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2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 1 Advanced Inverter Functions for Distributed Solar Integration Tom McDermott, [email protected] Pittsburgh IEEE PELS Chapter February 23, 2016 1. DOE Sunshot and statewide incentives for distributed solar. 2. Managing voltage fluctuations with smart inverters 3. The need for PV to provide ridethrough and grid support 4. Evolution of IEEE Standard 1547 5. Ongoing research into PV inverter functions and models Sponsors: State Net Metering Policies put the focus on distributed resources rather than transmissionconnected plants. 2/23/2016 2 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

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2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 1

Advanced Inverter Functions for Distributed Solar Integration

Tom McDermott, [email protected]

Pittsburgh IEEE PELS Chapter

February 23, 2016

1. DOE Sunshot and state‐wide incentives for distributed solar.2. Managing voltage fluctuations with smart inverters3. The need for PV to provide ride‐through and grid support4. Evolution of IEEE Standard 15475. On‐going research into PV inverter functions and models

Sponsors:

State Net Metering Policies put the focus on distributed resources rather than transmission‐connected plants.

2/23/2016 2Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 2

Net metering tiers can distort the interconnection; a 3 MW generator becomes three 1‐MW generators.

2/23/2016 3

Source: Neil LaBrake, Jr., National GridPgh PELS: Advanced Inverter Functions

2/23/2016 4Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 3

PV Angle Effects may enhance (or degrade) the economics of a PV interconnection.

• Best elevation depends on latitude and season

• Best azimuth depends on time of day

2/23/2016 5Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

The inverter optimally matches the photovoltaic DC output voltage to the AC load via Maximum Power Point Tracking.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 6

0 100 200 300 400 500 6000

4

8

12

16

20

24

100%80%60%40%20%

Vpv [Volts]

Ipv

[Am

ps]

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 4

There are three main concerns with integrating VG on distribution systems.

1. Voltage Fluctuationsa) Inverters can operate at fixed power factor

2. Fault Currents and Overvoltagesa) Inverters contribute only 1.1 – 2.0 times rated

b) Inverters shut down quickly upon open‐circuit or short‐circuit conditions

3. Unintended Islandinga) Utility‐interactive inverters have built‐in anti‐

islanding detection schemes to operate in 2 s

72/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

Sandia, NREL and EPRI have promoted updates to the 15% screening criteria for no‐study PV interconnects.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 8

DG > 2/3 of Min Load?

Q Match within 1%?

Synch Gen > 25% of DG?

1 Product > 2/3 of DG?

Yes

Yes

Anti‐Islanding Screen

Detailed Study

YesYes

No Study

No

No

No

No

Coddington et. al.: Updating Interconnection Screens for PV System Integration

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 5

Optimal (fixed) power factor dispatch alleviates voltage fluctuations, until vendors implement IEEE 1547a

2/23/2016 9

1 12

2 2

100( )( )

(100 Re ) (Im ) 100

drop n nn

drop dropn

V R jX P jQU

dVV V

U

Estimated % Voltage Change:

(R, X in ohms, Sn in MVA, Un in kV)

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

Basic Distribution Software Tasks have been limited to load flow and short circuit analyses.

• Current Flow and Voltage Drop

2/23/2016 10

Conductor Overload? Voltage Range?

• Overcurrent Protective Device CoordinationRS

Detected?R Trip First?

Fuse Saving?

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 6

Quasi‐static Time Series (QSTS) Simulation addresses load and generation variability.

• Time‐stepping through a variable power profile

• Tap changers are active, with time delays

• Capacitor controls with time delays

• Controls remember state at next time

• But it’s not a dynamic simulation:• No inertia

• No numerical integration

• Simple RMS load flow solution at each time step

0

100

200

300

400

500

600

700

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400

Power Output [kW]

Time [s]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

7 9 11 13 15 17 19

Percent Output

Hour of Day

0 180 360 540

On/

Off

Sta

tus

Time [s]

Combustion Turbine Profiles

OffOnOff

OnOffOn

Daily PV (50 kW Unit)Conventional Generator40‐minute Wind

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 11

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

[Hour of Day]

8‐Aug

Peak

Avg

Daily Load Variations)

Intelligent Volt‐Var function attempts to hold a constant voltage using percent available VARs.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 12

Source: “Common Functions for Smart Inverters, v3”, EPRI 3002002233, February 2014 

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 7

“Percent available” output means the physical slope [VARs/volt] varies.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 13

What was the intent? “’Available VARs’” implies whatever the DER is capable of providing at the moment, without compromising Watt output. In other words, Watt output takes precedence over VARs in the context of this function”.Source: “Common Functions for Smart Inverters, v3”, EPRI 3002002233, February 2014, p. 9‐3.  

