IMPROVING VOLTAGE STABILITY OF WIND FARM

IMPROVING VOLTAGE STABILITY OF WIND FARMS CONNECTED TO WEAK GRIDS USING FACTS By Eng MOHSEN GALAL YAHIA KAMEL A Thesis Submitted to the Faculty of Engineering at Cairo University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of MASTER OF SCIENCE In Electrical Power and Machines Engineering FACULTY OF ENGINEERING, CAIRO UNIVERSITY GIZA, EGYPT 2015 IMPROVING VOLTAGE STABILITY OF WIND FARMS CONNECTED TO WEAK GRIDS USING FACTS By Eng MOHSEN GALAL YAHIA KAMEL A Thesis Submitted to the Faculty of Engineering at Cairo University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of MASTER OF SCIENCE In Electrical Power and Machines Engineering Under the Supervision of Prof Dr.: Essam-Eldin Aboul Zahab Dr.: Mohamed Shawky Mohamed Saad Electrical Power & Machines Electrical Power & Machines Faculty of Engineering - Cairo University Faculty of Engineering - Cairo University FACULTY OF ENGINEERING, CAIRO UNIVERSITY GIZA, EGYPT 2015 ii IMPROVING VOLTAGE STABILITY OF WIND FARMS CONNECTED TO WEAK GRIDS USING FACTS By Eng MOHSEN GALAL YAHIA KAMEL Electrical Power & Machines, Department Faculty of Engineering-Cairo University A Thesis Submitted to the Faculty of Engineering at Cairo University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of MASTER OF SCIENCE In Electrical Power and Machines Engineering Approved by the Examining Committee: Prof Dr Essam-Eldin Aboul Zahab, Thesis Main Advisor Electrical Power & Machines, Cairo University …………………… Prof Dr Mahmoud Ibrahim Gilani, Member Electrical Power & Machines, Cairo University Prof Dr Amr Mohamed Abdel Halim Amin, Member Acting Dean, Faculty of Engineering, Helwan University …………………… …………………… FACULTY OF ENGINEERING, CAIRO UNIVERSITY GIZA, EGYPT 2015 iii Engineer: Mohsen Galal Yahia Kamel Date of Birth: Nationality: Egyptian E-mail: mohsen_gy@hotmail.com Phone: Address: Registration Date: / 10 / 2010 Awarding Date: 21 / 04 / 2015 Degree: Master of Science Department: Electrical Power and Machines Engineering Supervisors: Prof Dr Essam-Eldin Aboul Zahab Dr Mohamed Shawky Saad Examiners: Prof Dr Essam-Eldin Aboul Zahab Prof Dr Mahmoud Ibrahim Gilani Prof Dr Amr Abdel Halim Amin, Faculty of Engineering – Helwan University Title of Thesis: Improving Voltage Stability of Wind Farms Connected to Weak Grids Using Fact Key Words: Wind Farms, Voltage stability, Weak Grids, SVC, STATCOM Summary: Wind energy has become one of the subjects of much recent research and development all over the world Interconnection of wind farms into power grids, especially weak grids, brings voltage stability problems during grid-side disturbances This paper studies the voltage stability of a large doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind farm, connected to a modified IEEE 14 bus network during system disturbances such as load change, three-phase fault, or voltage swell/sag Flexible AC transmission system devices (FACTS), such as static bar compensator (SVC) and static synchronous compensator (STATCOM), are installed along with wind farms to maintain voltage and frequency within grid codes The strategy focuses on a fundamental grid operational