Thesis Title: Online Identification of Electromechanical Oscillations in Power Systems Based on Energy Analysis
Abstract: The expansion of electrical networks and increase of consumer loads, coupled with the moving power systems towards competitive markets and the restructuring of the electricity industry, has driven an ever-increasing demand for energy. Consequently, the modern power networks are operating near their stability limits. These networks are continually subjected to various disturbances, including short circuits, continuous load changes, and line outages, which can lead to instability. The electric power system is a large-scale dynamic system, and its instability appeeres in several forms, including voltage instability, rotor angle instability, and frequency instability.In modern electrical energy networks, rotor angle instability primarily arises from insufficient damping of low-frequency electromechanical oscillations. The low-damping or negatively damped oscillations can lead to significant adverse consequences, including reduced transmission capacity, islanding of the network, and even widespread blackouts. To mitigate these undesirable effects and monitor the dynamic security of the power system, it is crucial to detect modes with low damping and accurately determine their damping rates. One promising approach for the theoretical study of electromechanical oscillations is the energy method. This thesis investigates various energy-based techniques for analyzing electromechanical oscillatory modes. Since electromechanical oscillations are intrinsically linked to energy conversion and transfer, energy analysis enables the identification of oscillation sources, damping factors, and the roles of different circuit components. Applying the concept of energy to the analysis of inter-area oscillations enhances the understanding of their dynamics and helps identify generator groups involved in energy exchange. Energy oscillation analysis serves as a method for investigating energy flow and dissipation within power systems. The amount of energy is directly related to the amplitude of oscillation; as energy is lost, the amplitude gradually diminishes. Energy dissipation due to mechanical friction and resistance plays a critical role in the damping of these oscillations. Specifically, the energy dissipation in an component reflects its damping characteristics, while the total dissipated energy in the network corresponds to the system's damping ratio. Furthermore, the energy dissipation associated with a specific oscillatory mode indicates its contribution to the damping of that mode, providing a quantitative basis for assessing oscillatory mode damping. This approach helps to a deeper understanding of damping electromechanical oscillations in power systems and informs control strategies aimed at enhancing the damping rates of electromechanical modes within power networks.
عنوان پایان نامه: شناسایی برخط نوسانات الکترومکانیکی سیستم قدرت مبتنی بر تحلیل انرژی
چکیده: انرژی الکتریکی به¬سبب مزایایی که در قیاس با دیگر صورت‌های انرژی دارد، موردتوجه و استفاده روزافزون قرارگرفته است. گسترش شبکه و بارهای مصرفی، حرکت به سمت رقابتی شدن و تجدید ساختار صنعت برق و تقاضای روزافزون انرژی سبب شده که شبکه‌های قدرت نزدیک حدود پایداری خود، کار کنند. شبکه‌های الکتریکی همواره در معرض اغتشاشات گوناگونی نظیر اتصال کوتاه، تغییرات مداوم بار و خروج خط هستند که می¬تواند منجر به ناپایداری شود. پدیده ناپایداری ناشی از ماهیت سیستم‌های قدرت به‌هم‌پیوسته است که به‌صورت ناپایداری ولتاژ، ناپایداری زاویه رتور و ناپایداری فرکانس بروز پیدا می‌کند. در شبکه‌های انرژی الکتریکی مدرن، ناپایداری زاویه‌ای رتور به‌طور عمده به علّت کمبود میرایی نوسان‌های الکترومکانیکی فرکانس‌کم است. نوسان‌های الکترومکانیکی با میرایی کم یا میرایی منفی تبعات نامطلوبی همچون کاهش ظرفیت انتقال توان خطوط، جزیره‌ای شدن شبکه یا حتی خاموشی¬های گسترده در پی دارد. به‌منظور جلوگیری از تبعات نامطلوب سیستم ناپایدار و رصد امنیت دینامیکی سیستم قدرت، تشخیص مودهای با میرایی کم و تعیین نرخ میرایی آن‌ها اهمیت بسیاری دارد. یکی از رویکردهایی که در سال‌های اخیر به‌منظور مطالعه نوسانات الکترومکانیکی به‌طور نظری مورداستفاده قرارگرفته است، روش انرژی است. در این پایان‌نامه رویکردهای مختلف مبتنی بر روش انرژی برای تحلیل مودهای نوسانی الکترومکانیکی موردبررسی و تدوین قرار می‌گیرد. در این راستا با توجه به اینکه نوسانات الکترومکانیکی با تبدیل و انتقال انرژی همراه است، با تحلیل انرژی امکان شناسایی منابع نوسان، عوامل میراکننده یا ناپایدار کننده و نقش اجزای مختلف مدار وجود دارد. استفاده از مفهوم انرژی در تحلیل نوسان‌های بین ناحیه‌ای امکان ارزیابی بهتر دینامیک آن‌ها و شناسایی گروه‌های ژنراتور با تبادل انرژی را فراهم می‌کند. تحلیل انرژی نوسان، روشی برای مطالعه جریان انرژی و اتلاف انرژی نوسانی در سیستم قدرت است. مقدار انرژی با دامنه نوسان مطابقت دارد و هنگامی‌که انرژی تلف می‌شود، دامنه نوسان به‌تدریج کاهش می‌یابد. اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک مکانیکی و مقاومت‌ها روی میرایی نوسانات تأثیر می‌گذارد. درواقع اتلاف انرژی یک عنصر، منعکس‌کننده خاصیت میرایی آن است و کل انرژی اتلاف شده شبکه با نسبت میرایی سیستم مطابقت دارد. هم‌چنین اتلاف انرژی توسط یک عنصر برای یک مود نوسانی خاص نشان‌دهنده سهم آن در میرایی آن مود است و می‌تواند در ارزیابی کمی میرایی مود نوسانی استفاده شود. این رویکرد منجر به درک جدیدی از مفهوم میرایی نوسانات الکترومکانیکی در سیستم‌های قدرت شده است و می‌تواند در راهبردهای کنترلی افزایش نرخ میرایی مودهای الکترومکانیکی در شبکه‌های قدرت نیز مورداستفاده قرار بگیرد. در این پایان‌نامه پس از بررسی روش‌ها و تحقق اهداف موردنظر و تدوین تئوری‌های لازم، با به‌کارگیری این روش‌ها بر روی شبکه‌های آزمون کندور و 39 باس IEEE اهمیت و تأثیر آن‌ها در استخراج مشخصات نوسانات الکترومکانیکی نشان داده می‌شود.
