2018 LAS/ANS Symposium Panel #2 · 2019. 1. 28. · 2018 LAS/ANS Symposium Panel #2 Stability of...

2018 LAS/ANS SymposiumPanel #2

Stability of Power TransmissionSystems

Prof. Glauco N. Taranto, Ph.D.COPPE – Federal University of Rio de Janeiro

Wednesday, 29/08/2018

• Power System Structure

• Stability of power systems

• Frequency Regulation

• Newcomers

• Concluding remarks

August 2018 Slide 2 de 42

Summary

2018 LAS/ANS Symposium – Panel #2: Stability of Transmission Systemsby Prof. Glauco N. Taranto – COPPE/UFRJ

3

Power System Structure


August 2018

4

The Electric Power System

• Essentially formed by:

o Three-phase AC circuits;

o Synchronous machines;

• Considerable energy is stored as kinetic energy in the rotating masses

o Diverse energy sources;

o Long transmission lines.


August 2018


Generation

Transmission

Subtransmission orHV Distribuition

MV Distribuition

LV Distribuition

1

2

3

4

52018 LAS/ANS Symposium – Panel #2: Stability of Transmission Systems

by Prof. Glauco N. Taranto – COPPE/UFRJAugust 2018

Generation

August 2018 Slide 7 de 42 2018 LAS/ANS Symposium – Panel #2: Stability of Transmission Systemsby Prof. Glauco N. Taranto – COPPE/UFRJ

Physical Structure – One-line Diagram


August 2018 8

9

Power System Stability


August 2018

2008 / 2 Curso COE754 - Glauco Taranto 10

ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE POTÊNCIA

Capacidade de permanecer em equilíbrio operativo

Equilíbrio entre forças em oposição

ESTABILIDADE

ANGULAR

ESTABILIDADE

DE TENSÃO

ESTABILIDADE A

PEQUENAS

PERTURBAÇÕES

ESTABILIDADE

TRANSITÓRIA

ESTABILIDADE

M ID-TERM

ESTABILIDADE

LONG-TERM

GRANDES

PERTURBAÇÕES

PEQUENAS

PERTURBAÇÕES

Capacidade de manter sincronismo

Equilíbrio de torques nas máquinas síncronas

Grandes perturbações

Primeiro swing

Estudos até 10 s

Capacidade de manter perfil de tensão

aceitável em regime permanente

Balanço de potência reativa

Perturbações severas

Grandes excursões de tensão e freqüência

Grandes perturbações

Eventos chaveados

Dinâmica de OLTC e

cargas

Coordenação de

proteção e controles

Relações PxV e QxV em

regime permanente

Margem de estabilidade

Reserva de reativo

Ponto de Colapso

Métodos Lineares

INSTABILIDADE

APERIÓDICA

INSTABILIDADE

OSCILATÓRIA

Torque de sincronismo

insuficiente

Dinâmica rápida e lenta

Período de estudo de

vários minutos

Freqüência do sistema

constante e uniforme

Dinâmica lenta

Período de estudo de

dezenas de minutos

MODOS INTER-ÁREASMODOS LOCAIS MODOS DE CONTROLE MODOS TORSIONAIS

Torque de amortecimento insuficiente

Ação de controle desestabilizante

Métodos Lineares

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Equilibrium Points

SEP

UEP


August 2018

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Dynamical Systems

• A child swinging in the park

• Mechanical spring-mass systems

• Electrical circuits


August 2018

• Is a hot coffee mug left on a table standstill a dynamical system?


Vital Signs!


Vital Signs


Os sinais vitais do corpo humano

são constituídos pela temperatura,

pulso, respiração e pressão arterial.

Vital Signs


Os sinais vitais do sistema

elétrico são constituídos pela

frequência e pela tensão.

Two Fundamental Quantities

• The electrical power systems are operated such that whenthe consumer will plug-in an equipament, there is not a doubt that the quantities:

o Frequency

o Voltage (magnitude)

• Are not close to their nominal values16

??


August 2018

The Frequency


Frequency Control

• Generation x Consumption must match at any time


August 2018

Hydro Power Plant


Nuclear Power Plant


Large rotating masses

August 2018 Slide 21 de MAX

Large rotating masses



Frequency (Speed) Control



The Apples that have changed the world!

As Leis do Movimento – Sir Isaac Newton

Slide 25 de 422018 LAS/ANS Symposium – Panel #2: Stability of Transmission Systemsby Prof. Glauco N. Taranto – COPPE/UFRJ

August 2018

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Controle Carga-Frequência

• Based on the movement laws.

2ª. Lei – o somatório das forças num objeto é proporcional à sua massa multiplicada por sua aceleração

• The system frequency is determined by therotor speed of the synchronous generators

• The rotor speed is determined by the balance between the input mechanical torque x theoutput electrical torque


August 2018

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Curva Típica da Carga


August 2018

Medição de Frequência

28

Curva típica da carga em um dia de jogo do Brasil em Copas do Mundo

Fonte: ONS


August 2018


Synchronous generator and Kaplan turbine


Bulb Turbine

31

The newcomers!


August 2018

Wind and Solar


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Wind & Solar

• WIND

o Type 3 – induction generator

o Type 4 – connected via inverter

o Does not add responsive rotating inertia

o Uncertainty in the output

• SOLAR

o Connected via inverter

o Does not add rotating inertia

o Uncertainty in the output


August 2018

34

Eclipse Solar (20/03/2015)

Fonte: entso-e

• Houve uma perda rápida de 17 GW• Uma reintegração ainda mais rápida de 25 GW


August 2018

Estrutura Física do Sistema Elétrico


August 2018

Fonte: Nabeel Kouka (google images)

The Power System Structure

Geração Transmissão

Subtransmissão

Distribuição

Nirvana or Nightmare?


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• They do not add rotating inertia into the power system

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Impact on frequency control caused byDistributed Generation


August 2018

August 2018 Slide 38 de 422018 LAS/ANS Symposium – Panel #2: Stability of Transmission Systemsby Prof. Glauco N. Taranto – COPPE/UFRJ

• The (frequency) stability of power systems is based on the laws ofmotion. It is given by the balance between electrical and mechanicaltorques.

• Uncertatinties used to come essentially from the loads.

• Now they are coming from the generation as well, considering thenewcomers (basically Wind & Solar).

• The newcomers does not add responsive rotating inertia into thesystem.

• The future system must rely more on quick-responsive controls andenergy storage.


Concluding Remarks


Pump-storage Power Plants


OBRIGADO!

[email protected]

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The Spring-Mass Analogy


August 2018

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The Spring-Mass Analogy


August 2018

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Spring Mass Analogy x Electrical System

The electrical power system when composed by the so-called

“synchronous machines” is analogous to a mechanical

Spring – Mass system.

N

NE

S

SE

N

NE

S

SE


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Angular Stability

• Is the ability a power system has to maintain synchronismafter a large perturbation, such as a short circuit.

• It is usually perceived in the first seconds after thedisturbance.

• It yields large variations of power flows, voltage magnitudes and electrical currents.


August 2018

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