Dynamic Reactive Current function provides an event‐based response to changes in voltage.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 14

Source: “Common Functions for Smart Inverters, v3”, EPRI 3002002233, February 2014 

Tested with a three‐phase high‐impedance fault in EPRI 3002002271

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 8

Dynamic Reactive Current function provides reactive power in percent of rating.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 15

Source: “Common Functions for Smart Inverters, v3”, EPRI 3002002233, February 2014 

Dynamic Reactive Current function uses a moving average to define the voltage set‐point.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 16

Source: “Common Functions for Smart Inverters, v3”, EPRI 3002002233, February 2014 

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Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 9

A voltage‐control test circuit includes both grid voltage and solar output variability.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 17

Unity Power Factor

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Intelligent Volt‐VAR mitigates fluctuation, but constrains operation (e.g. voltage reduction requires communication).

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 18

Unity Power Factor

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Vreg=1.01, Slope=50

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 10

The burden of choosing settings; detailed studies needed; the wrong choice makes things worse.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 19

0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1-1

-0.5

0

0.5

1

Voltage (p.u.)

vars

(p.

u. a

vaila

ble) Voltvar Response

0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1-1

-0.5

0

0.5

1

Voltage (p.u.)

vars

(p.

u. a

vaila

ble) Voltvar Response

Source: Abate, McDermott, Rylander and Smith, “Smart Inverter Settings for ImprovingDistribution Feeder Performance”, IEEE PES General Meeting, Denver, CO, July 2015.

Adaptive Voltage Regulation provides the best of both intelligent volt‐VAR and dynamic reactive current.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 20

2 2-rated outS P

2 2-rated outS P

1 tregV V e

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Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 11

Adaptive Voltage Regulation mitigates fast voltage fluctuation while tracking slower grid voltage trends.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 21

Vreg=1.01, Slope=50

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Adaptive Vreg, Slope=50

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Dynamic Reactive Current performance may be close to Adaptive Voltage Regulation; Slope = 50.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 22

Dynamic Reactive

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Adaptive Vreg

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

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Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 12

Dynamic Reactive Current and Adaptive Vreg tested with high‐impedance fault on clear day.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 23

Unity Power Factor

4 8 12 16 200.9

0.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-150

-100

-50

0

50

100

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Dynamic Reactive

4 8 12 16 200.9

0.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-150

-100

-50

0

50

100

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Adaptive Vreg

4 8 12 16 200.9

0.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

4 8 12 16 20-200

-150

-100

-50

0

50

100

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Voltage regulation set‐point and reactive power can be limited, if desired.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 24

Q limited to 20 kVAR

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

1.0 < Vreg < 1.03

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 13

Instead of attempting to regulate the grid voltage, dispatch reactive power  (i.e. the bias point is not zero).

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 25

Absorb 40 kVAR

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Supply 40 kVAR

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Shorter Vreg time constants don’t necessarily work better; the optimal value seems to be 1200 seconds.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 26

Vreg Tau = 300 s

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

Vreg Tau = 1200 s

4 8 12 16 200.95

1

1.05

Time [hr]

Vol

ts [

pu]

Vsys

Vreg

4 8 12 16 20-200

-100

0

100

200

Time [hr]

[kW

] or

[kV

AR

]

P

Q

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 14

Results from an actual feeder with 1.7 MW of PV show that Adaptive Voltage Regulation performs well.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 27

Volt‐Watt function can limit steady‐state voltage rise, especially with low X/R ratios (Hawaii uses this).

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 28

Simplified Formula: V R P X Q But do we really want to control V this way, even if P has more leverage than Q?

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 15

A Frequency‐Watt function can help dampen system frequency swings.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 29

(60 )

60pre

f dbP P

k

• P is the real power output [pu]• Ppre is the pre‐disturbance real power output [pu]• f is the disturbed system frequency [Hz]• db is a single‐sided deadband (default to 0.1 Hz)• k is the per‐unit frequency change corresponding 

to 1 per‐unit power output change (defaults to 0.05)

Conclusion – Adaptive Voltage Regulation should be the default behavior of PV inverters.