requirement to maintain proper voltages at the point of common coupling by regulating voltage This may offer enhancement of grid stability and can facilitate grid code compliance for wind power plants The proposed system shows an excellent performance, it maintains the voltage constant by injection controllable reactive power during system disturbances iv ACKNOWLEDGMENT I would like to express my sincere appreciation and my deepest gratitude to my advisor, Prof Dr Essam Aboul Zahab for the helpful supervision, and encouragement, for suggestion of the research point of this study and continuous guidance I would like to express my deepest gratitude to Dr Mohamed Shawky Saad for his support and guidance during this study I would like to express my deepest gratitude and appreciation to my Family, especially my Father, my Mother and my Wife for their invaluable help, continual encouragements and moral supports Finally, and to all of those, I would like to say: There are no words to express my gratitude v TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENT v TABLE OF CONTENTS vi LIST OF FIGURES ix LIST OF TABLES xiii LIST OF ABBREVIATIONS AND SYMBOLS xiv ABSTRACT xviii CHAPTER INTRODUCTION CHAPTER BACKGROUND Global Wind Power Wind Energy in Egypt Power System Stability Rotor Angle Stability Frequency Stability Voltage Stability Voltage Stability Definitions Classification of Voltage Stability P-V Curves 11 Power Quality Problems 12 Voltage Sags 12 Voltage Swell 13 Low Voltage Ride Through 14 Weak grid 15 Wind Turbine Concepts and Generator Types 16 History 16 Wind turbine concepts 16 Fixed speed concept 17 Limited variable speed concept (with variable rotor resistance) 18 Variable speed concept with a partial-scale power converter 18 Variable speed direct-drive concepts with a full-scale power converter 19 Variable speed single-stage geared concept with a full-scale power converter 21 vi Variable speed multiple-stage geared concept with a full-scale power converter 22 Other potential generator types of different wind turbine concepts 23 Reasons for Choosing a DFIG 24 Doubly-Fed Induction Generator and Behavior after Fault 24 Doubly-fed induction generator operation 25 Using DFIG to produce fixed-frequency voltages 27 DFIG instead of an asynchronous generator in wind turbines 28 DFIG under grid disturbance 29 DFIG under fault 29 Behavior immediately after the fault 30 Fault-ride-through fundamentals for DFIGs 30 FACTS Controllers in an Integrated Wind Farm 30 Overview of FACTS 31 Static Var Compensator (SVC) 33 Static Synchronous Compensation (STATCOM) 34 Differences between SVC and STATCOM 36 Benefits and Costs of Shunt FACTS 37 Costs 39 CHAPTER ISSUES OF WIND FARMS INTEGRATION TO THE POWER SYSTEM 40 Impacts of Wind Farms on Power Quality 40 Voltage variations 40 Steady state voltage 40 Voltage fluctuations 40 Requirements of Wind Farm Connection into Power Systems 41 Wind Farm Operation and Stability Improvement 41 DFIG contribution to LVRT 41 DC-link current limitation 42 Using FACTS Devices 45 CHAPTER SYSTEM MODELING 50 Dynamic Modeling of a Wind Farm 50 Turbine model (with Pitch Angle Control) 50 Dynamic shaft 53 vii