M. Haji Heydari

Thesis Title:

Identification and Control of Ultra-Low Frequency Common Oscillation Mode in Power Systems

Abstract:

Hierarchical frequency control is used in the power system to compensate for the frequency deviation from the nominal value after the imbalance of real power production and consumption occurs. Primary frequency control is to stop the frequency drop before the frequency protection relays are activated. The response of primary frequency control leads to the emergence of very low frequency fluctuations with long transient and low amplitude in the frequency response of the power system, which originates from the operation of the turbine and governor system in primary frequency control. These are called common mode oscillations or ultra low frequency oscillations. The damping of these oscillations in networks with high capacity of hydro units can become negative due to the hammering effect of water in the response of hydro turbines, which leads to an increase in the oscillation amplitude. Ultra low frequency oscillation belongs to the category of frequency stability problems, unlike the low frequency oscillations caused by the energy exchange between generators of the system, because it does not include any energy exchange between generators in different areas. For that reason, this mode is called the common mode because all units oscillate in the same direction and in a common way at the frequency of this mode. The aim of this thesis is to identify various aspects of common mode oscillations, including the factors affecting it and methods of analyzing common mode oscillations. In this regard, the effect of factors such as the capacity of hydro power plants, hydro turbine and governor parameters and voltage-dependent loads on the damping of common mode oscillations is investigated. Also, by examining detailed models and simplified models through four methods of modal analysis, time simulation, frequency response and damping torque, common mode mechanism is investigated and various methods of increasing oscillation damping are presented. The damping of common mode oscillations can be increased through the active power-frequency loop which is mainly performed by the governor controller. It is also possible to increase the damping of the common mode oscillations through the reactive power-voltage loop that affects the electromagnetic torque by the excitation and system stabilizer of the power system. The introduced models for common mode analysis have been used to investigate the effect of common mode on the frequency of independent networks such as single machine connected to load, Kundur system and 39 bus IEEE.

 Keywords: Multi Band Stabilizer, Damping Torque Coefficient, Ultra-Low Frequency Oscillations, Common Mode

عنوان پایان نامه: شناسایی و کنترل مود نوسان مشترک فرکانس بسیار کم در سیستم‌های قدرت

چکیده: کنترل سلسله مراتبی فرکانس در سیستم قدرت به منظور جبران انحراف فرکانس از مقدار نامی پس از وقوع عدم تعادل تولید و مصرف توان حقیقی استفاده می‌شود. کنترل اولیه فرکانس، متوقف کردن افت فرکانس قبل از فعال شدن رله‌های حفاظتی فرکانس است. پاسخ کنترل اولیه فرکانس، منجر به ظهور نوسانات فرکانس بسیار کم با گذرای طولانی و دامنه کم در پاسخ فرکانس شبکه می‌شود که منشأ آن، عملکرد سیستم توربین و گاورنر در کنترل اولیه‌ی فرکانس است. به این نوسانات مود مشترک یا نوسانات فرکانس بسیار کم گفته می‌شود. میرایی این نوسانات در شبکه¬هایی با ظرفیت بالای واحدهای آبی، به علت اثر چکشی آب در پاسخ توربین‌های آبی می‌تواند منفی شود که منجر به افزایش دامنه نوسان می‌شود. نوسانات بسیار فرکانس کم برخلاف نوسانات فرکانس کم که به علت تبادل انرژی بین ژنراتورهای سیستم ایجاد می‌شود، به دسته مسائل پایداری فرکانس تعلق دارد، زیرا هیچ تبادل انرژی بین ژنراتورها در نواحی مختلف را شامل نمی¬شود. ازآن‌جهت به این مود، مود مشترک گفته می‌شود که همه واحدها در فرکانس این مود در یک‌جهت و به‌صورت مشترک نوسان می‌کنند. هدف این پایان‌نامه، آشنایی با جنبه‌های مختلف نوسانات مود مشترک ازجمله عوامل مؤثر روی آن و روش‌های تحلیل نوسانات مود مشترک است. در این راستا، تأثیر عواملی همچون میزان ظرفیت نیروگاه‌های آبی، پارامترهای گاورنر-توربین آبی و بارهای وابسته به ولتاژ روی میرایی نوسانات مود مشترک بررسی می‌شود. همچنین با بررسی مدل‌های با جزئیات و مدل‌های ساده‌شده از طریق چهار روش تحلیل مدال، شبیه‌سازی زمانی، پاسخ فرکانسی و گشتاور میراکننده، سازوکار مود مشترک بررسی و روش‌های مختلف افزایش میرایی نوسانات ارائه می‌شود. میرایی نوسانات مود مشترک را می‌توان از طریق حلقۀ توان حقیقی- فرکانس که به‌طور عمده توسط کنترل‌کننده گاورنر انجام می‌شود، افزایش داد. همچنین امکان افزایش میرایی نوسانات مود مشترک از طریق حلقۀ توان رأکتیو- ولتاژ که توسط سیستم تحریک و پایدارساز سیستم قدرت روی گشتاور الکترومغناطیسی اثر می‌گذارد، وجود دارد. از مدل‌های معرفی‌شده به منظور تحلیل مود مشترک، شبکه‌های مستقل مانند تک ماشین متصل به بار، دو ناحیه‌ای کندور و 39 باس IEEE، مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

کلید واژه‌ها: مود مشترک، نوسانات بسیار فرکانس کم، ضریب گشتاور میرایی، پایدارساز چند بانده.