Modeling Pumped Storage With Advanced Technology Units (pdf

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1 Modeling Advanced Technology Pumped Storage  Peter Donalek  Panel Session  Planning Transmission for Co‐ Optimization with Resource  Expansion July 29, 2014 2 3 4 Advanced Pumped Storage  Technologies • Adjustable Speed    AS PSH – Doubly fed Induction > 50 MW – Converter Fed Synchronous < 50 MW • Ternary  – Single speed synchronous motor/generator with  hydraulic short circuit • Possible conversion of single speed to  adjustable speed 5 Existing AS PSH Units in Operation EXISTING ADJUSTABLE SPEED PUMPED STORAGE UNITS Plant Name Unit #  Utility Name & Country 1 Narude Pilot Project       2 Kansai EPCo ‐ Japan 2 Yagisawa‐Conversion 2 Tokyo EPCo ‐ Japan 3 Takami  2 Hokkaido EPCo ‐ Japan 4 Ohkawachi  2 Kansai EPCo ‐ Japan 5 Shiobara‐Conversion  3 Kansai EPCo ‐ Japan 6 Ohkawachi  4 Kansai EPCo ‐ Japan 7 Yagisawa‐Conversion 3 Tokyo EPCo ‐ Japan 8 Okukiyotsu  2 EPDC 9 Yanbaru‐Okinawa   1 EPDC ‐ Japan 10 Goldistahl  1 VEAG ‐ Germany 11 Goldistahl  4 VEAG ‐ Germany 12 Omarugawa  4 Kyushu EPCo ‐ Japan 13 Omarugawa  3 Kyushu EPCo ‐ Japan 14 Avce  1 SENG ‐ Slovenia Service  Date 1987 1990 1993 1993 1995 1995 1996 1996 1999 2002 2002 2007 2008 2010 Speed  Pump  Generator  Range  Synchronous  (MW) (MVA) (rpm) speed rpm 18.5 22 190‐210  200 53 ‐ 82  85 130‐156  150 44‐140 103 200‐254 230.8 331‐392 395 330‐390 360 200‐330 360 356‐394 375 240‐400 395 330‐390 360 53 ‐ 82  85 130‐156  150 230‐340 345 408‐450 428.6 31.8 31.5 423‐477 450 170‐300 351 300‐346.6 333 170‐300 351 300‐346.6 333 310 340 576‐624 600 330 345 576‐624 600 125‐180 195 576‐636 600 Frequency  (Hz) 60 50 50 60 50 60 50 50 60 50 50 60 60 50 Speed  Range   % +/‐ 5% +4%/‐13%  +/‐ 10% +/‐ 8% +/‐8% +/‐ 8% +4%/‐13%  +/‐5% +/‐6% +4%/‐10% +4%/‐10% +/‐4% +/‐4% +6%/‐4% AFC Type Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C GTO inv Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C GTO inv GTO inv Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C Cyclo ‐ C GCT inv GCT inv 6 DFIM and Single Speed  Comparison  7 Focus of Modeling Up to Now • Identification of operational benefits • Methodology to quantify benefits • Methodology to value benefits in monetary  terms • Development of “vendor neutral”  transmission system modeling tools 8 Argonne National Labs Report “Modeling and Analysis of Advanced Pumped  Storage Hydropower Technologies”  Report, ANL/DIS‐ 14/7 Web Site: http://www.dis.anl.gov/psh 9 Five sub reports • Review of Existing Hydroelectric Turbine‐Governor  Simulation Models • Modeling Adjustable Speed Pumped Storage Hydro  Units Employing Doubly‐fed Induction Machines • Modeling Ternary Pumped Storage Units • Testing Dynamic Simulation Models for Different  Types of Advanced Pumped Storage Hydro Units • Simulation of the Secondary Frequency Control  Capability of the Advanced PSH Technology and its  Application to the SMUD System. Analytical Tools and Modeling Timeframes NEED FOCUS HERE 10 Power System Modeling  • Review of existing models  • Prepared, Vendor Neutral,  Dynamic Simulation  Models for Adjustable  Speed  Pump Storage Units • Prepared, Vendor Neutral,  Dynamic Simulation  Models for Ternary Pump  Storage Units   11 12 Impact on Transmission Planning  • Short term – Update LGIA process  – Revised data sheets – System Impact Studies in both pump and  generation modes • Long term  – Evaluate Impact of Control Options – Wide Area Stability and Voltage Control  13 Control Options • Active power based control  – Active power controlled by exciter – Rotation speed controlled by governor • Rotational speed based control  – Active power controlled by governor – Rotation speed controlled by exciter 14 15 Ohkawachi PSH and Hanshin  Earthquake – Jan 1995 • Ohkawachi Unit #4 was on‐line in pump mode • Maintained grid voltage  – Fast reactive power control • Continued pump operation – Adjusted pump power and remained on‐line   • Contributed to frequency stability – Adjusted pump power and contributed to grid  frequency stability 16 AS PSH Unit as Part of WACS LSE G G LSE LDC G LSE PSH LSE G B A  boundary 17 Ongoing Efforts • Idaho National Lab (INL) is doing advanced  modeling using PSCAD. • Develop models that include both the  hydraulic dynamics as well as the  pump/turbines, motor/generators and system  dynamics. • US DOE Hydro Vision initiative.  18 US DOE Hydropower Vision  Initiative • Eleven sub groups including: – Grid Integration and Transmission, NREL – Pumped Storage, ANL  • http://energy.gov/eere/water/new‐vision‐ united‐states‐hydropower 19 Questions & Discussion • Advanced Pumped Storage Modeling Task  Force Meeting • Thursday July 24, 2014 at 1:00 pm • Potomac 1 20 Questions & Discussion Credit to Carson Taylor for this graphic