Doubly-Fed Induction Generator 54 Network Interface 54 Machine Electro-Magnetic Equations 55 Turbine and Machine Mechanical Equations 56 VSC Regulators 56 The IEEE 14-Bus Benchmark System 58 FACTS Devices Models 58 Static Var Compensator 59 Static Synchronous Compensator 60 Induction Motor 61 CHAPTER TEST SYSTEM AND SIMULATION RESULTS 63 Test System 63 Continuation Power Flow Analysis 65 Different Loads Effect on Voltage Stability 66 Simulation Results 67 Sudden Load Change 67 Three Phase Short Circuit Faults 71 Voltage Swelling 76 Voltage Sagging 77 The System Connected to Different Compensation Devices 78 Sudden Load Change with 50 MVA FACTS Device 78 Three Phase Short Circuit Fault with 50 MVA FACTS Device 81 Sudden Load Change with Shunt Fixed Capacitor and 50 MVA FACTS Device 82 Discussion of the Results 84 5.6.1 Cost Comparison …………………… …………………………………… 86 How to Select the Proper FACTS Devices Size 86 CHAPTER Conclusion and Future Work 90 Conclusion 90 Future Work 91 REFERENCES 92 APPENDIX A IEEE 14-Bus System Data 101 APPENDIX B Power Flow Report 106 viii LIST OF FIGURES Figure (2-1): Annual installed global capacity 1996-2013 (GWEC) Figure (2-2): Overview map for the Gulf of Suez in Egypt Figure (2-3): Classification of power system stability Figure (2-4): P-V Curve 11 Figure (2-5): Voltage sag waveform 12 Figure (2-6): Voltage swell waveform 13 Figure (2-7): The LVRT capability curve (E.ON Netz) 15 Figure (2-8): The first automatically operated wind turbine, built in Cleveland in 1887 by Charles F Brush 16 Figure (2-9): Scheme of a fixed speed concept with SCIG system 17 Figure (2-10): Scheme of a limited variable speed concept with WRIG system (Optislip) 18 Figure (2-11): Scheme of a variable speed concept with DFIG system 19 Figure (2-12): Scheme of a direct-drive EESG system 20 Figure (2-13): Scheme of a direct-drive PMSG system 20 Figure (2-14): Scheme of a single-stage drive PMSG system with a full-scale converter 21 Figure (2-15): Scheme of a multiple-stage geared PMSG system with a full-scale converter 22 Figure (2-16): Scheme of a multiple-stage geared SCIG system with a full-scale converter 23 Figure (2-17): Scheme of a BDFIG system with a partial-scale converter 23 Figure (2-18): Typical DFIG topology 25 Figure (2-19): Interaction between the rotor speed and the frequency of the rotating magnetic field created in the rotor windings of a doublyfed induction generator 27 Figure (2-20): block diagram of DFIG with fault on grid side 29 Figure (2-21): Overview of major FACTS controllers 32 Figure (2-22): Basic structures of Thyristor Controlled Reactor (TCR) and its characteristics 34 Figure (2-23): STATCOM scheme with equivalent circuit representation 35 Figure (2-24): Schematic representation of working principle of STATCOM 35 ix Figure (3-1): Required Ride-Through Capability for voltage dips greater than 0.14 sec 42 Figure (3-2): DFIG with crowbar protection 42 Figure (3-3): DFIG bypass resistors in the rotor circuit 43 Figure (3-4): Anti-parallel thyristors in series with the stator circuit 44 Figure (3-5): Vector control simulation of DFI 44 Figure (3-6): STATCOM plus supercapacitor energy storage system 