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Integration of Large Wind Farms into Weak Power Grids – Emphasis on the Ethiopian Interconnected System (ICS)

Gessesse, Belachew Bantyirga

Die Auswirkungen des erhöhten Windenergieanteils auf dem stationären und dynamischen Verhalten des äthiopischen Verbundnetzes ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Integration der Windenergieanlagen in das bestehende Netz, das überwiegend von konventionellen Synchrongeneratoren versorgt wird, stellt vor einer Reihe von Herausforderungen in Bezug auf Systemsicherheit, Planung und Betriebsführung. Die wesentlichen Unterschiede herrühren von der Ungewissheit bezüglich der zu erwartenden Windgeschwindigkeit und der Reaktionszeit der Regeleinrichtungen nach einer Störung. Zur Einbeziehung der Modelle der Windturbinen in das Gesamtsystemmodel, um den Einfluss des Windes auf Gesamtsystemverhalten zu untersuchen, wurde zunächst umfangreiche Literaturstudie im Hinblick auf Stand der Technik und gängige Regelkonzepte durchgeführt. Auf der Basis der gewonnen theoretischen Einsicht und Erkenntnisse wurden geeignete Modelle für das zu untersuchende Netz abgeleitet. Da die Modelle der installierten Anlagen entweder nicht verfügbar oder unvollständig waren, wurde eine alternative Modellierung auf der Basis generischer Modelle angewandt. Das generische Modell umgeht die Notwendigkeit der technologie- oder herstellerspezifischen Informationen bezüglich Modellstruktur und Parameter und reduziert somit die Komplexität des dynamischen Modells und der Anzahl der erforderlichen Parameter. Bevor Verwendung wurden die generischen dynamischen Modelle ihre Fähigkeit, das dynamische Verhalten des Netzes originalgetreu wiederzugeben, durch Vergleich mit Simulationsergebnissen basierend auf dem vollständigen Modell verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die generische Modellierung eine geeignete Vorgehensweise ist, um den Einfluss der Windturbine oder ganzer Windparks in einfacher Art und Weise in dynamischer Systemstudie zu berücksichtigen. Die nächste Aufgabe war die detaillierte Untersuchung des Einflusses von erhöhtem Windanteil auf das allgemeine Verhalten des äthiopischen Systems. Die Auswirkungen der Windkraftanlagen auf das System konnte anhand von umfangreicher Simulationsrechnungen analysiert und quantifiziert werden. Der Windeinfluss, wie zu erwarten war, ist in der Nähe des Windparks ausgeprägter. Aber die Polradwinkelschwingung nach einer Störung macht sich im gesamten System bemerkbar. Weiterhin sind als Folge der Entkopplung der rotierenden Masse der Windenergieanlagen vom Rest des Systems und der Reduktion des Gesamtträgheitsmoments wird die Generatorpolradschwingung stärker ausgeprägt. Es wird beobachtet, dass die kritische Fehlerklärungszeit langsam mit einer Zunahme der Windkraft sinkt, aber diese Änderung ist nicht bedeutsam. In der nachfolgenden Stufe wurden Untersuchungen bezüglich des Kleinsignalverhaltens des Systems mit steigendem Windenergieanteil durch die Berechnung von Eigenwertspektrum des Systems durchgeführt. Die folgenden allgemeinen Schlussfolgerungen lassen sich aus der Analyse ableiten: • Der Effekt der Verdrängung von konventionellen Generatoren durch Windkraftanlagen in Bezug auf die kleinen Signalverhalten und Dämpfungsverhalten der dominanten Modi kann als gering bezeichnet werden. • Die gleiche Schlussfolgerung kann bezüglich Laständerung im stationären Zustand erreicht werden. Die Auswirkungen der Systemlast ohne Windkraft und mit maximaler Windenergie haben wenig Einfluss auf die Dämpfung des Systems. • Auf der Grundlage dieser Untersuchungen kann gefolgert werden, dass die Integration von großen Windparks nicht das Kleinsignalverhalten des äthiopischen Systems in hohem Maße zu beeinflusst. Schließlich wurde die Notwendigkeit der Einführung von Standard und Grid Code für Windenergieanlagen im äthiopischen System hervorgehoben. Basierend auf der detaillierten Untersuchung, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt worden sind, und aus Erfahrungen anderer Länder, wurde eine neue äthiopische Windenergie-Grid Code vorgeschlagen.

The impact of increased wind power on the steady state and dynamic behavior of the Ethiopian power system is the main focus of this thesis. The integration of wind power to the existing grid with conventional generators introduces new set of challenges regarding system security and operational planning, the main cause of the difference arising from the uncertainty of the primary source of energy and the response time following a disturbance. For incorporating wind turbine models into the overall dynamic model of the system and investigating the effect of wind on the dynamic behavior of the wind first models of wind turbine components were put together by reviewing the current state of the art in wind turbine modeling and control concepts. The theoretical insight thus gained was applied to the Ethiopian power system as a case study. Since the models of the installed turbines were either not available or incomplete, an alternative modeling approach based on generic models was adopted. The generic model, in addition to obviating the need for technology or manufacturer specific models, reduces the complexity the dynamic model. Using this procedure, generic dynamic models for wind farm in the system were developed. The capability of dynamic models to reproduce the dynamic response of the system has been verified by comparing simulation results obtained with a detailed and generic wind farm model. It could be shown that the generic wind turbine model is simple, but accurate enough to represent any wind turbine types or entire wind farms for power system stability analysis. The next task was the study of the effect of increased wind power level on the general behavior of the Ethiopian system. It is observed that overall the impact of wind turbines on the operational indices of the system was –as could be expected- more pronounced in the vicinity of the wind farm. But the power angle oscillation following a disturbance was observed across the whole system. Further, as a result of the decoupling of the mechanical rotor of the wind turbine grid and the reduction of the overall system inertia as a result, the oscillation of generators becomes more pronounced as more and more conventional generators are replaced by wind turbines. It is observed that the critical fault clearing time slowly decrease with an increase in wind power level indicating insignificant degradation of system security in the system. In the subsequent stage investigations were performed regarding the small signal (dynamic) stability of the system as the share of wind increases by computing the eigenvalue spectrum of the system. The following general conclusions can be deduced from the analysis: • The effect of replacing conventional generators by wind turbines as regards the small signal behavior of the system as reflected by the damping behavior of the dominant Beles hydropower plant unit (BEL) can be characterized as minor. • The same conclusion can be reached regarding load changes in steady state. The impact of system load levels with no wind power and with maximum wind generation on the damping performance of the system suggests that the damping performance of the system is not significantly affected either by the level of system load or the amount of wind generation. • On the basis of these investigations, it can be concluded that the integration of large scale wind generation does not appear to affect the overall small signal stability of the Ethiopian power system. Finally, with the increasing level of penetration of wind, the need for establishing a standard operating practice such as grid code for wind turbines becomes obvious. Based on the detailed study performed in this research and the experiences of other countries a new Ethiopian wind grid code has been proposed

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Gessesse, Belachew Bantyirga: Integration of Large Wind Farms into Weak Power Grids – Emphasis on the Ethiopian Interconnected System (ICS). 2013.

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