Challenges of Integrating Large Amounts of Wind

8/6/2019 Challenges of Integrating Large Amounts of Wind

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2 0 0 7 1 s t A n n u a l I E E E S y s t e m s C o n f e r e n c eW a i k i k i B e a c h , H o n o l u lu , H a w ai i , USA A p r i l 9 - 1 2 , 2 0 0 7

CHALLENGES OF INTEGRATING LARGE AMOUNTS OF WINDPOWER

J o n a t h a n D . Rose I a n A . H i s k e n sU n i v . o f W i s c o n s i n - U n i v . o f W i s c o n s i n -M a d i s o n M a d i s o n1 4 1 5 E n g i n e e r i n g D r i v e 1 4 1 5 E n g i n e e r i n g D r i v eM a d i s o n , W I 5 3 7 0 6 M a d i s o n , W I 5 3 7 0 66 0 8 - 2 6 2 - 0 7 2 7 6 0 8 - 2 6 1 - 1 0 9 6j r o s e 2 @ w i s c . e d u h i s k e n s @ e n g r . w i s c . e d u

A b s t r a c t - Wind e n e r g y h a s e x p e r i e n c e d 1 . 5 a n d 2 . 3 m e g a w a t t s (MW) e a c h . T h e f a r mr e m a r k a b l e g r o w t h o v e r t h e l a s t d e c a d e , due s t r e t c h e s o v e r 4 7 , 0 0 0 a c r e s , a n d t o t a l s 7 3 6 . 5 MWi n p a r t t o r e n e w e d p u b l i c s u p p o r t a n d o f i n s t a l l e d c a p a c i t y 1 [ 1 ] . F o r c o m p a r i s o n , manym a t u r i n g t u r b i n e t e c h n o l o g i e s . B u t o f t e n t r a d i t i o n a l t h e r m a l p o w e r p l a n t s a r e o n t h e o r d e rh i d d e n f r o m p u b l i c v i e w a r e t h e d i f f i c u l t i e s o f 2 0 0 - 3 0 0 MW, w i t h t h e l a r g e s t c o a l a n d n u c l e a ra n d c h a l l e n g e s a s s o c i a t e d w i t h i n t r o d u c i n g a p o w e r p l a n t s r a t e d a t 2 , 0 0 0 t o 3 , 0 0 0 MW.n e w t e c h n o l o g y i n t o a n o l d e r e l e c t r i c a l s y s t e mo f e s t a b l i s h e d i n f r a s t r u c t u r e . Many e a r l y A l t h o u g h w i n d e n e r g y o n l y s u p p l i e s 0 . 6 % [ 3 ] o fw i n d t u r b i n e s u t i l i z e d a s q u i r r e l - c a g e o r t h e t o t a l U . S . e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o n , t h ew o u n d - r o t o r i n d u c t i o n g e n e r a t o r t o p r o d u c e c o n c e n t r a t i o n o f w i n d e n e r g y i n t o d i s c r e t e l a r g ee l e c t r i c i t y . T h e s e g e n e r a t o r s a l l o w e d s m a l l f a r m s i m p l i e s t h a t i t c a n h a v e v e r y s i g n i f i c a n tv a r i a t i o n s i n r o t o r s p e e d t h u s i m p r o v i n g e f f e c t s o n t h e l o c a l e l e c t r i c g r i d . T h i s p a p e re n e r g y c a p t u r e a n d r e d u c i n g t o r q u e s h o c k s e x p l o r e s some o f t h e s e e f f e c t s : how w i n d e n e r g yc a u s e d b y w i n d g u s t s . H o w e v e r , t h e y d i f f e r s f r o m t r a d i t i o n a l s o u r c e s o f e l e c t r i c a la b s o r b e d l a r g e amounts o f r e a c t i v e power a n d e n e r g y , a n d how e x p e r t s a r e w o r k i n g t o g e t h e r t osometimes c a u s e d s e v e r e v o l t a g e s t a b i l i t y e n s u r e r e l i a b l e d e l i v e r y o f e l e c t r i c i t y a s t h ep r o b l e m s o n t h e g r i d . T h i s p a p e r e x p l o r e s n u m b e r o f w i n d f a r m s c o n t i n u e s t o i n c r e a s e .s o m e o f t h e s o l u t i o n s t h a t h a v e r e s u l t e d o v e rt h e y e a r s , i n c l u d i n g t h e i n t r o d u c t i o n o f two 2 0 0 5 9149 1 1 6 0 3n e w v a r i a b l e - s p e e d g e n e r a t o r t y p e s , d o u b l y - m 6 7 2 52 0 0 3 4 6 8 6 6 3 5 3f e d i n d u c t i o n a n d s y n c h r o n o u s m a c h i n e s . I t 2 0 0 1 4 5 8 6a l s o c o n s i d e r s t h e e v o l u t i o n o f n e w g r i d c o d e s 1 9 9 9 - 2 5a n d t u r b i n e i m p r o v e m e n t s t h a t make w i n d 1 9 9 7 1 0 4 6 8e n e r g y more g r i d - c o m p a t i b l e t o e n s u r e f u r t h e r 1 9 9 5 - 6971 6 5 6g r o w t h o f t h i s p r o m i s i n g r e n e w a b l e s o u r c e o f > 1 9 9 3 1 6 1 71 5 8 4energy. 1 9 9 1 1 5 7 51 5 2 51 9 8 9 1 4 0 3

