Power system stabilizer optimization on large electrical networks

Electromechanical oscillations were detected in power systems as soon as synchronous generators were interconnected to deliver more power capacity and supply reliability. These oscillations are manifested in the relative motions of generator mechanical axes accompanied by power and voltage oscillations. Some characteristics of modern largescale electric power systems, such as long transmission distances over weak grids, highly variable generation patterns and heavy loading, tend to increase the probability of appearance of sustained electromechanical oscillations. Both local and inter-area oscillation modes of different frequencies might appear simultaneously in different parts of large-scale systems. Such oscillations threaten the secure operation of power systems and if not controlled efficiently can lead to generator outages, line tripping and even large-scale blackouts. In general, an insufficient system damping can be the usual reason of electromechanical oscillations. Since the development of current network structures is limited -due to both available resources and environmental considerations- most of the efforts for electromechanical oscillations damping focus on setting different controllers such as Power System Stabilizers (PSSs), Thyristor Controlled Series Compensators (TCSCs) and so on. These damping controllers mostly use local measurements as their inputs. Then, their control rules and parameters are determined in offline studies using time-domain simulations, eigenvalue analysis, and usually remain fixed in practice. Between different controllers available for damping of electromechanical oscillations, PSSs are widely used in power plants. Having the knowledge of limited possible reinforcement in the network together with the fact that PSSs are already accessible in most of the plants, lead us to the idea of maximizing the effect of PSSs by fine-tuning of their parameters. To this end, this thesis proposes a software development for PSS parameters optimization on large electrical networks with the aim of maximizing the damping of electromechanical oscillations. In particular, this software application is able to import the results of the modal analysis carried out on a large electrical network (e.g. Italian network), and use these outputs as the inputs for the process of optimization of PSSs.

Nei sistemi di trasmissione di energia elettrica si sono rilevate oscillazioni elettromeccaniche sin da quando, alla ricerca di maggiore capacità produttiva e affidabilità, sono state introdotte le macchine sincrone come sistemi di generazione. Tali oscillazioni si manifestano in moti relativi rispetto all’asse meccanico del generatore, corredati da oscillazioni di tensione e di potenza. Alcune caratteristiche dei moderni sistemi di trasmissione su larga scala, quali ad esempio la trasmissione di energia su lunghe distanze nel caso di reti deboli, la produzione altamente variabile e il forte caricamento delle linee, tendono ad aumentare la probabilità di comparsa di oscillazioni elettromeccaniche. Entrambi i modi di oscillazione locali e inter-area possono apparire contemporaneamente e per varie frequenze in diverse parti del sistema di trasmissione, andando pertanto a influenzarne il funzionamento e la sicurezza. Di fatto, se non controllate in modo efficace, tali oscillazioni possono portare al fuori servizio dei generatori, a scatti intempestivi delle linee e persino blackout su larga scala della rete. In generale, un insufficiente smorzamento può essere la tipica causa dell’insorgere di oscillazioni elettromeccaniche all’interno della rete di trasmissione. Dal momento che attualmente lo sviluppo delle infrastrutture di rete è limitata, sia dalle risorse disponibili che da considerazioni di carattere ambientale, la maggior parte degli sforzi per poter smorzare le oscillazioni elettromeccaniche è focalizzata sulla taratura dei diversi sistemi di controllo, quali ad esempio i Power System Stabilizer (PSS) o Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC). Tali sistemi utilizzano come ingresso per lo più misure locali, avendo inoltre regole di controllo e parametri determinati in studi fuori linea attraverso simulazioni nel dominio del tempo e analisi agli autovalori. Tra i diversi sistemi di controllo disponibili per lo smorzamento delle oscillazioni elettromeccaniche, i PSS sono quelli più ampiamenti utilizzati nel caso di centrali elettriche. Pertanto la limitata possibilità di installazione dei rinforzi nella rete di trasmissione unitamente al fatto che i PSS sono già accessibili nella maggior parte delle centrali, ci portano all'idea di dover massimizzare il loro effetto in modo da ridurre le oscillazioni mediante una corretta configurazione dei parametri. A tal fine, questa tesi propone lo sviluppo di un tool e di metodologie per l’ottimizzazione dei parametri dei PSS, nel caso di reti elettriche fortemente magliate, con l'obiettivo di massimizzare lo smorzamento delle oscillazioni elettromeccaniche. In particolare, la iv soluzione adottata è in grado di importare i risultati dell’analisi modale effettuata su una rete elettrica di grandi dimensioni (quale ad esempio può essere la rete di trasmissione nazionale italiana), e utilizzare tali dati come ingressi per il processo di ottimizzazione dei PSS.