48 Figure (4-1): Controlled speed wind turbine with doubly-fed asynchronous generator 50 Figure (4-2): Pitch angle control diagram 52 Figure (4-3): Speed-power characteristic of the wind turbine The pitch angle is assumed 𝜽𝒑 = 𝟎 to plot the 𝒑𝒘(𝝎𝒕, 𝝊𝒘, 𝜽𝒑) curve 52 Figure (4-4): Optimal and implemented control, speed-power characteristics 53 Figure (4-5): Rotor speed control diagram 57 Figure (4-6): Voltage control diagram of the doubly-fed asynchronous generator 57 Figure (4-7): IEEE 14-bus test system 58 Figure (4-8): SVC schemes, firing angle model 59 Figure (4-9): SVC control diagram 60 Figure (4-10): STATCOM scheme 60 Figure (4-11): STATCOM circuit and control diagra 61 Figure (4-12): Electrical circuit of the first-order induction machine model 62 Figure (5-1): Wind farm connected to 14-bus test system in the proposed simulation model 64 Figure (5-2): The CPF analysis for the modified 14 Bus system containing the WF without compensation 66 Figure (5-3): Voltage terminal at wind farm bus during load increase 67 Figure (5-4): Reactive power supplied by WF during load increase at t = 5s 68 Figure (5-5): Wind farm q-axis component of the DFIG generator rotor current 69 Figure (5-6): Reactive power produced by the SVC and STATCOM during load increase at t = s 70 Figure (5-7): Reactive power transferred to grid during load increase at t = s, through bus 08 71 Figure (5-8): Wind farm bus voltages during 3-phase SC fault at t = s 71 x 13 13.8 0.189 0.0812 - 14 13.8 0.2086 0.07 - A1 0.690 0.8049 0.7178 - A2 18 - - - A3 0.690 - - - Table A-2 Static generator data Bus Type # 𝑝𝐺 𝜐𝐺 𝑞𝐺max 𝑞𝐺min pu pu pu pu 01 Slack 5.1918 1.06 2.5 -2.5 02 PV 1.2 1.045 0.5 -0.4 03 PV 1.01 0.8 -0.2 06 PV 1.07 0.8 -0.2 08 PV 1.09 0.8 -0.2 A1 PV 1.0 1.0 0.9 -0.9 A3 PV 1.0 0.45 -0.45 Table A-3 Transmission line and transformer data From Bus (𝑘) To Bus (ℎ) Type 𝑟ℎ𝑘 𝑥ℎ𝑘 𝑏ℎ = 𝑏𝑘 𝑚 pu pu pu pu⁄pu # # 01 02 Line 0.01938 0.05917 0.0528 - 01 05 Line 0.05403 0.22304 0.0492 - 02 03 Line 0.04699 0.19797 0.0438 - 02 04 Line 0.05811 0.17632 0.0374 - 02 05 Line 0.05695 0.17388 0.034 - 03 04 Line 0.06701 0.17103 0.0346 - 04 05 Line 0.01335 0.04211 0.0128 - 04 07 Transf 0.20912 0.978 04 09 Transf 0.55618 0.969 05 06 Transf 0.25202 0.932 𝑏 Susceptance in pu (F/km) 𝑚 Fixed tap ratio (pu/pu) 102 06 11 Line 0.09498 0.1989 - 06 12 Line 0.12291 0.25581 - 06 13 Line 0.06615 0.13027 - 07 08 Transf 0.17615 1.0 07 09 Line 0.11001 - 09 10 Line 0.03181 0.0845 - 09 14 Line 0.12711 0.27038 - 10 11 Line 0.08205 0.19207 - 12 13 Line 0.22092 0.19988 - 13 14 Line 0.17093 0.34802 - 08 A2 Line 0.00375 0.0375 - A1 A2 Transf 0.01 0.02 0.9617 A1 A3 Line 0.0012 - A.3 Dynamic Data The following is the data of the synchronous machine used on the model on bus Also, the turbine governor data are depicted A.3.1 Synchronous Generator Data Machine dynamic order is 6th order, 𝑆𝑛 = 120 MVA, 𝑟𝑎 = 0.0031 pu, 𝑥ℓ = pu 𝑥𝑑 = 1.05 pu, 𝑥′𝑑 = 0.185 pu, 𝑥′′𝑑 = 0.13 pu, 𝑇′𝑑0 = 6.1 s, 𝑇′′𝑑0 = 0.04 s, 𝑥𝑞 = 0.98 pu, 𝑥′𝑞 = 0.35 pu, 𝑥′′𝑞 = 0.13 pu, 𝑇′𝑞0 = 0.3 s, 𝑇′′𝑞0 = 0.099 s, 𝐷 = pu, and 𝐻 = 6.54 MWs⁄MVA A.3.2 Turbine Governor Data Machine governor data used in bus depicted in Table A-4 Table A-4 Turbine governor