1 3 9 61 9 8 7 1 3 5 61 2 2 2

W I N D : A NEW PLAYER 1 9 8 5 1 0 3 91 9 8 3 2 4 07 01 9 8 1 1 0The w i n d i n d u s t r y h a s seen e x p l o s i v e g r o w t h i n F i g . 1 . U . S . t o t a l i n s t a l l e d w i n d c a p a c i t y ( M W )t h e l a s t e i g h t y e a r s , d u e t o f a v o r a b l e t a x 1 9 8 1 - 2 0 0 6 [ 4 ] .c o n d i t i o n s , r e n e w e d p u b l i c i n t e r e s t , a n d m a t u r i n gt u r b i n e t e c h n o l o g i e s ( F i g . 1 ) . I t i s common f o rw i n d t u r b i n e s t o b e c o l l e c t e d i n t o g r o u p s , c a l l e d 1w i n d f a r m s . The l a r g e s t w i n d f a r m i n t h e w o r l d i s I n s t a l l e d c a p a c i t y r e f e r s t o t h e m a x i m u m a m o u n t o f e n e r g yt h e H o r s e H o l l o w w i n d r a n c h i n n o r t h w e s t T e x a s , p r o d u c e d b y t h e f a r m t i f w h i n d s a v r a es t r o g e o u g h u t o h r u y a l lb o a s t i n g 4 2 1 w i n d t u r b i n e s t h a t a r e r a t e d between m o s t w i n d f a r m s p r o d u c e 2 5 - 3 5 % o f t h e i r i n s t a l l e d c a p a c i t y [ 2 ] .

1 - 4 2 4 4 - 1 0 4 1 - X / 0 7 / $ 2 5 . 0 0 ) 2 0 0 7 I E E E 1


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A GRID WITH L I M I T E D CAPACITY t r a n s m i s s i o n l i n e s , a n d t h e T e x a s e l e c t r i cr e l i a b i l i t y o p e r a t o r wa s f o r c e d t o c u r t a i l t h e w i n dM o s t e l e c t r i c g r i d s a r e meshed n e t w o r k s o f f a r m o u t p u t v i a c o m p u t e r c o n t r o l . T e x a s h a st r a n s m i s s i o n l i n e s c o n n e c t i n g t o g e t h e r c i t i e s , s i n c e b e e n w o r k i n g t o s o l v e t h i s p r o b l e m w i t ht o w n s , a n d p o w e r p l a n t s . I n t e r c o n n e c t i o n a m b i t i o u s t r a n s m i s s i o n c o n s t r u c t i o n g o a l s .i m p r o v e s r e l i a b i l i t y a n d o p e n s e l e c t r i c i t y t r a d i n go p p o r t u n i t i e s b e t w e e n e n e r g y c o m p a n i e s . A WEAK GRID AND DIFFERENTB e c a u s e e l e c t r i c i t y c a n n o t b e s t o r e d o n a l a r g e TYPES OF GENERATIONs c a l e , p o w e r p l a n t s m u s t c o n s t a n t l y a d j u s t t h e i r TECHNOLOGYo u t p u t t o m a t c h t h e e n e r g y b e i n g c o n s u m e d a n dm a i n t a i n t h e g r i d f r e q u e n c y a t 6 0 H z . T h e w i n d i e s t l o c a t i o n s i n t h e US t e n d t o b ei s o l a t e d a n d r e m o t e [ 9 ] . T h e s e a r e a s o f t e n h a v eI n r e c e n t y e a r s , g r i d e x p a n s i o n h a s l a g g e d b e h i n d w e a ansmon

