The Dissipating Energy Flow method for analysing generator contribution to power system damping -- evaluation and interpretation

Abstract

Electromechanical oscillations is a power system phenomenon where generator rotors oscillate, leading to oscillatory power flows. Damping of such oscillations is important for system stability. Forced oscillations is a special case where one faulty component is the source of the oscillation. This report concerns the Dissipating Energy Flow (DEF), which is an energy-based method for analysing damping performance of individual network components through synchrophasor measurements. It has shown promise in being able to locate the source of a forced oscillation. Through simulations in simple systems the method is evaluated in its ability to 1) locate the source of forced oscillations and 2) indicate the performance of power system stabilisers (PSS). The method succeeds in locating the sources of forced oscillations, while the simulations show no use of the method in indicating PSS performance when the system is disturbed by a forced oscillation. The former is in line with existing literature, but the latter is in conflict with the proposed equivalence between dissipating energy and damping. The results further suggest that the $P$-$f$ term of the DEF integral alone is responsible for its utility. The simulations indicate that the method's functionality builds on the fact that the source always exhibits a leading phase in an oscillation. This leading phase is demonstrated using data from a real oscillation event. With the help of a mechanical analog the net damping done by the power due to relative rotor angles between machines is analysed, which gives an understanding of the connection between the phase-leading characteristics of the source generator and its dissipating energy flow.

Popular Abstract (Swedish)

En ny metod påstås kunna analysera störningar i elnätet i realtid med hjälp av befintliga mätinstrument. Genom att beräkna flöden av svängningsenergi kan olika generatorers roller i störningen visualiseras. Från kontrollrum kan störningskällor kopplas bort och generatorers bidrag till dämpning kontinuerligt utvärderas. Men bakgrunden till metoden är grumlig och tolkningen av svängningsenergin är oklar. Kan metoden verkligen hålla vad den lovar?

Alla generatorer i det svenska elnätet snurrar i fullständig harmoni. Likt ett fiskstim följer varje enskild maskin rörelsen hos den stora massan: Om individer glider isär så strävar de alltid efter att återförenas.

Koordinationen sätts ständigt på prov när yttre krafter drar isär generatorerna och de måste justera sina hastigheter för att behålla harmonin. I olyckliga fall kan resonanser uppstå, där vissa generatorer saktar in samtidigt som andra snabbar på, varpå de första snabbar på och de andra saktar in. Likt spegelbilder fortsätter grupperna att svänga fram och tillbaka.

Detta är ett välkänt svängningsfenomen i elkraftssystem. Om svängningarna inte dämpas kan de leda till att generatorerna tappar koordinationen och ger ett strömavbrott. Därför är det viktigt att varje generator bidrar till dämpning.

Nya mätinstrument i elnätet har på sistone möjliggjort ökad övervakning av dessa svängningar. Den så kallade DEF-metoden använder mätinstrumenten för att få insikt i varje generators roll i svängningen. Utifrån mätningar av ström och spänning beräknas ett flöde av svängningsenergi i nätet som i figuren intill. Genom att följa energiflödet kan man avgöra olika generatorers roll i svängningen: Den generator som producerar energi är källan till svängningen, den som förbrukar energi dämpar svängningen. Större förbrukning av svängningsenergi motsvarar bättre dämpning.

Detta låter som ett perfekt hjälpmedel för ett kontrollrum. Genom att studera svängningsenergiflödet i realtid kan källan till en störning identifieras och kopplas bort, och dessutom kan olika generatorers bidrag till dämpning utvärderas. Närmre studier visar dock på brister i metoden. Den fysikaliska relevansen av energiflödet är oklar och metoden har ibland visat sig ge falska larm. Detta examensarbete har därför försökt klargöra metodens användbarhet och ge en tolkning av hur den fungerar.

Resultaten bekräftar att metoden kan detektera källan till en svängning, vilket tidigare artiklar också visat. Faktum är att den redan har implementerats i New England i USA med den applikationen. Däremot misslyckas metoden med att bedöma olika generatorers bidrag till dämpning. Detta har nämnts som en möjlig applikation men verkar alltså vara att hoppas på för mycket.

Examensarbetet presenterar en förklaring till att metoden lyckas med att lokalisera svängningskällan, som inte bygger på originalförfattarnas koppling till energi. Förklaringen bygger på att den generator som är källan till en svängning alltid ''leder'' svängningen; den är hela tiden först med att byta riktning. Man kan tänka sig detta som ett rep som skakas i ena änden, vilket motsvarar en störningskälla, och resten av repet följer efter i en vågrörelse. Detta fundamentala beteende gör att metoden kan identifiera källan till svängningen.

Frågetecken kvarstår således kring tolkningen av svängningsenergin. Kanske beräknar metoden inget riktigt energiflöde, utan ett flöde som bara specifikt kan användas för att hitta en störningskälla? Det är inget dåligt åstadkommande, men inte fullt så briljant som ursprungligen lovades.

• author: Möller, Hampus
• supervisor: Olof Samuelsson; Thomas Smed; Jörgen Svensson
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20182
• year: 2019
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Electromechanical oscillations, small-signal stability, energy flow, PMU measurements, forced oscillations, dissipating energy.
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 5417
• other publication id: CODEN
• language: English
• id: 8971910
• date added to LUP: 2019-03-15 12:10:47
• date last changed: 2019-03-15 12:10:47