data Bus 𝑅 𝑇𝑠 𝑇𝑐 𝑇3 𝑇4 𝑇5 𝑝max 𝑝min # pu s s s s s pu pu 0.02 0.10 0.45 12 50 1.2 0.3 103 A.3.3 Induction motor data Machine dynamic order is 3rd order, 𝑅𝑠 = 0.029 pu, 𝑋s = 0.087 pu, 𝑅𝑟1 = 0.034 pu, 𝑋𝑟1 = 0.162 pu, 𝑋𝑚 = 3.08 pu, 𝐻𝑚 = 0.833 kWs/𝑘𝑉𝐴, 𝑠𝑡 𝑛𝑑 𝑟𝑑 coff of τ𝑚 (𝜔) = 0.8 pu, coff of τ𝑚 (𝜔) = pu, coff of τ𝑚 (𝜔) = 0.2 pu Induction motor power and voltage data used in model depicted in Table A-5 Table A-5 Induction motor power data Bus Power Voltage # MVA kV 03 50 69 05 50 69 06 30 13.8 08 20 18 09 20 13.8 12 30 13.8 A1 20 0.69 A.3.4 Wind turbine data The variable speed wind turbine with DFIG on bus A1 data is as follows: A.3.4.1 Mechanical data 𝑛gen = 50, 𝑛𝑝𝑜𝑙𝑒 = 4, 𝑛 𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 = 3, 𝜂𝐺𝐵 = 1/86.5, 𝐻𝑡 = 2.5 MWs/MVA, 𝐻𝑚 = 0.5 MWs/MVA, and 𝐾𝑝 = 10 rad/pu 𝐾𝑠 = pu, 𝜌 = 1.225 kg⁄m , 𝑅 = 75 m, 𝑇𝑝 = 𝑠, A.3.4.2 DFIG data 𝐾𝑉 = 10 pu/pu/s, 𝑇𝜖 = 0.01 s, 𝑟𝑟 = 0.018 pu, 3.8 pu, 𝑥𝑟 = 0.018 pu, and 𝑥𝑠 = 0.075 pu 𝑟𝑠 = 0.048 pu, 𝑥𝜇 = A.3.5 FACTS Data Two types of FACTS devices are studied in details on Section 2.10., SVC and STATCOM The following is the parameters data of each: 104 A.3.6.1 SVC SVC Type II data used in Section 4.4.1 is depicted in Table A-6 Table A-6 SVC Type II data # 𝑣 ref pu A3 rad/pu 𝐾𝐷 - pu/pu 𝑇1 s 1.0 3000 80 1.0 0.01 𝑇2 s 𝑇𝑚 s 𝑥𝐶 Pu 𝑥𝐿 pu 𝛼 max rad 𝛼 rad 0.8 0.01 0.55 1.25 1.0 -1.0 Bus 𝐾 𝐾𝑀 A.3.6.1 STATCOM The data of the detailed STATCOM device used in Section 4.4.2 is depicted in Table A-7 STATCOM data Table A-7 STATCOM data # 𝑣 ref pu A3 1.0 Bus 𝑖 max 𝑖 pu/pu 𝑇𝑟 s pu pu 50 0.1 1.1 -1.0 𝐾𝑟 105 APPENDIX B POWER FLOW REPORT POWER FLOW REPORT PSAT 2.1.6 NETWORK STATISTICS Buses: 16 Lines: 17 Transformers: Generators: Loads: 12 SOLUTION STATISTICS Number of Iterations: Maximum P mismatch [pu] Maximum Q mismatch [pu] Power rate [MVA] 100 POWER FLOW RESULTS Bus V [pu] phase [rad] Pgen [pu] Bus 01 1.06 Bus 02 1.045 Bus 03 Qgen [pu] PLoad [pu] QLoad [pu] 5.1918 -0.08482 0 -0.19688 2.0498 0.3038 0.1778 1.01 -0.50548 1.5294 1.8308 0.56017 Bus 04 0.9378 -0.40781 0 0.6692 0.056 Bus 05 0.93241 -0.36467 0 0.5993 0.32012 Bus 06 1.01 -0.6593 1.1506 0.46401 0.2815 Bus 07 0.95663 -0.54616 0 106 Bus 08 1.0124 -0.54848 0 0.20478 0.11765 Bus 09 0.92795 -0.61961 0 0.61873 0.35365 Bus 10 0.931 -0.63515 0 0.126 0.0812 Bus 11 0.96481 -0.65047 0 0.049 0.0252 Bus 12 0.92198 -0.71126 0 0.39413 0.20507 Bus 13 0.95606 -0.69065 0 0.189 0.0812 Bus 14 0.91103 -0.68204 0 0.2086 0.07 Bus A1 -0.54371 1.1686 0.8049 0.7178 Bus A2 1.0293 -0.54315 0 0 Bus 01 1.06 5.1918 -0.08482 0 STATE VARIABLES slip_Ind_1 0.03987 e1r_Ind_1 0.6058 e1m_Ind_1 0.62509 slip_Ind_2 0.04086 e1r_Ind_2 0.62514 e1m_Ind_2 0.5901 slip_Ind_3 0.05047 e1r_Ind_3 0.66606 e1m_Ind_3 0.39037 slip_Ind_4 0.04895 e1r_Ind_4 0.4961 e1m_Ind_4 0.60727 slip_Ind_5 0.03987 e1r_Ind_5 0.69442 e1m_Ind_5 0.52489 slip_Ind_6 0.03964 107 OTHER ALGEBRAIC VARIABLES vf_Syn_1 2.8863 pm_Syn_1 1.0123 p_Syn_1 q_Syn_1 2.0498 wref_Tg_1 ws_Wind_1 1.1427 pwa_Dfig_1 vref_Dfig_1 1.1192 LINE FLOWS From Bus To Bus Line Pflow [pu] Qflow [pu] PLoss [pu] QLoss [pu] Bus 02 Bus 05 1.0686 0.3868 0.06812 0.17464 Bus 06 Bus 12 0.29116 0.21253 0.01566 0.03259 Bus 12 Bus 13 -0.11863 -0.02513 0.00382 0.00346 Bus 06 Bus 13 0.35503 0.24158 0.01196 0.02355 Bus 06 Bus 11 0.05409 0.20385 0.00414 0.00867 Bus 11 Bus 10 0.00095 0.16998 0.00255 0.00596 Bus 09 Bus 10 0.12845 -0.08056 0.00085 0.00226 Bus 09 Bus 14 0.18446 -0.02256 0.0051 Bus 14 Bus 13 -0.02924 -0.10341 0.00238 0.00484 Bus 08 Bus A2 10 -0.19203 -0.43799 0.00084 0.00837 Bus 07 Bus 09 11 0.59219 0.27112 Bus 01 Bus 02 12 3.4937 -0.54357 0.21508 0.59817 Bus 03 Bus 02 13 -1.5164 0.41089 0.11457 0.43645 Bus 03 Bus 04 14 -0.31438 0.5583 0.02828 0.03932 Bus 01 Bus 05 15 1.6982 0.45875 0.15005 0.57039 Bus 05 Bus 04 16 0.78502 -0.35441 0.01133 0.02455 Bus 02 Bus 04 17 1.2752 0.31786 0.09262 0.24416 Bus A1 Bus A2 18 0.1951 0.45082 0.00223 0.00446 Bus 05 Bus 06 19 1.1643 0.13482 108 0.01084 0.05099 0.3459 Bus 04 Bus 09 20 0.33945 0.10542 0.07502 Bus 04 Bus 07 21 0.60494 0.0523 0.08385 Bus 08 Bus 07 22 -0.01275 0.32034 0.01767 LINE FLOWS From Bus To Bus Line Pflow [pu] Qflow [pu] PLoss [pu] QLoss [pu] Bus 05 Bus 02 -1.0005 -0.21216 0.06812 0.17464 Bus 12 Bus 06 -0.2755 -0.17994 0.01566 0.03259 Bus 13 Bus 12 0.12245 0.02858 0.00382 0.00346 Bus 13 Bus 06 -0.34307 -0.21803 0.01196 0.02355 Bus 11 Bus 06 -0.04995 -0.19518 0.00414 0.00867 Bus 10 Bus 11 0.0016 -0.16402 0.00255 0.00596 Bus 10 Bus 09 -0.1276 0.08282 0.00085 0.00226 Bus 14 Bus 09 -0.17936 0.03341 0.0051 0.01084 Bus 13 Bus 14 0.03162 0.10825 0.00238 0.00484 Bus A2 Bus 08 10 0.19287 0.44636 0.00084 0.00837 Bus 09 Bus 07 11 -0.59219 -0.22013 0.05099 Bus 02 Bus 01 12 -3.2786 1.1417 0.21508 0.59817 Bus 02 Bus 03 13 1.631 0.02555 0.11457 0.43645 Bus 04 Bus 03 14 0.34266 -0.51898 0.02828 0.03932 Bus 05 Bus 01 15 -1.5481 0.11164 0.15005 0.57039 Bus 04 Bus 05 16 -0.77369 0.37897 0.01133 0.02455 Bus 04 Bus 02 17 -1.1826 -0.0737 0.09262 0.24416 Bus A2 Bus A1 18 -0.19287 -0.44636 0.00223 0.00446 Bus 06 Bus 05 19 -1.1643 0.21109 0.3459 Bus 09 Bus 04 20 -0.33945 -0.0304 0.07502 Bus 07 Bus 04 21 -0.60494 0.03155 0.08385 Bus 07 Bus 08 22 0.01275 -0.30267 0.01767 109 GLOBAL SUMMARY REPORT TOTAL GENERATION REAL POWER [pu] 7.1918 REACTIVE POWER [pu] 5.8135 TOTAL LOAD REAL POWER [pu] 6.4623 REACTIVE POWER [pu] 3.0474 TOTAL LOSSES REAL POWER [pu] 0.72957 REACTIVE POWER [pu] 2.7661 110 ‫تحسين استقرار الجهد الكهربي لمزارع الرياح المتصلة بشبكات‬ ‫ضعيفة باستخدام أنظمة النقل المرنة‬ ‫اعداد‬ ‫المهنـدس ‪ /‬محسن جالل يحيى كامل‬ ‫رسالة مقدمة إلى كلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫كجزء من متطلبات الحصول على درجة ماجستير العلوم‬ ‫في‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫كليــة الهندســة ‪-‬جامعــة القاهــرة‬ ‫الجيـزة ‪-‬جمهوريـة مصـر العربيــة‬ ‫‪5102‬‬ ‫تحسين استقرار الجهد الكهربي لمزارع الرياح المتصلة بشبكات‬ ‫ضعيفة باستخدام أنظمة النقل المرنة‬ ‫اعداد‬ ‫المهنـدس ‪ /‬محسن جالل يحيى كامل‬ ‫رسالة مقدمة إلى كلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫كجزء من متطلبات الحصول على درجة ماجستير العلوم‬ ‫في‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫تحت اشراف‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬عصام الدين محمد أبو الذهب‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫كلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫د‪ ‬محمد شوقي محمد