Subsynchronous Resonance in DFIG-Based Wind Farms

Subsynchronous resonance (SSR) occurs when a compensated transmission network and a generator start to exchange energy at frequencies lower than that of the power system. This phenomenon was observed in an Arizona power station in 1970, when a synchronous generator was radially connected to a compensated line. Since then, extensive research has been conducted to analyze and mitigate such oscillations. In October 2009, a subsynchronous control interaction (SSCI) incident occurred at an ERCOT (Electric Reliability Council of Texas) power system (at Zorillo-Gulf wind farm) which revealed the susceptibility of doublyfed induction generator (DFIG)-based wind farms to the subsynchronous phenomenon. This thesis investigates the SSCI problem in a DFIG-based wind farm connected to a series compensated transmission line. The linearized equations which describe the behavior of the system are developed based on a realistic wind turbine model. This set of equations is utilized to gain insight into the behavior of the system and its dominant modes. Benchmarks are developed based on realistic power systems to tackle the problems caused by the application of oversimple and unrealistic case study systems that exist in the literature. Electromagnetic transient (EMT) simulation is carried out to obtain the precise dynamic response of the system and to verify its compliance with the grid code requirements. The developed benchmarks together with the frequency scan approach, the impedance-based method, eigenvalue analysis, and EMT simulations are used to identify the potential risk of the SSCI oscillations and to obtain guidelines for the safe operation of the system. Eigenvalue and sensitivity analyses are then performed to evaluate the impact of different parameters on the stability of the system. Supplementary controllers are proposed to tackle the stability problem and the poor performance due to the SSCI phenomenon. The proposed controllers are designed according to the topology and the operating conditions of the power system. To examine the performance of the proposed controllers, several simulation studies are carried out using the EMTP-RV software. In the simulation studies, a detailed wind farm model is considered. This detailed model includes the fault-ride-through (FRT) functions, a wind farm controller (WFC), the nonlinearities of the electrical and control circuits, a detailed sub-transmission network, and non-homogeneous wind speed. The problems of local and central supplementary SSCI controllers and the impact of aggregating the wind turbine generators in the design procedure are also discussed. It is shown that delays and sensor failure can adversely affect stability when a supplementary controller is included at the secondary level. To overcome these implementation challenges, some existing approaches such as Smith predictor scheme and residue generation method are used in order to increase the delay margin and to achieve a fault-tolerant control system.

Résumé

La résonance sous-synchrone (SSR) se produit lorsqu'un réseau de transmission est compensé et un générateur commence à échanger de l'énergie aux fréquences inférieures à celles du système d'alimentation. Ce phénomène a été observé dans la centrale électrique d'Arizona en 1970, lorsqu'un générateur synchrone a été relié radialement à une ligne compensée. Depuis, des recherches approfondies ont été réalisées pour analyser et atténuer ces oscillations. En octobre 2009, un incident d'interaction de contrôle sous-synchrone (SSCI) s'est produit dans le système d'énergie ERCOT (parc éolien de Zorillo Gulf au Texas), ce qui a révélé la susceptibilité des parcs éoliens à générateur d'induction doublement alimentés (DFIG) à des phénomènes sous-synchrone. Dans cette thèse, le problème de SSCI dans un parc éolien basé sur DFIG relié à la ligne de transmission compensée en série est étudié. Les équations linéarisées qui décrivent le comportement du système sont développées sur la base du modèle réaliste de l'éolienne. Cet ensemble d'équations est utilisé pour obtenir un aperçu du comportement du système et de ses modes dominants. Plusieurs points de repère sont également développés sur la base du système d'alimentation réaliste pour aborder le problème de la simplicité et du système irréaliste dans la littérature existante. La simulation électromagnétique (EMT) a été utilisée pour obtenir le comportement transitoire précis du système et vérifier son exécution avec les exigences du code de réseau. Les points de repère développés ainsi que l'approche de balayage de fréquence, la méthode basée sur l'impédance, l'analyse de valeurs propres ou les simulations EMT permettent de détecter le risque potentiel des oscillations SSCI. Les analyses de valeurs propres et de sensibilité sont ensuite effectuées pour observer l'impact de différents paramètres système sur la stabilité. Plusieurs contrôleurs supplémentaires sont proposés pour résoudre le problème de stabilité et les mauvaises performances résultant du phénomène SSCI. Les contrôleurs proposés sont conçus selon la topologie et les conditions de fonctionnement du système d'alimentation. Pour vérifier la performance des contrôleurs proposés, plusieurs études de simulation sont réalisées dans le logiciel EMTP-RV. Dans les études de simulation, un modèle de parc éolien détaillé comprenant les fonctions de détection de défauts (FRT), le contrôleur de parc éolien (WFC), les non-linéarités du circuit électrique et de contrôle, le réseau de sous-transmission détaillé et la vitesse du vent non homogène sont considérés.