositivos de control..........................174 R.3.2 Relación entre las Medidas de Desempeño Dinámico y el Valor Económico Cuantitativo ...................................................174 R.4 EL ROL DEL CONTROL RÁPIDO EN LA NUEVA INDUSTRIA ELÉCTRICA.......................................................................................177 R.4.1 Dos Metodologías para Valuar los Dispositivos de Control Primario ........................................................................178 R.4.1.1 Metodología para Valuar al Control Rápido en la Reducción del Costo de Redespacho de Generación por Razones de Seguridad .....................................................................................178 R.4.1.1.1 Subasta de Seguridad Dinámica Modificada para Incorporar Estabilidad de Segunda Oscilación.....................179 R.4.1.2 Reducción del Riesgo de Desconexión Automática de Cargas .....................................................................................183 R.4.2 Valor Integrado del Control Rápido.............................183 R.4.3 Pautas para Instaurar Mercados de Capacidad de Control Dinámico (MCCD)........................................................184 R.5 EJEMPLOS DE SIMULACIÓN ................................................187 R.6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS..............................188 R.6.1 Conclusiones.................................................................189 R.6.2 Trabajos Futuros ..........................................................193 R.7 REFERENCIAS DEL RESUMEN EXTENDIDO..........................195

Descripción:

Esta tesis se centra en el rol del control dinámico primario en un ambiente de mercados eléctricos, donde se proponen dos metodologías para valuar dispositivos de control rápidos y se dan pautas para establecer un mercado de control rápido. Esta tesis realiza los siguientes aportes originales: • Una metodología para valuar los dispositivos de control rápido para reducir los costos de redespacho por razones de seguridad. En esta metodología los principales componentes son una Subasta de Seguridad Dinámica donde los generadores realizan ofertas para ser redespachados para mejorar la Seguridad Dinámica del sistema; • Una metodología para valuar dispositivos de control rápido para reducir el riesgo de desconexión automática de cargas causada por los desvíos de variables del sistema luego de la ocurrencia de contingencias; • Un valor integrado del control rápido se propone como una combinación de los valores de la reducción de costos de redespacho por razones de seguridad y valor de la reducción del riesgo de desconexión automática de cargas. El valor integrado del control rápido se obtiene al aplicar las metodologías mencionadas en los dos puntos anteriores en forma secuencial; • Pautas para la instauración de un mercado de control rápido que considera las dos componentes del valor del control rápido mencionadas en los dos primeros puntos; • Una metodología alternativa para determinar máquinas críticas usando un Ordenamiento de Máquinas Criticas Modificado que utiliza conceptos de la Función de Energía Transitoria Corregida (FETC); • Una nueva metodología para detectar estabilidad de segunda oscilación usando conceptos de FETC; • Una subasta de estabilización de segunda oscilación que usa la nueva metodología para detectar estabilidad de segunda oscilación y criterios técnicos y económicos de la Subasta de Seguridad Dinámica; • Una Subasta de Seguridad Dinámica Modificada que incluye verificación de estabilidad de primera oscilación y corrección de redespacho de generación, la subasta también incorpora la nueva estabilización de segunda oscilación. Las metodologías y conceptos desarrollados en esta tesis se ejemplifican en el documento de tesis. Dos sistemas de pruebas son usados en los ejemplos de la tesis, el sistema de prueba de IEEE de 39 barras y un sistema de pruebas de 3 barras. Se usan dispositivos de control convencional (RAT, RAV, y SVC) y un dispositivo de control de excitación no lineal Control de Realimentación Linealizante para ilustrar las metodologías propuestas en esta tesis. Los ejemplos muestran como, usando las metodologías propuestas en esta tesis, un control de excitación no lineal basado en Control de Realimentación Linealizante (FBLC) agrega valor económico al sistema al reducir los costos de redespacho por razones de seguridad y el riesgo de desconexión automática de cargas. Esto se muestra incorporando el sistema de excitación FBLC al sistema de pruebas del IEEE de 39 barras al que se le aplican 7 contingencias severas. Las metodologías propuestas en esta tesis se aplican en forma secuencial para ejemplificar también el valor de integrado del control rápido. El Ordenamiento de Máquinas Críticas Modificado se aplica a 10 contingencias también en el sistema de 39 barras. La nueva metodología para la detección de estabilidad de segunda oscilación y la Subasta de Seguridad Dinámica Modificada (que incluye verificación de estabilidad de primera oscilación y corrección de redespacho), se aplicó a 7 contingencias con dos configuraciones del sistema de 39 barras, mostrando que 4 casos hubieran resultado inestables si sólo se hubiera aplicado la Subasta de Seguridad Dinámica desarrollada en trabajos anteriores. Finalmente, las pautas para un mercado de control rápido se ejemplifican en el sistema de pruebas de tres barras en el Capítulo 5 del documento de Tesis.

Autores:

Marcelo Aníbal Elizondo

Editores:

Imprenta Universitaria de la Universidad Nacional de San Juan

Unidad Origen:

Instituto de Energía Eléctrica

ISBN:

ISBN 978-987-05-6539-0

 

 
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San Juan, 31 de Octubre de 2014.-