سعد‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫كلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫كليــة الهندســة ‪-‬جامعــة القاهــرة‬ ‫الجيـزة ‪-‬جمهوريـة مصـر العربيــة‬ ‫‪5102‬‬ ‫تحسين استقرار الجهد الكهربي لمزارع الرياح المتصلة بشبكات‬ ‫ضعيفة باستخدام أنظمة النقل المرنة‬ ‫اعداد‬ ‫المهنـدس ‪ /‬محسن جالل يحيى كامل‬ ‫رسالة مقدمة إلى كلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫كجزء من متطلبات الحصول على درجة ماجستير العلوم‬ ‫في‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫يعتمد من لجنة الممتحنين‪:‬‬ ‫االستاذ الدكتور‪ :‬عصام الدين محمد أبو الذهب‬ ‫أستاذ بكلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫االستاذ الدكتور‪ :‬محمود إبراهيم جيالني‬ ‫أستاذ بكلية الهندسة – جامعة القاهرة‬ ‫االستاذ الدكتور‪ :‬عمرو محمد عبد الحليم أمين‬ ‫أستاذ بكلية الهندسة – جامعة حلوان‬ ‫كليــة الهندســة ‪-‬جامعــة القاهــرة‬ ‫الجيـزة ‪-‬جمهوريـة مصـر العربيــة‬ ‫‪5102‬‬ ‫المشرف الرئيسي‬ ‫الممتحن الداخلي‬ ‫الممتحن الخارجي‬ ‫مهنــــــــــــــــدس‪:‬‬ ‫محسن جالل يحيى كامل‬ ‫تاريــخ الميـــــالد‪:‬‬ ‫‪0892 / / 01‬‬ ‫الجنسيـــــــــــــــة‪:‬‬ ‫مصري‬ ‫تاريخ التسجـــــيل‪:‬‬ ‫تــــــــاريخ المنـح‪:‬‬ ‫‪2101 / 01 / 0‬‬ ‫‪/‬‬ ‫‪/‬‬ ‫القســـــــــــــــــــم‪:‬‬ ‫هندسة القوى واآلالت الكهربية‬ ‫الدرجـــــــــــــــــة‪:‬‬ ‫ماجستير‬ ‫المشــــــــــرفــون‪:‬‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬عصام الدين محمد أبو الذهب‪.‬‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬محمد شوقي سعد‪.‬‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬عصام الدين محمد أبو الذهب‪.‬‬ ‫الممتحنـــــــــون‪:‬‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬محمود إبراهيم جيالني‪.‬‬ ‫أ‪.‬د‪ ‬عمرو محمد عبد الحليم أمين‪ ‬أستاذ بكلية الهندسة – جامعة حلوان‪.‬‬ ‫عنـــــوان الرسالة‪:‬‬ ‫تحسين استقرار الجهد الكهربي لمزارع الرياح المتصلة بشبكات ضعيفة‬ ‫باستخدام أنظمة النقل المرنة‬ ‫الكلمــات الدالة‪ :‬مزارع الرياح‪ ،‬استقرار الجهد‪ ،‬شبكات الكهرباء الضعيفة‪ ،‬معوض الفار الثابت‪،‬‬ ‫المعوض التزامني الثابت‪.‬‬ ‫ملخــص البحــــــث‪:‬‬ ‫مع الزيادة السريعة في اندماج طاقة الرياح على نطاق واسع في شبكات الطاقة القائمة‪ ،‬فإنه يثير العديد‬ ‫من التساؤالت في قضية استقرار الشبكات‪ ‬إن فصل العديد من توربينات الرياح في مزارع رياح الكبيرة‬ ‫خالل أخطاء الشبكة قد يبدأ في التأثير على استقرار نظام الطاقة الكلي‪ ‬عند اندماج مستويات عالية من طاقة‬ ‫الرياح إلى نظم النقل الحالية فإن عناصر تحكم إضافية ومعدات تعويض القدرة الغير فعالة لهي ضرورية‬ ‫لتمكين التعافي من االضطرابات الخطيرة في النظم الكهربية الموصلة‪.‬‬ ‫تتركز نقطة البحث في هذه الرسالة على دراسة إمكانية تمكين مزارع الرياح لتوفير الدعم لجهود الشبكة‬ ‫أثناء الظروف العادية‪ ،‬وكذلك في ظل ظروف تكون فيه جهود الشبكة ليست ضمن الحدود المطلوبة وذلك‬ ‫خالل االضطرابات واألخطاء‪ ‬يتم ذلك عن طريق ضخ كميات كبيرة من القدرة الغير فعالة خالل فترة‬ ‫استرداد الجهد‪ ،‬ويمكن تحقيق ذلك باستخدام أنظمة نقل التيار المتردد المرنة مثل معوض الفار الثابت‬ ‫والمعوض التزامني الثابت جنبا إلى جنب مع مزارع الرياح لغرض استقرار الجهد بعد االضطرابات الناشئة‬ ‫في الشبكة‪ ،‬مثل خطأ قصر الدائرة وزيادة الحمل المفاجئ وتراجع‪ /‬تزايد جهد الشبكة‪.‬‬ ‫الطريقة المستخدمة تعتمد على شرط أساسي للتشغيل المناسب للشبكات‪ ،‬وهو بالحفاظ على الجهود‬ ‫الكهربية المناسبة في نقطة االقتران المشتركة من خالل تنظيم الجهد‪ ‬هذه الطريقة قد تقدم تعزيز الستقرار‬ ‫الشبكة ويمكن أن يسهل لمحطات طاقة الرياح تحقيق التوافق مع أكود التوصيل بالشبكات الكهربية‪.