growth i n electricity c o n s u m p t i o n . [ 5 ] . weak t r a n s m i s s i o n i n f r a s t r u c t u r e , m e a n i n g t h a tg r o w t h q u i n t l y , t h e e l e c t r i c i t y i do n s u m p i o n . t h e t r a n s m i s s i o n l i n e s o p e r a t e a t l o w e r v o l t a g e sc o n g e s t e q u D u l , n h e l e c t r i c g r i d y i s o b e c o m i n g a n d w i t h h i g h e r i m p e d a n c e s t h a n s t r o n g e r p a r t s o fc o n g e s t e d . D u r i n g t i m e s o f h e a v y l o a d ( h e a v y t h g r d Suhlnsaepoysied oe l e c t r i c i t y u s a g e ) , p o w e r l i n e s a p p r o a c h t h e i r acm d a t i n g h w i n d p o e A c o r d i t o oo p e r a t i n g l i m i t s , a n d t h e g r i d o p e r a t o r m u s t t a k e a w , o h i g h e r i m d l i n e s w i l l r i n c u r h i g ea c t i o n ~o prvn o v r o d . W n I n r y i a w , h i g h e r I m p e d a n c e l i n e s w i l l i n c u r h i g h e ra c t e r i o n g ao p r e v o v i c e r l o a d s . e W do m p e n e r g y n i v o l t a g e d r o p s f r o m o n e e n d o f t h e l i n e t o t h e o t h e re n t e r i n g a w o r l d o f I n c r e a s e d c o m pe t it i o n f o r a frtesm muto urn lwf i n i t e g r i da p a c i t y . ~ ~ ~ f o r t h e s a m e a m o u n t o f c u r r e n t f l o w .f i n i t e g r i d c a p a c i t y .F o r t u n a t e l y , timing works infavorofwindIf t h i s v o l t a g e d r o p i s n o t a c c o u n t e d f o r , l o a dF o r t u n l a t e l , t i n g w o r k s i n f v r o f n d e n e g y c e n t e r s ( r e g i o n s w i t h many e l e c t r i c i t y c o n s u m e r so n l a n d , w i n d t e n d s t o b l o w t h e s t r o n g e s t a t n i g h t btfw gnrtr)wudeprec oa n d d u r i n g w i n t e r , w h i le t h e g r i d t e n d s t o b e m o r e v o t a g e s T o n o m a t t h i s e f f e r a n s m s s o nc o n g e s t e d d u r i n g t h e d a y t i m e i n summer when c o m p a n e s . u s u a l t i n s t c a p a c i t o r b n k s .

e l c t i c t cosmto i s h i h s . 6 Atog c o m p a n i e s u s u a l l y I n s t a l l c a p a c i t o r b a n k s .e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o n i e s h i g e s t r a [ 6 ] . i nA l u g h C a p a c i t o r s a r e e l e c t r i c a l e n e r g y s t o r a g e d e v i c e s ,t h i s m a k e s w i n d e n e r g y l e s s d e s i r a b l e I n s e r v i n g whc whncnetdt n Csse,ijc.. ~ w h i c h when c o n n e c t e d t o an AC s y s t e m , i n j e c tp e a k d e m a n d , i t d o e s a l l o w w i n d t o u t i l i z e t h e g r i d r e a c t i v e p o w e r 2 i n t o t h e g r i d . T h i s i n j e c t e d c u r r e n ta t t i m e s w h e n i t i s l e s s c o n g e s t e d . c o m p e n s a t e s t h e l o a d c u r r e n t , c a u s i n g l o a dv o l t a g e s t o r i s e . D e p e n d i n g o n t h e s e v e r i t y o f t h eU l t i m a t e l y a s w i n d f a r m s a n d p o p u l a t i o n c e n t e r s v o l t a g e p r o b l e m , u t i l i t i e s m a y c h o o s e t o i n s t a l lc o n t i n u e t o g r o w , new t r a n s m i | S S I o n l i | n e s W i l l 1 n e e d f i x e d c a p a c i t o r b a n k s , w h i c h i n j e c t n e a r - c o n s t a n tt o b e b u i l t . U n f o r t u n a t e l y , t h e r e a r e u s u a l l y f ie caaio baks w h c . n e t n e r c n t nt e v e r a o b u i l t . e U n f o r t u n a t e l y , s t h e r a r e a c t i v e p o w e r r e g a r d l e s s o f v a r i a t i o n s i n l o a dp o w e r , o r t h e y may u s e more e x p e n s i v e s w i t c h e d* C o s t s c a n e a s i l y e x c e e d $ 1 1 V M / m i l e , a n d c a p a c i t o r b a n k s , w h e r e d i f f e r e n t a m o u n t s o fd e c i d i n g * h o wo s t s t c ne a s l d u e d c s f a i y c a p a c i t a n c e a r e m e c h a n i c a l l y s w i t c h e d i n a n d o u td e c i d i n g hw o d t r i b u t e p c o s t s f a i t o r e g u l a t e t h e l o c a l s y s t e m v o l t a g e s t o s e tamong e l e c t r i c i t y p r o d u c e r s a n d v a l u e s .c o n s u m e r s o f t e n r e s u l t s i nd i s a g r e e m e n t s . W i n d t u r b i n e s t e n d t o c r e a t e v o l t a g e p r o b l e m s o n* L a n d m u s t b e p u r c h a s e d , n u m e r o u s weak p o w e r s y s t e m s . A s a r e s u l t o f w i n dp u b l i c h e a r i n g s m u s t b e h e l d , e l e c t r i c a l - v a r i a b i l i t y , weak g r i d s w i t h h i g h w i n d p e n e t r a t i o ni m p a c t s t u d i e s a n d e v e n e n v i r o n m e n t a l - may e x p e r i e n c e s i g n i f i c a n t v o l t a g e s w i n g s . M o s ti m p a c t s t u d i e s m u s t a l l b e r u n . T h i s c a n g r i d c o d e s r e q u i r e t h a t t h e g r i d v o l t a g e r e m a i nt a k e s e v e r a l y e a r s a n d s i g n i f i c a n t 2c o o p e r a t i o n . R e a c t i v e p o w e r i s a l w a y s a s s o c i a t e d w i t h e n e r g y s t o r a g ed e v i c e s , s u c h a s c a p a c i t o r s a n d i n d u c t o r s . When c o n n e c t e dS i n c e w i n d f a r m s c a n b e b u i l t i n u n d e r a y e a r , t o a s t e a d y - s t a t e AC v o l t a g e s o u r c e , t h e s e d e v i c e s c h a r g e a n dd e v e l o p e r s s o m e t i m e s b u i l d a f a r m , h o p i n g t h a t d i s c h a r g e w i t h e a c h c y c l e o f t h e v o l t a g e s o u r c e . T h e r e s u l t i sd e e o e wtransmission l i n e s w i l l s o o n a r r i v e . O n o n e t h a t no u s e f u l work i s p e r f o r m e d ; r a t h e r e n e r g y m o v e s backn ew t r a n s m i s s i o n l i n e s w i l l s o o n a r r i v e . On one a n d f o r t h b e t w e e n t h e e n e r g y s t o r a g e d e v i c e a n d t h e v o l t a g eo c c a s i o n i n T e x a s , t h e McCamey-area f a r m s s o u r c e . T h e p h a s e ( t i m i n g ) a t w h i c h e n e r g y i s s t o r e d a n d

