Emergency voltage support in interactive collaboration of TSO/DSO

Abstract

Increasing amount of distributed energy resources and decreasing amount of conventional large scale power plants are changing the power systems to become more decentralized. This leads challenging situations with the system level voltage control. In the past decades mostly transmission system operators (TSOs) have been taking care of the voltage control in large power systems. As more generations are moving from TSO side to DSO side significant changes are required to maintain reliable and secure systems. Collaboration between TSO and DSO is a key factor in future power systems.

Distribution systems have been passive systems according to voltage control in the past decades. Currently Active Distribution Networks (ADNs) are studied and developed widely. ADNs have possibility to control distributed energy resources in efficient way and ADNs can provide direct voltage support to TSO. To build and implement ADNs for efficient use, significant investments are required for the control systems. Investments are not the only challenge, also regulations and common ways to build ADNs and to develop collaboration between TSO and DSO are becoming one of the major challenges.

In this work first a literature research is performed for the topics of TSO/DSO collaboration in voltage emergency situations. The objective is to develop adaptive and less intrusive control system for the voltage emergency support. The key facilities to utilize for voltage emergency support from DSO to TSO are distributed generation units, tap changer of substation transformers, capacitor banks and load shedding. Adaptive control logic for voltage emergency support was developed and tested in IEEE 39 bus system using PSCAD simulation software.

Hajautetun tuotannon kasvu ja suurien tuotantoyksiköiden poistuminen muuntaa voimajärjestelmää enemmän hajautetummaksi. Tämä johtaa järjestelmätason haasteisiin jännitteen säädön suhteen. Aiemmin pääosin siirtoverkon operaattorit ovat vastanneet jännitteensäädöstä suurissa voimajärjestelmissä. Tuotannon siirtyminen yhä suuremmissa määrin jakeluverkkoihin vaatii muutoksia jännitteensäätötapoihin jotta varmistetaan järjestelmän oikea toiminta ja luotettavuus. Yhteistyö siirtoverkon ja jakeluverkon operaattoreiden välillä on merkittävä tekijä tulevaisuuden voimajärjestelmissä jotta taataan suuri sähkön toimitusvarmuus.

Jakeluverkot ovat pääsääntöisesti olleet passiivisia verkkoja jännitteensäädön suhteen. Aktiivisia jakeluverkkoja (eng. Active Distribution Network) kehitetään ja tutkitaan laajalti, sillä akviinen jakeluverkko kykenee hyödyntämään hajautetut resurssit ja tukemaan tarvittaessa siirtoverkkoa. Aktiivisten jakeluverkkojen luominen vaatii investointien lisäksi sääntelyä ja yleisiä toimintatapoja.

Tässä työssä suoritetaan aluksi kirjallisuustutkimus siirto- ja jakeluverkkojen väliseen yhteistyöhön tilanteissa jossa siirtoverkon jännite uhkaa romahtaa. Tarkoituksena on luoda adaptiivinen ja vähemmän tunkeileva ratkaisu jännitteen tuentaan hätätilanteissa. Pääkeinot jännitteen hätätuentaan ovat hajautetut tuotannot, käämikytkimet, kondensaattoriparistot sekä kulutuksen poislyönnit. Ratkaisuksi kehitettiin ohjauslogiikka joka adaptiivisesti hyödyntää jakeluverkon resursseja hätätilanteessa. Kehitetty ratkaisu testattiin suorittamalla simulointeja muokatussa IEEE 39 verkkomallissa PSCAD-ohjelmistolla.