Detailed EMT-Type Load Modeling for Power System Dynamic and Harmonic Studies

Le fonctionnement en régime permanent et dynamique des systèmes électriques est fortement influencé par les caractéristiques des charges alimentées. Par conséquent, une analyse précise des systèmes électriques nécessite des modèles de charge appropriés. Comme la majorité des modèles de charge existants ne permettent pas une représentation complète ou précise des charges réelles agrégées, il est essentiel de développer de nouveaux modèles de charge afin de capter plus précisément le comportement de la charge. Dans cette thèse, un nouveau modèle de charge détaillé basé sur des composants de type EMT (transitoire électromagnétique) est développé dans le logiciel Electromagnetic Transient Program (EMTP®). Des modèles individuels de type EMT de composants de diverses catégories de charge sont d'abord développés et ensuite agrégés à un niveau supérieur pour former un modèle de charge détaillé agrégé. Le modèle proposé permet de capter la diversité des dispositifs des charges réelles agrégées et est également capable de prendre en compte les non-linéarités (l'électronique de puissance), les charges monophasées et les conditions déséquilibrées. Il offre une plus grande précision et peut fournir une description plus réaliste du comportement de la charge par rapport aux modèles existants. Le modèle développé est utilisé pour simuler le comportement de la charge lors d'événements de baisse de tension dans différents secteurs de charge et est validé par rapport à des mesures. La validation du modèle dans des cas réels est une étape importante du développement du modèle de charge qui est nécessaire pour garantir la capacité du modèle proposé à reproduire le comportement dynamique des charges pendant et après les perturbations. La modélisation détaillée de la charge n'est généralement pas l'approche préférée, principalement en raison des exigences de données excessives, des efforts et du temps de calcul. Cependant, l'importance du modèle détaillé pour capter le comportement de la charge dans les simulations dynamiques est étudiée et son avantage par rapport aux modèles traditionnels est illustré. Pour explorer un autre aspect de la modélisation de charge, la réponse en fréquence de la charge est étudiée à travers la simulation d'un réseau de distribution souterrain existant. L'importance du modèle détaillé pour capter le comportement de la charge dans les simulations harmoniques est étudiée et les erreurs causées par les modèles conventionnels sont analysées.

Abstract

Steady-state and dynamic performance of power systems are strongly influenced by the characteristics of the supplied loads. Therefore, correct analysis of power systems requires appropriate load models. As the majority of existing load models do not allow for a full or precise representation of the real aggregated loads, it is essential to develop accurate load models in order to capture load behavior more accurately. In this thesis a new detailed EMT-type (electromagnetic transient) component-based load model is developed in the time-domain simulation tool, EMTP® (Electromagnetic Transients Program). Individual EMT-type models of components from various load categories are first developed and next aggregated to form an aggregated detailed load model. The proposed model captures the diversity in end-use devices of real aggregated loads and is also capable of accounting for nonlinearities (i.e., power electronics), single-phase loads and unbalanced conditions (e.g., asymmetrical faults). It offers higher accuracy and can provide a more realistic description of the load behaviour compared to the existing models. The developed model is used to simulate load behavior in voltage sag events in different load sectors and is validated against field data. Validation of the model in real cases is an important stage of load model development which is required to ensure the capability of the proposed model to reproduce the dynamic behavior of loads during and following disturbances. Detailed load modeling is not usually the preferred approach mainly due to excessive data requirements, modeling efforts and computational burden. However, the importance of the detailed model for capturing load behaviour in dynamic simulations is investigated and its advantage over traditional models is highlighted.To explore a different aspect of load modeling, the frequency response of the load is studied through the simulation of an existing underground distribution network. The importance of the detailed model for capturing load behaviour in harmonic simulations is investigated and errors caused by conventional models are introduced. As an extension to this part, some new guidelines regarding modeling underground distribution systems for harmonic simulations of power systems is provided.