t o t a l e d 760 MW w h i l e t h e e l e c t r i c g r i d c o u l d o n l y r e l e a s e d i s o p p o s i t e f o r i n d u c t o r s a n d c a p a c i t o r s , a n d a s ae x p o r t 330 MW [ 8 ] . T h e r e were s e v e r a l t i m e s a m a t t e r o f c o n v e n t i o n , i n d u c t o r s a r e s a i d t o c o n s u m e r e a c t i v ep o w e r w h i l e c a p a c i t o r s a r e s a i d t o p r o d u c e i t . R e a c t i v e p o w e ry e a r when t h e f a r m r i s k e d o v e r l o a d i n g c o r r e s p o n d s t o c u r r e n t f l o w t h a t i s p h a s e - s h i f t e d 9 0 d e g r e e s

f r o m v o l t a g e .

2


3/7

w i t h i n 10 % o f n o m i n a l f o r p r o p e r o p e r a t i o n . A c o n t r o l b o x . T h e c o n t r o l b o x u s e s p o w e rt r a d i t i o n a l s w i t c h e d c a p a c i t o r b a n k c a n n o t e a s i l y e l e c t r o n i c s a n d p o w e r r e s i s t o r s t o v a r y t h ef o l l o w v o l t a g e s w i n g s c a u s e d b y a w i n d f a r m , e f f e c t i v e r o t o r r e s i s t a n c e a n d t h u s c o n t r o l r o t o rs i n c e t h e s e d e v i c e s a r e o n l y d e s i g n e d t o c o r r e c t c ur r e nt f l o w ( F i g . 3 ) . T h i s a l l o w e d t h e c o n t r o ls l o w l y - c h a n g i n g v o l t a g e s t h a t n a t u r a l l y o c c u r a s s y s t e m t o c h a n g e t h e g e n e r a t o r s l i p - t o r q u el o a d c y c l e s o v e r 2 4 h o u r s . A s t a t i c v a r c h a r a c t e r i s t i c , e n a b l i n g w i d e r s p e e d v a r i a t i o n sc o m p e n s a t o r ( S V C ) i s a much b e t t e r s o l u t i o n [ 1 0 ] . ( s l i p o v e r 0 - 1 0 % ) . One t u r b i n e m a n u f a c t u r e r ,T h i s d e v i c e i s s i m i l a r t o a s w i t c h e d c a p a c i t o r V e s t a s , i s commonly a s s o c i a t e d w i t h t h i s s e m i -b a n k , b u t i n s t e a d o f m e c h a n i c a l s w i t c h e s , p o w e r v a r i a b l e s p e e d m e t h o d , a n d s o i t i s o f t e n r e f e r r e de l e c t r o n i c s e m i c o n d u c t o r s a r e u s e d t h u s t o b y t h e b r a n d name " O p t i S l i p . "a c h i e v i n g f a s t a n d c o n t i n u o u s l y - v a r i a b l e r e a c t i v ep o w e r o u t p u t . X S t a t o r S q u i r r e l C a g e_n d u c t i o nA n o t h e r r e a s o n wh y w i n d t u r b i n e s c a n s o m e t i m e s R o t o r G e n e r a t o rc a u s e u n e x p e c t e d p r o b l e m s o n t h e g r i d i s d u e t ot h e e l e c t r i c a l g e n e r a t o r t e c h n o l o g y . T r a d i t i o n a l G e a r E l e c t r i c G r i dp o w e r p l a n t s ( f o s s i l f u e l , n u c l e a r , a n d h y d r o ) u s e b o xs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r s , w h i c h r o t a t e i ns y n c h r o n i s m w i t h g r i d f r e q u e n c y . G r i d f r e q u e n c yi s 6 0 H z i n N o r t h A m e r i c a , s o t h e s e g e n e r a t o r sc o m m o n l y t u r n a t 1 2 0 0 o r 1 8 0 0 r p m , w i t h t h ee x a c t r a t i o d e p e n d i n g o n t h e c o ns t r u c t i o n o f t h em a c h i n e . Wind t u r b i n e s , o n t h e o t h e r h a n d , u s ev a r i a b l e s p e e d g e n e r a t i o n t e c h n o l o g i e s t o F i g . 