• The default settings work well (so far…):– Slope = 30– Tau = 1200 s– 0.95 ≤ Vreg ≤ 1.05 [pu]

• Without smart‐grid communications– No need for detailed coordination studies– No wake‐up time for inverter’s voltage response

• With smart‐grid communications– Fail‐safe behavior– Dispatch reactive power, just like shunt capacitors

• Default high‐frequency roll‐off as well

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 30

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 16

Bulk system planners have been concerned with losing large amounts of DG after a fault.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 31

Source: Mahendra Patel, PJM(shaded region has V < 50%)

Source: Nick Miller, GE

Loss‐of‐DG events have caused problems in the European bulk power system.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 32

NERC IVGTF Task 1‐7 Report

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 17

IEEE 1547a‐2014 allows voltage regulation and requires more adjustability in voltage and frequency trip settings.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 33

After more than 10 years, IEEE 1547 is in a full revision process to more fully address the issues.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 34

75% Ballot Return and 75% Yes

Before 2012: a 5‐year Life Cycle (if “Reaffirmed”)

Since 2012: a 10‐year Life Cycle

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 18

An early draft of P1547 clause 4.2 opens the door to technology‐dependent ride‐through requirements.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 35

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

150%

0.01 0.1 1 10 100

Voltage (%

 of base)

Cumulative Time (sec)

B

A

C

D

EMandatory Overvoltage TripClearing Time (default values) 

Mandatory Undervoltage TripClearing Time (Class I default values)

Class II Low‐Voltage Ride‐through and Clearing Times (triangle markers)

One of “shall do” standards (1547.1‐2005) supports UL 1741, which defines how single inverters are tested.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 36

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 19

How to strengthen the provisions for intentional islanding (aka micro‐gridding) with new functions?

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 37IEEE 1547.4‐2011

What islanding detection methods will be reliable in multi‐inverter and high‐penetration scenarios?

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 38

• Xu et. al.: A Power Line Signaling Based Technique for Anti‐Islanding Protection of Distributed Generators—Part I: Scheme and Analysis

• Wang et. al.: A Power Line Signaling Based Scheme for Anti‐Islanding Protection of Distributed Generators—Part II: Field Test Results

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 20

Pitt and Duquesne Light are monitoring PV output variability at multiple sites, on a 1‐second time scale.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 39

June 7-8, 2014

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00285

290

295

Time of Day

Vo

lts R

MS

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:0050

100

150

200

250

Time of Day

Am

ps R

MS

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00-60

-40

-20

0

20

Time of Day

kW @

60

Hz

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00-25

-20

-15

-10

Time of Day

kVA

R @

60

Hz

2/23/2016 40

User Local Machine

‐ GIS extract files‐ Model adjustments‐ Simulation settings

‐ Simulation results‐ Visualizations‐ Model export

Web Server

Feeder Simulations(OpenDSS)

Browser(HTML5,Javascript)

Model Creation(PERL)

Server(Apache or IIS, PHP)

GIS Feeder Extract(SQL)

GIS Data Server

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions

OpenDSS running on a Web Browser enables engineers at FirstEnergy to simulate voltage fluctuations.

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 21

The user can extract and analyze OpenDSS feeder models from the Geographic Information System.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 41

Symmetrical components can work with PV inverter sources, but results may be pessimistic?

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 42

12 0LZ

12 0LZ 0SZ

02 YZ 02 YZ

1 0TZ

12 1LZ

12 1LZ 1SZ

12 YZ 12 YZ

1 1TZ

12 1LZ

12 1LZ 1SZ 1 1TZ

1.05puSV

0 1 2F F FI I I

XI

YI

12 YZ 12 YZ

0THZ

1THZ

DGV

2THZ

1.1puDGI

NORTZ

2 0TZ

3 NZ

2 1TZ

2 1TZ

1mB

2mB

0mB

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 22

Detailed PV transient models present issues with software licenses, proprietary data & learning curves.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 43

SLGF TOV, 30 KVA Grounding, 0.16s Delay

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

2

4

Vpc

c [p

u]

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

5

10

Ipcc

[pu

]

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 10

50

100

150

Ifdr

[pu

]

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 158

60

62

64

Fre

quen

cy [Hz]

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1-1

0

1

2

Time [s]

Spc

c [p

u]

P

Q

Simplified forOpenDSS

Inverter open‐circuit and short‐circuit behavior testing to identify models for application studies.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 44

DC

Out

pu

t DC

Inpu

t

AC

Ou

tput

1ph

s A

C1p

hs

AC

L3

L2L1

3p

hs

AC

1ph

s A

C1p

hs

AC

GN

DN

2/23/2016

Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 23

Creating a better PV inverter model for OpenDSS, using system identification.

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 45

Step Response of Linear Block

Piecewise Linear Function 

representing output 

nonlinearity

Piecewise Linear function representing 

input nonlinearity

Piecewise Linear function representing 

input nonlinearity

Hammerstein‐Weiner Modeling Framework

45

What can you do? The next P1547 meeting will be in Juno Beach, FL, March 8‐9. We need consistent participation!

2/23/2016 Pgh PELS: Advanced Inverter Functions 46

http://grouper.ieee.org/groups/scc21/