Modelling and validation in OpenModelica of wind turbine models according to the IEC 61400-27 standard

In the current electrical systems for the transmission and distribution of energy, it is possible to experience a continuous growth of the installed capacity of the so- called renewable energy sources. In such scenario, it is important to observe how these energy sources influence the dynamic behavior of the electric grid, principally due to the uncertainty of the exploited primary sources. In this context, the study of the behavior of wind generators is of fundamental importance. This Work, carried out during a six-month internship at CESI Spa, is part of a project related to a development of a new dynamic simulator able to manage very extended and meshed transmission networks. The simulation results, once they have been properly validated, will be used for comparison with the ones produced by different modeling tools within a project of the ENTSO-E. The robustness, the accuracy, the flexibility and the high performances are the main requirements of the new simulation environment, being developed for the transient analysis of even particularly extended transmission systems. The purpose of this Work is the development of dynamic models of wind generation systems to be included in the grid simulator libraries. The software used for the models’ description is OpenModelica®. The developed models, based on the IEC 61400-27 standard, are related to wind generators DFIG (Type 3) and full-fed converter (Type 4). The thesis is dived in three parts: Theoretical review. The first three chapters are dedicated to provide an overview of the wind technology and the theoretical basis that describe it, the requirements of the grid code for the wind farm are also explained: in particular a reference to “Allegato A17” of Terna is considered. Modelling. The chapter 4 describes the software used for the modelling (OpenModelica®) and for the testing (Teseo/Dyana); while, chapter 5, after an introduction to the IEC 61400-27 standard, explains how the logical blocks have been implemented on the previously mentioned software. Test and validation. The final part of the Work, reported in chapters 6 and 7, consists in the validation and the analysis of the model responses, obtained by inserting them in a test grid with sixteen nodes, provided by CESI Spa, which allow to simulate the faults into the grid and the changes of power required to the wind generator. Such analyses are carried out in Teseo/Dyana environment.

Negli attuali sistemi elettrici per la trasmissione e distribuzione di energia, si sta assistendo ad una continua crescita della potenza installata relativa alle cosiddette fonti di energia rinnovabile. In tale scenario, è importate osservare come queste fonti di energia influenzino il comportamento dinamico della rete elettrica, a causa della stocasticità delle fonti primarie sfruttate. La generazione eolica, in particolare, ha un importante rilievo nelle reti elettriche. In tale contesto lo studio del comportamento dei generatori eolici risulta di fondamentale importanza. Questo Lavoro, svolto durante un tirocinio di sei mesi presso CESI Spa, si inserisce nel progetto relativo allo sviluppo di un nuovo simulatore dinamico in grado di gestire reti di trasmissione magliate molto estese. I risultati delle simulazioni, una volta opportunamente validati, saranno utilizzati per un confronto con differenti tool di modellazione, nell’ambito di un gruppo di lavoro dell’ENTSO-E. La robustezza, l’accuratezza, la flessibilità e le elevate performance sono i principali requisiti del nuovo ambiente di simulazione in fase di sviluppo per l’analisi dei transitori di sistemi di trasmissione di potenza anche molto estesi. Lo scopo di questo Lavoro di tesi è lo sviluppo di modelli dinamici di sistemi di generazione eolica da includere nelle librerie dei simulatori di rete. Il software utilizzato per la descrizione dei modelli è OpenModelica®. I modelli sviluppati, basati sullo standard IEC 61400-27, sono relativi ai generatori eolici DFIG (Tipo 3) e ai full-fed converter (Tipo 4). La tesi è suddivisa in tre parti: Revisione teorica. I primi tre capitoli sono dedicati a fornire un’infarinatura della tecnologia eolica e le basi teoriche che la descrivono, inoltre vengono illustrati i requisiti del codice di rete per gli impianti eolici: in particolare si fa riferimento all’ “Allegato A17” di Terna. Modellazione. Nel capitolo 4 vengono descritti i software utilizzati per la modellazione (OpenModelica®) e il test dei modelli (Teseo/Dyana); mentre, nel capitolo 5, dopo una descrizione dello standard IEC 61400-27, viene spiegato come sono stati implementati i blocchi logici sul software precedentemente citato. Test e validazione. La fase finale del Lavoro, riportata nei capitoli 6 e 7, consiste nella validazione e nell’analisi delle risposte dei modelli, ottenute inserendoli in una rete di prova con sedici nodi, fornita da CESI Spa, che consente la simulazione di guasti in rete e la variazione della potenza richiesta al generatore eolico. Tale analisi viene effettuata in ambiente Teseo/Dyana.