‬‬ ‫ملخص الرسالة‬ ‫مع الزيادة السريعة في اندماج طاقة الرياح على نطاق واسع في شبكات الطاقة القائمة‪ ،‬فإنه‬ ‫يثير العديد من التساؤالت في قضية استقرار الشبكات‪ ‬عند تعرض مزارع الرياح المحتوية على‬ ‫المولدات الحثية مزدوجة التغذية )‪ (DFIG‬لخطأ الشبكة‪ ،‬ال يمكنها أن توفر الدعم الكافي للجهد‬ ‫وخاصة المولدات المتصلة بشبكات الكهرباء الضعيفة‪ ،‬وذلك ألن مبدل القدرة لملفات العضو الدوار‬ ‫ال يمكنها تحمل زيادة التيار لتعويض انخفاض الجهد‪ ،‬على عكس المولدات التقليدية‪.‬‬ ‫إن فصل العديد من توربينات الرياح في مزارع رياح الكبيرة خالل أخطاء الشبكة قد يبدأ في‬ ‫التأثير على استقرار نظام الطاقة الكلي‪ ‬وعلى الرغم من أن اندماج مستويات عالية من طاقة الرياح‬ ‫إلى نظم النقل الحالية ال يتطلب إعادة تصميم كبير‪ ،‬فإن عناصر تحكم إضافية ومعدات تعويض‬ ‫القدرة الغير فعالة لهي ضرورية لتمكين التعافي من االضطرابات الخطيرة في النظم الكهربية‬ ‫الموصلة‪.‬‬ ‫تتركز نقطة البحث في هذه الرسالة على دراسة إمكانية تمكين مزارع الرياح لتوفير الدعم لجهود‬ ‫الشبكة أثناء الظروف العادية‪ ،‬وكذلك في ظل ظروف تكون فيه جهود الشبكة ليست ضمن الحدود‬ ‫المطلوبة وذلك خالل االضطرابات واألخطاء‪ ‬يمكن تحسين التذبذب العابر لم ازرع الرياح عن طريق‬ ‫ضخ كميات كبيرة من القدرة الغير فعالة خالل فترة استرداد الجهد‪ ،‬ويمكن تحقيق ذلك باستخدام‬ ‫أنظمة نقل التيار المتردد المرنة )‪ (FACTS‬مثل معوض الفار الثابت )‪ (SVC‬والمعوض التزامني‬ ‫الثابت )‪ (STATCOM‬جنبا إلى جنب مع مزارع الرياح لغرض استقرار الجهد بعد االضطرابات‬ ‫الناشئة في الشبكة‪ ،‬مثل خطأ قصر الدائرة وزيادة الحمل المفاجئ وتراجع‪ /‬تزايد جهد الشبكة‪.‬‬ ‫الطريقة المستخدمة تعتمد على شرط أساسي للتشغيل المناسب للشبكات‪ ،‬وهو بالحفاظ على‬ ‫الجهود الكهربية المناسبة في نقطة االقتران المشتركة من خالل تنظيم الجهد ‪.‬هذه الطريقة قد تقدم‬ ‫تعزيز الستقرار الشبكة ويمكن أن يسهل لمحطات طاقة الرياح االمتثال للقوانين وتحقيق التوافق مع‬ ‫أكود التوصيل بالشبكات الكهربية‪.‬‬ ‫أظهر النظام المقترح أداءا ممتا از‪ ،‬فإنه يحافظ على ثبات الجهد والتردد عن طريق حقن قدرة‬ ‫غير فعالة مسيطر عليها أثناء اضطرابات النظام‪ ،‬ويساعد على التشغيل المتواصل لمولدات توربينات‬ ‫الرياح‪ ‬وتم استخدام برنامج الماتالب (‪ )MATLAB‬وبرنامج أدوات تحليل أنظمة الطاقة )‪(PSAT‬‬ ‫في عملية المحاكاة‪.‬‬ ‫وتنقسم الرسالة إلي ستة فصول نظمت على النحو التالي‪:‬‬ ‫‪ ‬الفصل األول يعرض مقدمه عامه لموضوع الرسالة‪.‬‬ ‫‪ ‬يناقش الفصل الثاني بإيجاز طاقة الرياح وزيادة استخدامها عالميا‪ ،‬ويعرض نظرة عامة حول‬ ‫استقرار التيار الكهربائي في شبكات الكهرباء الضعيفة‪ ‬ثم قارن بين األنواع المختلفة لمولدات‬ ‫الرياح مع التركيز على المولدات الحثية مزدوجة التغذية )‪ (DFIG‬ثم ينتهي الفصل‬ ‫باستعراض ألنظمة نقل التيار المتردد المرنة )‪ (FACTS‬ودمجها مع مزارع الرياح‪.‬‬ ‫‪ ‬يصف الفصل الثالث المشاكل التي تواجه توصيل مزارع الرياح بشبكات الكهرباء ضعيفة‬ ‫خالل اضطرابات الشبكة‪ ،‬والحاجة إلى دعم القدرة الغير فعالة للشبكة بتركيب أجهزة النقل‬ ‫المرنة‪.‬‬ ‫‪ ‬يصف الفصل الرابع نظام االختبار المستخدم في النمذجة حيث يتم استخدام نسخة معدلة‬ ‫من نظام اختبار لقياس األداء (‪ )IEEE 14-bus system‬كما يستعرض نموذج المحاكاة‬ ‫لمولد (‪ )DFIG‬وأجهزة (‪.)FACTS‬‬ ‫‪ ‬الفصل الخامس يستعرض نظام االختبار ويشرح نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها‪،‬‬ ‫كما يناقش النتائج‪.‬‬ ‫‪ ‬ويستعرض الفصل السادس خالصة البحث ومقترحات لنقاط بحث جديده‪.‬‬