Small-Signal Stability Enhancement by Wide-Area Damping Control Using a Battery Energy Storage System Emphasizing Selection of Device Location and Controller Input Signal

Abstract

Kraftsystemer over hele verden blir i mer fremtredende grad koblet sammen. I tillegg til en større andel fornybare generasjonskilder, forårsaker dette stabilitet- sproblemer i nettene. Mengden oscillatoriske svingninger mellom ulike omr ̊ader i kraftsystemene øker, noe som historisk har vært ̊arsaken til flere strømavbrudd. Nye måleenheter som synkrofasorer/PMUer forbedrer situasjonsbevisstheten. Disse er avgjørende for å muliggjøre presise og nøyaktige systemmålinger og legger til rette for kontrollsystemer som kan redusere problemer i nettet. Å bruke disse målingene for å kontrollere energilagringssystemer er lovende for å dempe svingninger mellom ulike områder i nettet.

I denne oppgaven utvikles og implementeres et batterilagringssystem (BESS- modell) i en dynamisk kraftsystemsimulator (DynPSSimpy) utviklet av doktorgradsstudent Hallvar Haugdal ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Python. Inngangssignalet til den installerte enhetens kotrollsystem og plassering av batterisystemet påvirker i stor grad ytelsen og evnen til ̊a gi demping i systemet. Ved å bruke informasjon omåpen sløyfe transfer funksjoners residualverdier, samt observerbarhet og kontrollerbarhet for en gitt eigenverdi, kan disse velges optimalt for å gi best mulig demping i det forhåndsdefinerte operasjonspunktet til systemet. Metodens ytelse og legitimitet er gjennom beregninger og simuleringer i forskjellige versjoner av Nordic 44-testnettverket validert, og kontrollerparametrene velges basert på residual- verdiene. Resultatene blir videre bekreftet gjennom ikke-lineære simuleringer som replikerer tradisjonelle forstyrrelser i kraftsystemer. Dempingen som de nye posisjonene til eigenverdiene indikerer sammenfaller med de ikke-lineære simuleringsresultatene for små forstyrrelser. For større forstyrrelser inneholder derimot ikke egenskapene til det lineariserte systemet nøyaktig informasjon om den faktiske responsen, da den interne effektbegrensningen til BESSene ikke blir tatt hensyn til i de modale beregningene.

Lineær analyse er et verdifullt verktøy for valg av tilbakekoblingssignaler og plassering BESS i kraftsystemer for å effektivt bidra til demping, og viser seg gunstig for valg av kontrollere og parameterinnstillinger. Imidlertid er det ytterst viktig å huske på de stadig skiftende driftsforholdene til virkelige systemer og effektbegrensninger for BESSene. Resultatene har illustrert viktigheten av å vurdere ulike aspekter gjennom simuleringer og nødvendigheten av å gjennomføre ikke-lineære simuleringer for å verifisere de lineære resultatene. Det er behov for videre utvikling og forskning, men de potensielle fordelene for systemoperatører som bruker tilgjengelige målinger og informasjon om det lineære kraftsystemet som et verktøy for valg av kontrollere er tydelige.

Power systems throughout the world are, to a more prominent extent, getting interconnected. Together with a higher share of renewable generation sources, this is causing stability issues in the grids. The amount of inter-area oscillations in power systems are increasing, which historically have been the cause for several blackouts. New measurement units such as synchrophasors/PMUs are improving situational awareness. These are essential for enabling wide-area measurement systems and wide-area damping control schemes for mitigating arising problems. Utilizing these measurements for controlling energy storage systems are promising solutions for damping inter-area oscillations.

In this thesis, a Battery Energy Storage System (BESS) model is developed and implemented in the Python Dynamic Power System Simulator (DynPSSimpy) developed by PhD student Hallvar Haugdal at the Norwegian University of Science and Technology. The installed device’s chosen control feedback signal and location considerably impact its performance and capability of providing power oscillation damping in the system. Using information about transfer function residues, observability, and controllability of a given mode, these can be selected optimally for providing the most extensive amount of damping in the pre-defined steady-state operation point of the system. In addition, the transfer function residues contain valuable information for appropriately determining the controller parameters. The performance and legitimacy of the method are through calculations and non-linear simulations in different versions of the Nordic 44 test network validated. The damping anticipated by the new modal positions coincides reasonably with the non-linear simulation results for small disturbances. However, for more immense disturbances, the properties of the linearized system do not accurately contain information about the actual response, as the internal power limitation of BESSs is not accounted for in the modal calculations.

Linear analysis is a valuable tool for selecting the feedback signal combinations and BESSs locations, and proves beneficial for controller selection and parameter tuning when maximizing the amount of damping is the objective. However, keeping in mind the constantly changing operating conditions of real-world systems and power limitations of BESSs is of uttermost importance. The results and conclusions have illustrated the importance of considering different aspects through simulations and the necessity for conducting non-linear simulations for verifying the linear results. Further development and research are needed, but the potential benefits for systems operators utilizing available wide-area measurements and properties of the linearized power system as a tool for controller selection are evident.