2 . T y p e A g e n e r a t o r c o n f i g u r a t i o n .i n c r e a s e e n e r g y c a p t u r e a t d i f f e r e n t w i n d s p e e d s .V i r t u a l l y a l l w i n d t u r b i n e s f a l l w i t h i n o n e o f t h e f o u rm a i n c a t e g o r i e s t h a t f o l l o w [ 1 1 ] , [ 1 2 ] . S t a t o r W o u n d - R o t o rc I n d u c t i o nR o t o r G n e r a t o rType A : Many e a r l y c o m m e r c i a l - s c a l e w i n dt u r b i n e s u s e d a s i m p l e i n d u c t i o n g e n e r a t o r . G e a r E l e c t r i c G r i dI n d u c t i o n g e n e r a t o r s a r e a l m o s t i d e n t i c a l t o b o xi n d u c t i o n m o t o r s i n c o n s t r u c t i o n ( F i g . 2 ) : t h es t a t o r i s w o u n d w i t h m a g n e t i c c o i l s e n e r g i z e d b yt h e g r i d , w h i l e t h e r o t o r c o n s i s t s o f a s i m p l e , s o l i dm e t a l l i c s h a f t , c a l l e d a s q u i r r e l c a g e . The V a r i a b l ec h a n g i n g m a g n e t i c f i e l d f r o m t h e s t a t o r i n d u c e s r e s i s t a n c ec u r r e n t s i n t h e r o t o r , w h i c h t h e n a g a i n i n t e r a c t a n d c o n t r o lw i t h t h e s t a t o r m a g n e t i c f i e l d s a n d c a u s e t h em a c h i n e t o a b s o r b t o r q u e a n d g e n e r a t e e l e c t r i c i t y . F i g . 3 . T y p e B g e n e r a t o r c o n f i g u r a t i o n .I n d u c t i o n g e n e r a t o r s a r e s i m p l e , d u r a b l em a c h i n e s t h a t a l l o w o n l y s m a l l v a r i a t i o n s i n r o t o r T y p e C : A n u n f o r t u n a t e c h a r a c t e r i s t i c o f t h es p e e d , c a l l e d s l i p , o n t h e o r d e r o f 1 - 3 % . H i g h e r i n d u c t i o n g e n e r a t o r s u s e d i n T y p e A a n d Bv a l u e s o f s l i p c o r r e s p o n d t o f a s t e r r o t o r s p e e d s t u r b i n e s i s t h a t t h e m a c h i n e s c o n s u m e l a r g ea n d m o r e p o w e r g e n e r a t e d . B u t b e c a u s e t h i s a m o u n t s o f r e a c t i v e p o w e r . S i n c e r e a c t i v e p o w e rs p e e d r a n g e i s s o s m a l l , w i n d m i l l s u s i n g t h e s e c o n s u m p t i o n l o w e r s l o c a l g r i d v o l t a g e s [ 1 3 ] , w i n dm a c h i n e s a r e t y p i c a l l y c a l l e d f i x e d m s p e e d t u r b i n e s , f a r m d e v e l o p e r s u s i n g T y p e A a n d B t u r b i n e swe r e o f t e n r e q u i r e d t o i n s t a l l l a r g e n u m b e r s o fT y p e B : S o m e t i m e l a t e r , t u r b i n e m a n u f a c t u r e r s a d d i t i o n a l c a p a c i t o r s a n d SV C u n i t s a t a h i g h c o s t .d e v e l o p e d a n o t h e r g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y w i t h a T o h e l p o v e r c o m e t h i s p r o b l e m , t h e w i n d i n d u s t r yh i g h e r s p e e d r a n g e f o r i n c r e a s e d e n e r g y y i e l d s . t u r n e d t o a n o t h e r t y p e o f g e n e r a t o r , t h e d o u b l y -S t a r t i n g w i t h a n i n d u c t i o n g e n e r a t o r , t h e s o l i d f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o r ( D F I G ) [ 1 4 ] . T h i sr o t o r w a s r e p l a c e d b y a r o t o r w i t h w o u n d c o i l s , g e n e r a t o r i s much l i k e t h e T y p e B g e n e r a t o r ,w h i c h a r e t h e n c o n n e c t e d t h r o u g h s l i p r i n g s 3 t o a e x c e p t i n s t e a d o f a t t a c h i n g a v a r i a b l e r e s i s t a n c e

S l i p r i n g s a l l o w e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n s b e t w e e n s t a t i o n a r ya n d m o v i ng p a r t s o f t h e m a c h i n e .

