ECE422_8-VoltageStability

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    1/14

    1

    Spring 2015

    Instructor: Kai

     Sun

    ECE 422 

    Power System Operations & Planning

    8 ‐ Voltage Stability

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    2/14

    2

    Voltage Stability

    • Voltage stability is concerned with the ability of  a power system to maintain 

    acceptable voltages at all buses in the system under normal conditions and 

    after being subjected to a disturbance.

    • A system

     enters

     a state

     of 

     voltage

     instability

     (or

     voltage

     collapse)

     when

     a 

    disturbance, e.g. increase in load demand, or change in system condition 

    causes a progressive and uncontrollable decline in voltage

    • The main factor causing instability is the inability of  the power system to 

    meet the

     demand

     for

     reactive

     power

    • Voltage stability problems normally occur in heavily stressed systems. 

    • References:

     – Chapter 14

     of Kundur’s book

     – “Survey of  the voltage collapse phenomenon”, NERC Report, Aug. 1991

     – EPRI Tutorial’s Chapter 6

     – Carson W. Taylor, “Power System Voltage Stability” McGraw Hil, 1994

     – “Voltage Stability Assessment: Concepts, Practices and Tools”, IEEE whitepaper, Aug. 2002

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    3/14

    3

    Voltage Stability vs. Rotor Angle stability

    • Voltage 

    stability 

    is 

    basically 

    load 

    stability, 

    and 

    rotor 

    angle 

    stability 

    is 

    basically 

    generator stability

    • For rotor angle stability, we are often concerned with integrating remote power 

    plants to a large system over long transmission lines.

    • Voltage stability is concerned with load areas and load characteristics. In a large 

    interconnected system,

     voltage

     collapse

     of 

     a load

     area

     is

     possible

     without

     loss

     of 

     synchronism of  any generators.

    • Transient voltage stability is usually closely associated with transient rotor angle 

    stability. If  voltage collapse at a point in a transmission system remote from loads, it 

    is, in nature, an angle instability problem.

    Typical region with voltage stability concerns

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    4/14

    4

    A simple radial system

    where

     Z  LD decreases (assume constant Z  LN )

     LN LD

     E  I 

     Z Z 

    2 2( cos cos ) ( sin sin )

     LN LD LN LD

     E  I 

     Z Z Z Z   

    1   S 

     LN 

     E  I 

     Z F 

    2

    1 2 cos( ) LD LD

     LN LN 

     Z Z F 

     Z Z   

    • How does V  R change as P R increases?

     R LDV Z I  cos R RP V I     

    1  LD R LD S 

     LN 

     Z V Z I E   Z F 

    2

    cos cosS  LD R R

     LN 

     E  Z P V I 

    F Z   

     

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    5/14

    5

    • Voltage stability depends on the 

    load characteristics

     – Under normal

     conditions,

     to

     

    increase power PR, a load control 

    strategy usually decreases  Z LD

     – However, 

    when 

     Z LD

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    6/14

    6

    Constant P

    P R=P

    Constant Z 

    P R=aV  R2

    • Voltage collapse happens when the system passes the critical point

    (also called the “nose point” or “knee point”).

     Z  LD decreases (assume constant Z  LN )

    P‐V Curve

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    7/14

    7

    Normalized P‐V curves (  varies)

    • Normally, only the operating points above the critical points represent 

    satisfactory operating conditions

     A sudden reduction in (increase in QR)

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    8/14

    8

    IEEE 39‐bus test system

    P Aera 1 - V530Uniformly scale up the area load with

    constant

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    9/14

    9

    Influence of  Generation Characteristics

    • Generator AVRs provide the primary source 

    of  voltage support to maintain constant 

    terminal voltages under normal conditions.

    • During conditions of  low/high voltages, the Q  

    output of 

     a generator

     may

     reach

     its

     limit.

     Consequently, the terminal voltage is not 

    longer maintained constant

    • Then, with constant field current, the point of  

    constant voltage is now E q behind the 

    synchronous reactance

      X S  X d .

