Power system stability analysis and losses evaluation of grid-connected solar PV system

Abstract

The network stability of the power system is at risk because more electricity is being used and moved between utilities. Due to worldwide load demand, power systems must operate securely. Thus, renewable energy-based generation is increasing rapidly to supply electrical demand and address fossil fuel-related environmental challenges. This generation can improve or degrade power system stability. the objective of this thesis is to study how solar power integration affects grid stability. In the integration process, different types of power stability were studied and analysed using three different software. In transient stability analysis, ETAP power system simulation software was used to model PV plant and Zaouiet Kounta medium voltage network (Wilaya Adrar) which is locate in southwest Algeria. Three transient situations were examined. The main bus voltage, frequency, and generator relative rotor angle were examined for each of the three circumstances. On the other hand, the effect of PV power inclusion on the power system's voltage stability utilizing static methodologies was analyzed and discussed. Four analytical methods were used to improve efficacy and accuracy, comprehend voltage stability, and detect instability reasons. Modal, sensitivity, PV, and QV curve analysis are methods. NEPLAN software analyses IEEE 14-bus voltage stability as well as static analysis. In addition, utilizing the IEEE 14 node system, an investigation into the influence of solar PV power generation system on the small signal stability of the power system was carried out. In order to study the impact that the solar PV power generation unit has on the stability of the system's small signal, the solar PV power was connected at several locations. The simulations are carried out with the assistance of PSAT simulation toolbox. When a traditional power plant is utilized to supply a network without control units, transient stability analyses demonstrated that the inclusion of PV plant has a negative impact on network behaviour. But it has a positive impact when the traditional power generation operates with control units. Furthermore, when a grid source is utilized to supply the network, it has little influence on the voltage at the main bus. The voltage stability analysis simulations demonstrated that incorporating a PV power system that is based on renewable energy resources into the test system improved the stability degree, bus sensitivity, system MW loading, voltage profile, and reactive power margin. In addition, the inclusion of PV power showed improvement in the small signal stability of the test power system. In steady state analysis, addition PV system improved voltage level and reduced system losses.

ان الاستعمال المفرط للقدرة الكهربائية ونقلها بين المرافق أصبح يشكل خطرا على استقرار شبكة نظام القدرة. كما انه يتسبب في حدوث معدلات عالية في التكاليف والتلوث البيئي والأمن الطاقوي. فبتوليد الطاقة المتجددة وربطها على الشبكات قد يساهم من جهة في الحد من هذه الظاهرة والتصدي للتحديات البيئية المتعلقة بالوقود الأحفوري. ومن حهة أخري قد يؤثر على استقرار نظام القدرة. تهدف دراستنا هاته الى دراسة تأثير ربط الطاقة الشمسية الكهروضوئية بالشبكة الكهربائية على استقرار الشبكة. في هذه الدراسة تمت دراسة وتحليل أنواع مختلفة من استقرار نظام القدرة باستخدام ثلاثة برامج مختلفة. ففي تحليل استقرار الحالة العابرة، تم استخدام برنامج ETAP لنمذجة محطة الطاقة الشمسة وشبكة توزيع الجهد المتوسط لزاوية كونتا (ولاية أدرار) والتي تقع جنوب غرب الجزائر. تمت دراسة ثلاث حالات عابرة لتحليل تأثير ربط محطة الطاقة الشمسية على الشبكة. ولكل من الحالات الثلاثة تم توضيح التأثير على الجهد والتردد في قضيب التوصيل الرئيسي للشبكة بالإضافة إلى زاوية الدوار النسبية للمولد. من جهة أخرى، تمت دراسة تأثير ربط الطاقة الشمسية الكهروضوئية على استقرار جهد نظام القدرة باستخدام عدد من طرق التحليل وذلك بغرض تحسين الدقة والكفاءة واعطاء فهم أعمق لمشكلة استقرار الجهد. طرق التحليل شملت: تحليل الحساسية، منحني القدرة- الجهد، منحني القدرة الغير فعالة – الجهد، والتحليل الشكلي. وهذا التحليل تم على شبكة IEEE 14 نقطة حمل باستخدام برنامج NEPLAN. ايضا فان أثر دمج نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على استقرار التغيرات الصغيرة لنظام القدرة تمت دراسته باستخدام اداءة المحاكاة PSAT. أظهرت نتائج دراسة استقرار الحالة العابرة ان ربط محطة الطاقة الشمسة على الشبكة لها تأثير سلبي عند تغذية الشبكة من محطة التوليد التقليدية عند عملها من غير وحدات تحكم. ولكن له تأثير ايجابي عند عملها بوحدات تحكم. أظهرت النتائج أيضا ان دمج نظام الطاقة الشمسية أدي الى تحسن واضح في درجة استقرار النظام، نسبة التحميل، التقليل في حساسية نقاط احمال نظام القدرة، بالإضافة الي التحسن في مستوي الجهد الحرج وهامش القدرة الغير فعالة. اضافة الى ذلك، فان دمج نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية أدى الى تحسن في استقرار نظام القدرة للتغيرات الصغيرة. في تحليل الحالة المستقرة، أدى تربط نظام الطاقة الشمسية إلى تحسين مستوى الجهد وتقليل خسائر النظام.