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a u t o m a t i c a l l yn c r e a s e t h e i re a c t i v e p o w e r o u t p u t --------------- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -t o h e l p r a i s e t h e v o l t a g e . I t i s c r u c i a l t o k e e p p o s t -9 ---------- ----------------------f a u l t v o l t a g e s c l o s e t o n o m i n a l t o e n s u r e t h a t 0 =p r o t e c t i o ny s t e m sp e r a t e p r o p e r l y a n d t o 0 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -p r e v e n t b l a c k o u t s . D 0 . 4 --r i g i n a l i n d t u r b i n e s ( a n d e v e n a n y i n d : --------------- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - I - - - - - - - - - - - -t u r b i n e s i n s t a l l e d t o d a y ) d o n o t o p e r a t e l i k e - 0 0 6 2 5 1 2 3 4t r a d i t i o n a l p o w e r p l a n t s d u r i n g a f a u l t . T i m e ( s )M a n u f a c t u r e r s w a n t e d t o p r o t e c t t h e i r e q u i p m e n t , F i g . s c h e m e a s p r o p o s e d i n FERCs o t h e y o f t e n p r o g r a m m e d t h e t u r b i ne s t o s i m p l y Order66-A [ 1 9 ] .d i s c o n n e c t f r o m t h e g r i d d u r i n g a n y e l e c t r i c a l WIND VARIABILITY AND POWERd i s t u r b a n c e . H o w e v e r , a s t h e n u m b e r o f l a r g e SSE PRTOw i n d f a r m s c o n t i n u e s t o g r o w , m a n y t r a n s m i s s i o n SYSTEM OPERATIONo p e r a t o r s n o l o n g e r v i e w t h i s p r a c t i c e a sa c c e p t a b l e . T h e y w o r r y t h a t , i f a f a u l t s u d d e n l y M a n y p e o p l e w o n d e r , " W h a t h a p p e n s when t h es e n t o f f l i n e a l l t u r b i n e s i n a w i n d f a r m , t h e w i n d s t o ps b l o w i ng ? " C u r r e n t l y , w i n d a c c o u n t s f o rc o m b i n e d e f f e c t o f t h e f a u l t a n d a s u d d e n l o s s o f a s m a l l p e r c e n t a g e o f t o t a l g e n e r a t i o n o n t h e g r i d ,g e n e r at i o n m i g h t c a u s e s e v e r e l y d e c r e a s e d s o t h e v a r i a b i l i t y o f w i n d i s n e g l i g i b l e c o m p a r e d t ov o l t a g e s , a n d l e a d t o v o l t a g e i n s t a b i l i t y . n a t u r a l v a r i a t i o n s i n l o a d . L o a d f o l l o w s w e l l -