     That

     increases

     the network reactance significantly to further 

    aggravating the voltage collapse condition

    • It is important to maintain the voltage control 

    capability of  generators

    • The degree

     of 

     voltage

     stability

     cannot

     be

     

     judged based only on how close the bus 

    voltage is to the normal voltage level

    Voltage collapse happens when the Q limit is reached

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    10/14

    10

    12

    3

    1

    2

    3

    1GW generation

    tripped by SPS

    4

    4

    Faulty zone 3

    relay

    5

    5

    6 8

    67

    7

    8

    Loss of key

    hydro units

    Tripped by

    Zone 3 relay

    9

    9

    10

    Tree

    contact

    and

    relay

    mis-opt.

    Example of Voltage Collapse -

    July 2nd, 1996 Western

    Cascading Event

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    11/14

    11

    •On July 3rd, 1996, i.e. the following day, 

     – A similar chain of  events happened to cause voltages in Boise area to 

    decline. 

     – Different from the previous day, Idaho Power Company system 

    operators noted  the declining voltages and immediately took the only 

    option available: shedding of  Boise area load

     – Then, the

     system

     returned

     to

     normal

     within

     1 hour

    •Lessons learned:

     – The July

     2nd and

     3rd events

     in

     Boise,

     Idaho

     area

     emphasize

     the

     need

     for

     effective and sufficient, rapidly responsive dynamic Mvar reserve.

     – The July 3rd events illustrate the importance of  system operators’ 

    situational awareness and rapid responses.

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    12/14

    12

    Prevention of  Voltage Instability

    • Application of 

     var compensating

     devices

     – Ensure adequate stability margin (in MW or Mvar)

     – Selection of  sizes, ratings and locations of  the devices (especially for dynamic 

    reactive reserves, e.g. synchronous condensers and SVCs)

     – Design 

    criteria 

    based 

    on 

    maximum 

    allowable 

    post‐

    contingency 

    voltage 

    drop 

    are 

    often NOT satisfactory from voltage stability viewpoint

     – Important to recognize voltage control areas and weak boundaries.

    • Control of  transformer tap changers

     – Can be controlled either locally or centrally

     – Where tap changing is detrimental, tap changing should be blocked when the 

    source‐side voltage sags and unblocked when voltage recovers

    • Control of  network voltage and generator reactive output

     – Improvement on AVRs

     – Add secondary

     coordinated

     outer

    ‐loop

     voltage

     control

     (e.g.

     the

     hierarchical,

     

    automatic two/three‐layer voltage control)

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    13/14

    13

    Prevention of  Voltage Instability (cont’d)

    • Coordination of  protections/controls

     – Adequate coordination ensured based on dynamic simulation studies

     – Tripping of  equipment to protect from overloaded conditions should be the last 

    resort. The overloaded conditions could be relieved by adequate control measures 

    before isolating

     the

     equipment.

    • Under‐voltage load shedding (UVLS)

     – For unplanned or extreme situations; analogous to UFLS

     – Provide a low‐cost means of  preventing widespread system collapse

     – Particularly attractive

     if 

     conditions

     leading

     to

     voltage

     instability

     are

     of 

     low

     

    probability but consequences are high

     – Characteristics and locations of  the loads to be shed are more important for voltage 

    problems than for frequency problems

     – Should be designed to distinguish between faults, transient voltage dips, and low 

    voltage conditions leading

     to

     voltage

     collapse

  • 8/18/2019 ECE422_8-VoltageStability

    14/14

    14

     E S =1.0pu, Z  LN = j0.5pu, cos=0.97.• Sketch the P R-V  R curve at bus R and find values

    of P R and V  R at the critical point

    • If the real power load is represented by a ZIPload mode P R=P0(V  R

    2+0.9V  R+4.0) , where P0

    varies depending on the load level. Estimate theminimum |V  R| before voltage collapse.

    2

    1 2 cos( )

      2 2cos( ) 2.486

     LD LD

     LN LN 

     Z Z F 

     Z Z 

     

     

    10.634 pu LD R S 

     LN 

     Z V E 

     Z F 

    2

    cos 0.780 puS  LD R

     LN 

     E  Z P

    F Z  

    Example: P‐V Curve vs. ZIP Load Model