Determination of Maximum Load Levels That Can Be Connected to IEEE 14 Busbar System

Abstract

The generators in power systems are operated at maximum capacity to use energy sources efficiently. Therefore, the fluctuations in power systems may cause stability problems in terms of rotor angle, voltage and frequency. Especially, new loads are added to power systems when planning to install new industrial or residential areas. In this study, the maximum loading level of IEEE 14 bus system is determined by changing the load values in the system. Line loading levels, bus voltages and generator loading parameters are used in determining the maximum loading level. The system is simulated in DIgSILENT PowerFactory software. The value of a load is increased step by step until exceeds the limits of line loading. The load value is increased by using Python script which works interactively with the DIgSILENT PowerFactory. Similarly, the same analyzes are repeated for bus voltages and generator loading. The maximum loading level is determined depending on the load value which causes exceeds the line loading level, bus voltage limit, or loading limit of generators. Thus, the attainable maximum loading level of the IEEE 14 bus system is achieved by considering three parameters that affect the voltage stability. Simulation results show that the restrictive parameter for loading is dependent on the place of new loads in the power system.

Keywords

• Power Systems
• Voltage Stability
• Load Flow Analysis
• Güç Sistemleri
• Gerilim Kararlılığı
• Yük Akış Analizi

IEEE 14 Bara Sistemine Bağlanabilecek Maksimum Yük Seviyelerinin Belirlenmesi

Öz

Güç sistemlerindeki generatörler, enerji kaynaklarını verimli kullanmak için maksimum kapasitede çalıştırılır. Bu nedenle, güç sistemlerindeki dalgalanmalar rotor açısı, gerilim ve frekans açısından kararlılık sorunlarına neden olmaktadır. Özellikle yeni endüstriyel veya yerleşim alanlarının kurulması planlanırken güç sistemlerine yeni yükler eklenir. Bu çalışmada, sistemdeki yük değerleri değiştirilerek IEEE 14 bara sisteminin maksimum yük seviyesi belirlenmiştir. Maksimum yüklenme seviyesinin belirlenmesinde hat yüklenme seviyeleri, bara gerilimleri ve generatör yüklenme parametreleri kullanılmıştır. Sistem benzetimi DIgSILENT PowerFactory yazılımında yapılmıştır. Bir yükün değeri, hat yüklenme limitlerini aşıncaya kadar adım adım artırılmıştır. Yük değeri, DIgSILENT PowerFactory ile etkileşimli çalışan Python kod dizimi kullanılarak artırılmıştır. Benzer şekilde bara gerilimleri ve generatör yüklenmeleri için de aynı analizler tekrarlanmıştır. Maksimum yüklenme seviyesi, hat yüklenme seviyeleri, bara gerilimleri veya generatör yüklenmesinin maksimum sınırını aşan yük değerine bağlı olarak belirlenmiştir. Böylece, IEEE 14 bara sisteminin ulaşılabilecek maksimum yüklenme seviyeleri, gerilim kararlılığını etkileyen üç parametre dikkate alınarak elde edilmiştir. Simülasyon sonuçları, yüklenme için kısıtlayıcı parametrenin, güç sistemindeki yeni yüklerin yerine bağlı olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Power Systems
• Voltage Stability
• Load Flow Analysis
• Güç Sistemleri
• Gerilim Kararlılığı
• Yük Akış Analizi

Kaynakça

1. [1] P.KUNDUR, “Power System Stability and Control”,1994
2. [2] P. KUNDUR, “Definition and classification of power system stability,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 19, no. 3, pp. 1387–1401, Aug. 2004, doi: 10.1109/TPWRS.2004.825981.
3. [3] M. EREMİA, M. SHAHİDEHPOUR, Handbook of Electrical Power System Dynamics: Modeling, Stability, and Control. 2013. doi: 10.1002/9781118516072.
4. [4] S. TOSUN, “Güç Sistemlerinde Gerilim Kararlılığının Sezgisel Yöntemlerle İncelenmesi” Doktora Tezi, 2011.
5. [5] P. CHUSOVİTİN, A. PAZDERİN, G. SHABALİN, V. TASHCHİLİN, P. BANNYKH, “Voltage stability analysis using Newton method,” Aug. 2015. doi: 10.1109/PTC.2015.7232823.
6. [6] S. BOLOGNANİ and S. ZAMPİERİ, “On the existence and linear approximation of the power flow solution in power distribution networks,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 31, no. 1, pp. 163–172, 2016, doi: 10.1109/TPWRS.2015.2395452.
7. [7] Z. WANG, B. CUİ, J. WANG, “A Necessary Condition for Power Flow Insolvability in Power Distribution Systems with Distributed Generators,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 32, no. 2, pp. 1440–1450, 2017, doi: 10.1109/TPWRS.2016.2588341.
8. [8] L. AOLARİTEİ, S. BOLOGNANİ, and F. DORFLER, “Hierarchical and distributed monitoring of voltage stability in distribution networks,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 33, no. 6, pp. 6705–6714, 2018, doi: 10.1109/TPWRS.2018.2850448.

9. [9] S. MENDOZA-ARMENTA, C. R. FUERTE-ESQUİVEL, and R. BECERRİL, “A numerical study of the effect of degenerate Hopf bifurcations on the voltage stability in power systems,” Electr. Power Syst. Res., vol. 101, pp. 102–109, 2013, doi: 10.1016/j.epsr.2013.03.013.
10. [10] H. RAZMİ, H. A. SHAYANFAR, and M. TESHNEHLAB, “Steady state voltage stability with AVR voltage constraints,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 43, no. 1, pp. 650–659, 2012, doi: 10.1016/j.ijepes.2012.06.051.
11. [11] R. J. AVALOS, C. A. CAÑİZARES, F. MİLANO, and A. J. CONEJO, “Equivalency of continuation and optimization methods to determine saddle-node and limit-induced bifurcations in power systems,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 56, no. 1, pp. 210–223, 2009, doi: 10.1109/TCSI.2008.925941.
12. [12] A. K. KAİLAY, “Identification of Best Load Flow Calculation Method for IEEE-30 BUS System Using,” Int. J. Electr. Electron. Res. ISSN, vol. 3, no. 3, pp. 155–161, 2015.
13. [13] K. HESAROOR and D. DAs, “Improved Modified Newton Raphson Load Flow Method for Islanded Microgrids,” 2020 IEEE 17th India Counc. Int. Conf. INDICON 2020, no. 1, 2020, doi: 10.1109/INDICON49873.2020.9342587.
14. [14] T. E. GÜMÜŞ, M. A. YALÇIN, M. TURAN, C. AKSOY TIRMIKÇI, and C. YAVUZ, “Steady State Voltage Stability Estimation by Using Local Bus Parameters,” J. Electr. Eng. Technol., vol. 16, no. 2, pp. 853–860, 2021, doi: 10.1007/s42835-021-00657-0.
15. [15] T. YEŞİLYURT and B. AKBAL, “Elektrik Tesislerinde Gerilim Kararlılığının Sağlanması için Kullanılan Yöntemler,” Eur. J. Sci. Technol., Oct. 2020, doi: 10.31590/ejosat.804207.
16. [16] M. A. KUSEKWA, “Load Flow Solution of the Tanzanian Power Network Using Newton-Raphson Method and MATLAB Software,” Int. J. Energy Power Eng., vol. 3, no. 6, p. 277, 2014, doi: 10.11648/j.ijepe.20140306.11.