Stability limits for optimal power flow related to congestion management

Abstract

Målet for denne masteroppgaven er å utføre dynamiske simuleringer på en enkel modell med fire samleskinner samt en forenklet modell av det nordiske kraftsystemet (N44) for å bestemme overføringsgrensene for utvalgte linjer. Overføringsgrensene vil bli brukt når den optimale lastflyten blir simulert for å undersøke hvordan begrensningene påvirker driftskostnadene. For N44-modellen ble den optimale lastflyten simulert etter et utfall for å undersøke den optimale bruken av resever og hvordan driftskostnader endres for forskjellige overføringsgrenser.

En stor del av de viktigste tjenestene i dagens samfunn er avhengig av strøm, noe som gjør kraftsystemet til en viktig infrastruktur. Overbelastning, og andre utfordringer, blir mer vanlig når kraftsystemet blir oppgradert med fornybar energi og digitale løsninger. Når strømbehovet i tillegg øker raskere enn kraftsystemet blir oppgradert, er det avgjørende å utnytte kraftsystemet optimalt. Stabilitetsgrensene til overføringslinjene er ikke vanlig å bruke når overføringsgrense bestemmes. I denne oppgaven blir stabilitet undersøkt gjennom dynamiske simuleringer, med fokus på spenningsstabilitet og vinkelstabilitet, for å bestemme stabilitetsgrensene til utvalgte linjer.

Modellene som ble analysert i denne oppgaven var en enkel modell med to generatorer og to laster, og N44-modellen av det nordiske kraftsystemet. De dynamiske simuleringene fokuserte på et utfall av en spesifikk linje i begge modellene. For den enkle modellen var fokuset på en av linjene som forbinder en generator og en last. For N44-modellen var fokuset på en av linjene som forbinder Øst-Norge med Sverige. Den dynamiske analysen inkluderte spenningsstabilitetsanalyse og vinkelstabilitetsanalyse, og ble utført for forskjellige driftstilstander for begge modellene.

Den optimale lastflyten ble utført i MATPOWER i MATLAB. Simuleringene ble utført på ekvivalente modeller for å analysere hvordan verdien til objektivfunksjonen, og den optimale bruken av reserver etter et utfall, ble påvirket av overføringsgrensene.

Resultatene viste at spenningsstabiliteten var den begrensende faktoren, og at overføringsgrensene ikke påvirket OPF-løsningen for den enkle modellen. For N44-modellen var vinkelstabiliteten den begrensende faktoren. Videre ble det foreslått noen verdier for overføringsgrensen, der en overføringsgrense på maks. 2200 MW skulle sikre akseptable forhold. Det ble også oppdaget at overføringsgrensen spiller en viktig rolle i OPF-løsningen for N44-modellen, ettersom driftskostnadene økte med redusert overføringsgrense. Grensen på 2200 MW tilsvarer en økning i driftskostnadene på 25 000 $/hr.

I videre arbeid vil det være interessant å utføre en mer omfattende analyse av N44-modellen, inkludert utfall på flere linjer. Det er også av interesse å integrere pålitelighetsanalyse med OPF for å finne et optimum mellom drifts- og avbruddskostnader.

The aim of this thesis is to perform dynamic simulations of a 4-bus model and an aggregated model of the Nordic power system (N44) to decide the transmission constraints of selected lines. The transmission constraints will be used when the optimal power flow is simulated to investigate how the constraints affects the operating costs. For the N44 model the optimal power flow was simulated after a contingency to investigate the redispatch and change in operating costs for different transmission constraints.

A great amount of the vital services in today's society is dependant of electricity, making the power system an essential infrastructure. Congestion, and other challenges, becomes more common when the power system is upgraded with renewable energy and digital solutions. In addition, the power demand increases faster than the power system is upgraded, making it crucial to utilize the power system optimally. The security rating of the transmission lines are not common to use when the transmission constraints are decided. The security rating is decided by the stability of the system. In this thesis, the stability of the systems is investigated through dynamic simulations, with focus on voltage stability and rotor angle stability, to determine the security rating of selected lines.

The models that were analyzed in this thesis was a 4-bus model with two generators and two loads, and the N44 model of the Nordic power system. The dynamic simulations focused on a contingency of a specific line in both models. For the 4-bus model, the focus was on one of the lines connecting a generator and a load. For the N44 model, the focus was on one of the lines connecting Eastern Norway to Sweden. The dynamic analysis included voltage stability analysis and rotor angle stability analysis, and was performed for different operating states for both models.

The power system optimization was performed in MATPOWER in MATLAB. The simulations were performed on equivalent models to analyze how the objective function value, and the redispatch after a contingency, was affected by the transmission constraint.

The results showed that the voltage stability was the limiting factor, and that the transmission constraints did not affect the OPF solution for the 4-bus model. For the N44 model, the rotor angle stability, with damping and critical clearing time, was the limiting factor. A few values of the transmission constraint were proposed, where the transmission constraint of max. 2200 MW was suggested to ensure a damping ratio above 0.03 and a critical clearing time above 150 ms. It was also discovered that the tranmsission constraint play an important part in the OPF solution of the N44 model, as the operating costs increased with a decreased transmission constraint. The constraint of 2200 MW corresponds to an increase in operating costs of 25 000 $/hr.

In further work, it would be interesting to perform more extensive analysis on the N44 model including contingencies on more lines. It it also of interest to integrate reliability analysis with the OPF analysis to find an optimum between operating and interruption costs.