e s t a b l i s h e d p a t t e r n s , a c c o r d i n g t o t h e t i m e o f d a y ,I n r e s p o n s e t o t h i s c o n c e r n , t r a n s m i s s i o n w e e k , a n d m o n t h o f t h e y e a r , a n d a c c o r d i n g t o t h eo p e r a t o r s a n d r e g u l a t o r y a g e n c i e s s u c h a s t h e w e a t h e r : p e o p l e t e n d t o consume t h e m o s tF e d e r a l E n e r g y R e g u l a t o r y C o m m i s s i o n ( F E R C ) a m o u n t o f e l e c t r i c i t y d u r i n g a h o t a f t e r n o o na r e d r a f t i n g p r o p o s a l s t h a t new w i n d t u r b i n e s b e w o r k d a y , f o r e x a m p l e . A lt h o u g h t h e l o a d p a t t e r ne q u i p p e d w i t h l o w v o l t a g e r i d e t h r o u g h ( L V R T ) [ 2 ] . o f a l a r g e p o p u l a t i o n i s v e r y w e l l u n d e r s t o o d ,LVRT d i c t a t e s t h a t a t u r b i n e i s t o r e m a i n t h e r e s t i l l e x i s t s s om e r a n d o m v a r i a b i l i t y , a n d s oc o n n e c t e d d u r i n g a p e r i o d o f d e p r e s s e d v o l t a g e , power s y s t e m o p e r a t o r s m u s t b e p r e p a r e d t oa n d c o n t i n u e t o d e l i v e r p o w e r t o t h e g r i d . G r a p h s , a d j u s t g e n e r a t i o n .s u c h a s t h e o n e s h o w n i n F i g . 6 , o u t l i n e t h em i n i m u m v o l t a g e s w i n g o v e r w h i c h t h e t u r b i n e O p e r a t o r s m a i n t a i n e x t r a g e n e r a t i o n c a p a b i l i t y ,m u s t s t a y c o n n e c t e d . T h i s new r e g u l a t i o n h a s c a l l e d r e s e r v e s , i n t h e e v e n t t h a t t h e l o a d s h o u l dp r e s e n t e d a c h a l l e n g e f o r many t u r b i n e s u d d e n l y i n c r e a s e , o r a l a r g e p o w e r p l a n t h a v em a n u f a c t u r e r s , e s p e c i a l l y m a n u f a c t u r e r s o f D F I G m e c h a n i c a l p r o b l e m s a n d s u d d e n l y s h u t d o w n .( T y p e C ) t u r b i n e s . Du e t o t h e n a t u r e o f t h e S p i n n i n g r e s e r v e s a r e a c a t e g o r y o f r e s e r v e s t h a tg e n e r a t o r , a s u d d e n d r o p i n v o l t a g e a t t h e c a n b e made a v a i l a b l e i n l e s s t h a n f i v e m i n u t e sm a c h i n e s t a t o r t e r m i n a l s c a u s e s l a r g e c u r r e n t s t o [ 1 3 ] i . M a n y o t h e r t y p e s o f r e s e r v e s a r e s l o w e r -f l o w i n t h e r o t o r . T h e s e c u r r e n t s c a n e a s i l y r e s p o n d i n g r e s e r v e s , d e s i g n e d t o m e e t s l o w l y -e x c e e d t h e i n v e r t e r r a t i n g s a n d damage t h e r o t o r d e v e l o p i n g u n e x p e c t e d s w i n g s i n l o a d . T h e s ei n v e r t e r . T o p r o t e c t a g a i n s t t h i s , m o s t D F I G c a n s o m e t i m e s t a k e t h e f o r m o f q u i c k - s t a r t 6t u r b i n e m a n u f a c t u r e r s i n c l u d e a m e c h a n i s m g e n e r a t i o n u n i t s . M a n y r e s e r v e s , e s p e c i a l l yw h e r e u p o n o v e r - c u r r e n t , t h e i n v e r t e r i s s p i n n i n g r e s e r v e s , c o s t money t o h a v e a v a i l a b l e ,d i s c o n n e c t e d f r o m t h e r o t o r , a n d a s h o r t c i r c u i t o r t h u s t h e o p e r a t o r w i l l m a i n t a i n t h e l e a s t a m o u n ta g r o u p o f r e s i s t o r s i s c o n n e c t e d t o t h e r o t o r n e e d e d t o s a t i s f y s t a n d a r d r e l i a b i l i t y c r i t e r i a : l o s si n s t e a d [ 1 7 ] . T h i s e f f e c t i v e l y t u r n s t h e D F I G i n t o a o f l o a d p r o b a b i l i t y ( L O L P ) s h o u l d b e n o m o r e t h a nT y p e A o r T y p e B g e n e r a t o r . A l t h o u g h t h i s one d a y i n t e n y e a r s [ 2 0 ] . B e c a u s e l o a dscheme makes t h e g e n e r a t o r v e r y r o b u s t a g a i n s t d e v i a t i o n s a r e c u r r e n t l y much l a r g e r t h a n w i n dg r i d e v e n t s , t h e c h a n g e c a u s e s t h e t u r b i n e t o d e v i a t i o n s , t h e a d d i t i o n o f w i n d r e q u i r e s a n a l m o s ts u d d e n l y s t a r t c o n s u m i n g r e a c t i v e p o w e r , w h i c h n e g l i g i b l e i n c r e a s e i n s y s t e m r e s e r v e s .c o u l d d e c r e a s e v o l t a g e s a n d c a u s e t h e LVRTscheme t o d o more h a r m t h a n i f t h e w i n d t u r b i n e 5 T e n o r f i f t e e n m i n u t e s , b y s o m e d e f i n i t i o n s .h a d s i m p ) l v d i s c o n n e c t e d f r o m t h e a r i d 1 ` 1 8 ] . T n o i t e iue,b o e d f n t o sa d s i m l yi s c n n e c t e f r o m te g r i d 1 8 ] . 6 D i f f e r e n t p o w e r p l a n t s r e q u i r e d i f f e r e n t a m o u n t s o f t i m e a n d

money t o s t a r t u p . Many l a r g e c o a l a n d n u c l e a r p l a n t s r e q u i r eo v e r a d a y t o s t a r t u p , a n d t h u s a r e o f t e n r u n a r o u n d t h e c l o c k .S m a l l e r c o a l p l a n t s c a n s t a r t w i t h i n a f e w h o u r s a n d n a t u r a lg a s t u r b i n e s c a n o f t e n s t a r t w i t h i n m i n u t e s t o m e e t t h e p e a ka f t e r n o o n l o a d s .

