Analysis of control interactions in power systems

Abstract

This thesis analyses the interaction phenomena among most of the control devices in power systems, both in steady state and transient stability dynamic frames. The control devices include Flexible AC Transmission Systems (FACTS) controllers, synchronous machines' controls and variable-speed Wind Energy Generation Systems (WECS) as well as their associated power electronics-based converters. Concerning the steady-state analysis, realistic models of FACTS devices, Automatic Frequency Control (AFC) and Area power Interchange Control (AIC) are adopted. In the transient stability analysis, the dynamic models included are the synchronous machine with its controls, and the IEEE Type-4 WECS with its associated back-to-back controller. This thesis proposes practical methods to identify which control devices are interacting each other in power systems, and to quantify this interaction, both in steady state and transient stability dynamic operation frames. The proposed methods are based on the numerical analysis of a sensitivity matrix computed during the steady state and transient solution processes. Also, improved power flow models of Static VAR Compensators (SVCs) and AIC are proposed. The proposed methods and models are equally efficient but less numerically demanding than other suggested approaches. The applicability and usefulness of the proposed methods and models are tested with numerical simulations by means of a digital program developed in Matlab environment. Several real-life and benchmark power system are considered in the simulations.

En ésta tesis se analiza el fenómeno de interacción que ocurre entre la mayoría de los dispositivos de control en los sistemas eléctricos de potencia, tanto en estado estacionario como en la dinámica de estabilidad transitoria. Los dispositivos de control incluyen dispositivos de Sistemas Flexibles de Transmisión en CA (SIFLETCA), controles de máquinas síncronas y Sistemas de Generación de Energía Eólica (SGEE) así como sus respectivos convertidores basados en electrónica de potencia. Considerando el estado estacionario, se adoptan modelos realistas de dispositivos SIFLETCA, así como Control Automático de Frecuencia (CAF) y control de potencia entre áreas. Considerando la dinámica de estabilidad transitoria, los modelos incluyen a la maquina síncrona y sus controles, así como la turbina eólica "Tipo 4" del IEEE con su respectivo controlador "back-to-back". En ésta tesis se proponen métodos prácticos para identificar los dispositivos de control que interactúan entre sí en los sistemas de potencia, y a su vez cuantificar dicha interacción, tanto en la operación de estado estacionario, como en la operación dinámica de estabilidad transitoria. Los métodos propuestos se basan en el análisis numérico de una matriz de sensibilidades calculada durante los procesos de solución de estado estacionario y transitorio. De forma adicional, se proponen modelos mejorados de Compensadores Estáticos de VARs (CEVs) y control de potencia entre áreas. Los métodos y modelos propuestos resultan igual de eficientes y menos demandantes numéricamente que otras propuestas similares. La aplicabilidad y utilidad de los métodos y modelos propuestos se prueban mediante simulaciones numéricas utilizando un programa digital desarrollado en el entorno Matlab. En las simulaciones se consideran varios sistemas de potencia, tanto reales como de referencia.