Primary frequency control in isolated power grids

Pedro Miguel Barros dos Santos

Informações chave

Autores:

Pedro Miguel Barros dos Santos (Pedro Miguel Barros dos Santos)

Orientadores:

José Manuel Dias Ferreira de Jesus (José Manuel Dias Ferreira de Jesus)

Publicado em

19/11/2014

Resumo

O funcionamento satisfatório do sistema de energia eléctrica é principalmente assegurado através da manutenção dos níveis de tensão e frequência em limites próprios. Este sistema é constantemente objecto de alterações nas suas condições de funcionamento, sendo as suas causas a ocorrência de falhas eléctricas ou a perda de um grupo de geração de dimensão considerável. Com o intuito de controlar as duas variáveis, dispositivos adequados são tendencialmente instalados nas unidades de geração. A regulação de frequência, tema abordado neste trabalho, está directamente relacionada com o balanço de potência activa na rede. Fazendo jus ao objectivo de um grupo gerador controlar a sua potência mecânica e consequentemente a frequência da rede, um dispositivo denominado regulador de velocidade é instalado. O desempenho destes reguladores é substancialmente diferente consoante o tipo de recurso energético usado por uma central eléctrica. A prática comum nos sistemas de energia dita que o controlo primário de frequência é assegurado pelos grupos térmicos das centrais, especialmente em redes mais fracas. A meta a atingir com esta dissertação é a de determinar até que grau as centrais hidroeléctricas contribuem para a regulação primária de frequência em redes. Para tal, e numa fase inicial, definemse modelos dinâmicos relevantes de turbinas hidráulicas e seus reguladores de velocidade, para de seguida estabelecer requisitos de parâmetros que conduzam a desempenhos óptimos dos reguladores. Em modo de finalização, estudos de estabilidade transitória são executados com o intuito de concluir acerca do impacto dos reguladores de velocidade hidroeléctricos no controlo da frequência do sistema. Satisfactory operation of a power system is predominantly assured by keeping voltage levels and frequency in narrow tolerance bands. As any other system, a power system is frequently subject to changes in operating conditions, which find their cause in faults or the loss of a major generating unit. With the goal of controlling the two variables, specific devices are often equipped in generating units. Frequency regulation, the topic covered in this work, is directly related to the active power balance in the system. In order for a unit to be able to control its mechanical power and consequently system frequency, a device called a speed governor is installed. Performance of said speed governors varies widely depending on the type of resource a power plant is based on. The usual practice in power systems is to rely on thermal power plants to conduct primary frequency control, especially in isolated or weaker grids where few generators exist. The core objective of this thesis is to determine to what degree hydroelectric power plants can contribute to primary frequency regulation in isolated grids. This goal is achieved by first defining the relevant dynamic models of hydraulic turbines and speed governors and then establishing parameter requirements that lead to optimum governor performances. Lastly, transient stability simulations are performed in order to form a conclusion about the influence of hydroelectric speed governing in system frequency control.