La stabilité du réseau du système électrique est en danger car davantage d'électricité is used and moved between public services. En raison de la demande de charge mondiale, les systèmes électriques doivent fonctionner en toute sécurité. Ainsi, la production basée sur les énergies renouvelables augmente rapidement pour répondre à la demande d'électricité et relever les défis environnementaux liés aux combustibles fossiles. Cette génération peut améliorer ou dégrader la stabilité du système électrique. The objective of this thesis is to study how the integration of solar energy affects the stability of the network. Dans le processus d'intégration, différents types de stabilité de puissance ont été étudiés et analysed à l'aide de trois logiciels différents. Dans l'analyse de stabilité transitoire, le logiciel de simulation de système électrique ETAP a été utilisé pour modéliser la centrale photovoltaque et le réseau moyenne tension de Zaouiet Kounta (Wilaya Adrar), qui est situé dans le sud-ouest de l'Algérie. Three transitory situations have been examined. La tension du bus principal, la fréquence, et l'angle du rotor du générateur ont été examinés pour chacune des trois circonstances. D'autre part, l'effet de l'inclusion de la puissance PV sur la stabilité de la tension du système électrique en utilisant des méthodologies statiques a été analysed and discussed. Quatre méthodes analytiques sont utilisées pour améliorer l'efficacité et la précision, comprendre la stabilité de la tension, et détecter les raisons de l'instabilité. L'analyse des courbes modales, de sensibilité, PV, and QV are methods. Le logiciel NEPLAN analyse la stabilité de la tension du bus IEEE 14 ainsi que l'analyse statique. De plus, en utilisant le système IEEE 14 nuds, une enquête sur l'influence du système de production d'énergie solaire PV sur la stabilité du petit signal du système d'alimentation a été réalisée. Afin d'étudier l'impact de l'unité de production d'énergie solaire PV sur la stabilité du petit signal du système, l'énergie solaire PV est connectée à plusieurs endroits. Les simulations sont réalisées à l'aide de la boîte aux outils de simulation PSAT. Lorsqu'une centrale électrique traditionnelle est utilisée pour alimenter un réseau sans unités de contrôle, les analyses de stabilité transitoire ont démontré que l'inclusion d'une centrale photovoltaque a un impact négatif sur le comportement du réseau. Mais cela a un impact positif lorsque la production d'électricité traditionnelle fonctionne avec des unités de contrôle. De plus, lorsqu'une source de réseau est utilisée pour alimenter le réseau, elle a peu d'influence sur la tension au niveau du bus principal. Les simulations d'analyse de la stabilité de la tension ont démontré que l'incorporation d'un système d'alimentation photovoltaque basé sur des ressources d'énergie renouvelables dans le système de test améliorait le degré de stabilité, la sensibilité du bus, la charge en MW du système, le profil de tension, et la marge de puissance réactive. De plus, l'inclusion de la puissance PV a montré une amélioration de la stabilité des petits signaux du système d'alimentation de test. L'interconnexion du système d'énergie solaire a amélioré le niveau de tension et réduit les pertes du système.