Determination of steady-state and transiently stable optimal equilibrium points in electric power systems

Abstract

This research work focuses on the way of extending a conventional Newton-based Optimal Power Flow (OPF) approach to compute optimum steady state operating points under two important aspects in power systems operation. On the one hand, the conventional OPF approach is modified to consider a proposed steady state detailed model of a Voltage Source Converter-based High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) system. The VSC-HVDC’s ability to provide independent control of the converters AC voltage magnitudes and phase angles relative to the system voltage, which allows the use of separate active and reactive power control loops for system regulation, is well represented by the proposed model. This development allows computing optimum steady state equilibrium points of power systems considering the operation of VSC-HVDC devices. On the other hand, the conventional OPF approach is modified to derive two new global Transient Stability Constrained-Optimal Power Flow (TSC-OPF) approaches. In both approaches, the SIngle Machine Equivalent (SIME) method is used to represent the multimachine system dynamics by a corresponding One Machine Infinite Bus (OMIB) equivalent system. The multi-machine system transient stability is controlled by ensuring the transient stability of the corresponding OMIB equivalent system. Each one of the proposed TSC-OPF approaches formulates a corresponding new stability constraint in terms of the angular deviation of the OMIB equivalent rotor angle trajectory, at one specific integration time step of the interval to be considered into the TSC-OPF analysis.

Este trabajo de investigación se centra en la forma de ampliar un enfoque convencional de flujo óptimo de energía (OPF) basado en Newton para calcular puntos óptimos de funcionamiento en estado estacionario bajo dos aspectos importantes en el funcionamiento de los sistemas de potencia. Por un lado, el enfoque OPF convencional se modifica para considerar un modelo detallado de estado estacionario propuesto de un sistema de corriente continua de alta tensión basado en convertidor de fuente de voltaje (VSC-HVDC). La capacidad del VSC-HVDC para proporcionar un control independiente de las magnitudes de voltaje de CA de los convertidores y ángulos de fase con relación a la tensión del sistema, que permite el uso de bucles de control de potencia activos y reactivos separados para la regulación del sistema. Este desarrollo permite calcular puntos óptimos de equilibrio en estado estacionario de los sistemas de potencia considerando el funcionamiento de los dispositivos VSC-HVDC. Por otro lado, el enfoque OPF convencional se modifica para derivar dos nuevos enfoques globales de flujo de potencia óptima restringida (TSC-OPF) de estabilidad transitorio de transitoriedad. En ambos enfoques, el método SINGLE EQUIVALENT EQUIVALENT (SIME) se utiliza para representar la dinámica del sistema multimachine mediante un sistema equivalente de una máquina Infinite Bus (OMIB). La estabilidad transitoria del sistema multi-máquina se controla asegurando la estabilidad transitoria del correspondiente sistema equivalente de OMIB. Cada uno de los enfoques TSC-OPF propuestos formula una nueva restricción de estabilidad correspondiente en términos de la desviación angular de la trayectoria del ángulo del rotor equivalente de OMIB, en una etapa de tiempo de integración específica del intervalo que se ha de considerar en el análisis TSC-OPF.