Assessment of the impact of wind power generation on the steady-state operation of power systems

Abstract

Over the years, the use of wind energy conversion systems has become the most rapidly growing renewable energy source utilized in electricity generation all over the world. Even though wind energy is beneficial from the environmental standpoint, it makes the already complex task of achieving system controllability even more demanding. Consequently, the quantification of the effects that the large-scale integration of wind generation will cause on the network is a very important matter that requires special attention when planning and operating an electrical power system. Based on the information mentioned above, the objective of this thesis is to provide an all-encompassing mathematical modeling framework as well as advanced analytical and numerical methods for the assessment of grid-connected wind energy conversion systems considering of the main design and operating characteristics of these resources and the electrical power grid. On the one hand, the conventional power flow problem is expanded to incorporate three steady-state models of the most common wind generator technologies. The variable-speed wind generators' ability to provide load-frequency control support is well represented based on the distributed slack bus concept. Within this distributed slack bus concept the active power imbalance is modulated by all the generators in the system. In this context, a unified framework of study is formulated to directly assess how conventional and wind generators simultaneously provide the primary frequency regulation. Moreover, the steady-state voltage stability is also assessed in this work.

Con el paso del tiempo, el uso de sistemas de conversión de energía eólica para generar electricidad se ha vuelto la fuente de energía renovable con el mayor crecimiento alrededor del mundo. Aún cuando la energía eólica es benéfica desde el punto de vista ambiental, ésta hace todavía más complejo el control de los sistemas de potencia. Consecuentemente, la cuantificación de los efectos que la integración a larga escala de generación eólica va a causar en la red es un asunto muy importante que requiere especial atención para la planificación y operación de un sistema eléctrico de potencia. Basándose en lo anterior, el objetivo de esta tesis es de proveer un esquema que abarque ampliamente el modelado matemático así como los métodos analíticos y numéricos para la evaluación de sistemas de generación eólicos interconectados a la red. Lo anterior considerando las principales características de diseño y operación de estas fuentes de energía y de la red eléctrica de potencia. Por un lado, el problema de flujos convencionales es expandido para incorporar tres modelos de estado estable de las tecnologías más comunes de generadores eólicos. La habilidad de proveer soporte al control de demanda-frecuencia de generadores eólicos de velocidad variable es bien representada basándose en el concepto de nodo slack distribuido. Este concepto de nodo slack distribuido se refiere la modulación del desbalance de potencia activa por parte de todos los generadores en el sistema. En este contexto, es formulado un esquema unificado de estudio para evaluar directamente de qué forma tanto los generadores convencionales como los eólicos proveen simultáneamente regulación primaria de frecuencia. Además, la estabilidad de voltaje en estado estable también es evaluada en este trabajo.