An analysis of technical aspects related to intentional islanded operation by gensets of MV/LV networks with distributed generation

The incidence of faults, the willingness to improve the system security and reliability of the distributed network, as well as the economical drawback related to the fees for the lack of service to end users brought considerable challenges to electricity supply industry, creating further constraints for Distribution System Operators (DSO). In this scenario, several measures have been taken to overcome these challenges or at least mitigate their effects; islanding a portion of distribution networks after a fault is now considered by DSOs as a way to improve the continuity of power supply. The intentional island is energized by means of GenSets (GS) that work as main power supplies for a portion of the distribution grid. In the thesis, the operation of diesel engine-driven salient pole synchronous generator sets is studied. The first objective is to develop the modelling framework for such GSs to enable their operation in an islanded distribution system. The frequency and voltage of the island are controlled by the speed governor and the excitation system of the GS. Thus, proper modelling of both regulators has been performed. In addition, the aim of the project is to provide a set of technical guidelines for the usage of GS, highlighting the static and dynamic limits of each solution proposed. To examine the suitability of a GS for islanded operations, tests have been performed in two scenarios: i) a passive network employing just a single GS as power supply, ii) an active network where distributed energy resources (DER) are reconnected to the intentional island and multiple generators feed the system. All numerical simulations have been conducted through DigSilent PowerFactory software. In the first scenario, the dynamic stability of the system has been evaluated by varying different parameters of the network (the length and typology of the line, and load demand). In the second scenario, a key contribution is the development of DERs models. Regarding this aspect, DER models have been implemented according to the actual control laws of active and reactive power prescribed by technical standards currently in place in Italy. Possible interactions and instabilities caused by the presence of GS and Distributed Generation (DG) units have been evaluated.

L'incidenza dei guasti, la volontà di migliorare la sicurezza e l'affidabilità delle reti di distribuzione, nonché lo svantaggio economico legato alle sanzioni per la mancanza di servizi agli utenti finali hanno portato notevoli sfide al settore della fornitura di energia elettrica, creando ulteriori vincoli per i gestori del sistema di distribuzione (DSO). In questo scenario, sono state adottate diverse misure per superare questi ostacoli o almeno mitigarne gli effetti; il funzionamento in isola di una parte di rete di distribuzione è ora considerato da alcuni DSO come un modo per migliorare la continuità del servizio. L'isola intenzionale viene alimentata tramite gruppi elettrogeni (genset: GS) i quali fungono da alimentazione principale per una porzione di rete. Nella tesi viene studiato il funzionamento di gruppi elettrogeni sincroni a poli salienti azionati da motori diesel. Il primo obiettivo è sviluppare la struttura di modellazione e controllo per tali gruppi in modo da consentirne il funzionamento in un sistema di distribuzione funzionante in isola. La frequenza e tensione dell'isola vengono verificate dal regolatore di velocità e dal sistema di eccitazione dei gruppi elettrogeni; pertanto, è stata eseguita un'adeguata modellazione di entrambi i regolatori. Inoltre, lo scopo del progetto è quello di fornire un insieme di regole tecniche per l'utilizzo dei GS, evidenziando i limiti statici e dinamici della soluzione proposta. Per esaminare l'idoneità di un GS funzionante in isola, due scenari sono stati proposti: i) una rete passiva che impiega un solo gruppo elettrogeno come sorgente della rete, ii) una rete attiva dove le risorse energetiche distribuite (DER) vengono ricollegate all'isola intenzionale e più generatori alimentano il sistema. Tutte le simulazioni numeriche sono state condotte tramite il software DigSilent PowerFactory. Nel primo scenario, la stabilità dinamica del sistema è stata eseguita variando diversi parametri della rete (lunghezza e la tipologia della linea, e la domanda del carico). Nel secondo scenario, un contributo chiave risulta lo sviluppo di modelli DER. In merito a questo aspetto, i modelli DER sono stati implementati secondo le vigenti leggi di controllo di potenza attiva e reattiva prescritte dalle attuali norme tecniche in Italia. Sono state valutate le possibili interazioni e instabilità causate dalla presenza di GS e generazione distribuita (distributed generation: DG).