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[ 8 ] K . C a r m o d y , " A u s t i n E n e r g y i s i n c r e a s i n g i t s g o a l s [ 2 5 ] F . H u l l e , " L a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n o f w i n d e n e r g y i nf o r r e n e w a b l e p o w e r , d e s p i t e w i n d b a r r i e r s , " A u s t i n t h e E u r o p e a n p o w e r s u p p l y : E x e c u t i v e S u m m a r y , "A m e r i c a n - S t a t e s m a n , O c t . 1 3 , 2 0 0 3 . E u r o p e a n W i n d E n e r g y A s s o c i a t i o n , 2 0 0 5 .[ 9 ] " U n i t e d S t a t e s m a r k e t s e t s new h o r i z o n s , " W i n d [ 2 6 ] P r e s s R e l e a s e : " G E E n e r g y E x p a n di n g W i n dD i r e c t i o n s , E u r o p e a n W i n d E n e r g y A s s o c i a t i o n , May P o w e r ' s G r i d I n t e g r a t i o n C a p a b i l i t i e s , " G e n e r a l2 0 0 6 . E l e c t r i c C o r p , J u n e 2 0 0 6 ,[ 1 0 ] M . P a l s s o n , T . T o f t e v a a g , K . U h l e n , J . T a n d e , h t t p : / / w w w . g e p o w e r . c o m / a b o u t / p r e s s / e n / 2 0 0 6 _ p r e s" L a r g e - s c a l e w i n d p o w e r i n t e g r a t i o n a n d v o l t a g e s / 0 6 0 5 0 6 . h t ms t a b i l i t y l i m i t s i n r e g i o n a l n e t w o r k s , " I E E E P o w e rE n g r . S o c i e t y M e e t i n g , v o l . 2 , p p . 7 62 - 79 6 , 2 0 02 .[ 1 1 ] T . A c k e r m a n n , W i n d P o w e r i n Power S y s t e m s ,E n g l a n d : J o h n W i l e y & S o n s , L t d , p p . 5 3 - 7 8 , 2 0 0 5 .[ 1 2 ] J . S l o o t w e g , S . d e H a a n , H . P o l i n d e r , a n d W. K l i n g ," M o d e l i n g w i n d t u r b i n e s i n p o w e r s y s t e m d y n a m i c ss i m u l a t i o n s , " I E E E P o w e r E n g r . S o c i e t y M e e t i n g ,v o l . 1 , p p . 2 2 - 2 6 , 2 0 0 1 .[ 1 3 ] " W i n d e n e r g y t r a n s m i s s i o n a n d u t i l i t y i n t e g r a t i o n , "N a t i o n a l W i n d C o o r d i n a t i n g C o l l a b o r a t i v e , 1 9 9 7 .h t t p : / / w w w . n a t i o n a l w i n d . o r g / p u b l i c a t i o n s / w e s / w e s O 9 .h t m[ 1 4 ] R . P e n a , J . C l a r e , G . A s h e r , " D o u b l y f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r u s i n g b a c k - t o - b a c k PWM c o n v e r t e r s a n di t s a p p l i c a t i o n t o v a r i a b l e s p e e d w i n d e n e r g yg e n e r a t i o n , " I E E P r o c . o f E l e c t r i c P o w e rA p p l i c a t i o n s , v o l . 1 4 3 , n o . 3 , p p . 2 3 1 - 2 4 1 , May1 9 9 6 .[ 1 5 ] A . P e t e r s s o n , T . T h i r i n g e r , L . H a r n e f o r s , a n d T .P e t r u , " M o d e l i n g a n d e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n o fg r i d i n t e r a c t i o n o f a D F I G w i n d t u r b i n e , " I E E E T r a n s .E n e r g y C o n v e r s i o n , v o l . 2 0 , n o . 4 , p p . 8 7 8 - 8 8 6 , D e c .2 0 0 5 .[ 1 6 ] R . B e r g e n , a n d V . V i t t a l . P o w e r s y s t e m a n a l y s i s ,U p p e r S a d d l e R i v e r N J : P r e n t i c e H a l l , p p . 4 4 5 - 4 4 6 ,2 0 0 0 .[ 1 7 ] L . H o l d s w o r t h , X . G . W u , J . E k a n a y a k e , a n d N .J e n k i n s , " C o m p a r i s o n o f f i x e d s p e e d a n d d o u b l y - f e di n d u c t i o n w i n d t u r b i n e s d u r i n g p o w e r s y s t e md i s t u r b a n c e s , " I E E P r o c . G e n e r a t i o n , T r a n s m i s s i o na n d D i s t r i b u t i o n , v o l . 1 5 0 , n o . 3 , p p . 3 4 3 - 3 5 2 , M a y2 0 0 3 .[ 1 8 ] V . A k h m a t o v , " V o l t a g e s t a b i l i t y o f l a r g e p o w e rn e t w o r k s w i t h a l a r g e a m o u n t o f w i n d p o w e r , " W i n dE n g i n e e r i n g , v o l . 2 9 , n o . 5 , p p . 4 2 1 - 4 3 0 , S e p t . 2 0 0 5 .[ 1 9 ] R . Z a v a d i l , M . N i c h o l a s , E . A b r a h a m , a n d M .E d u a r d , " M a k i n g c o n n e c t i o n s , " I E E E Power &E n e r g y M a g a z i n e v o l . 3 , n o . 6 , p p . 2 6 - 3 7 , N o v .2 0 0 5 .[ 2 0 ] " U t i l i t y w i n d i n t e g r a t i o n s t a t e o f t h e a r t , " U t i l i t y W i n dI n t e g r a t i o n G r o u p , M a y 2 0 0 6 .[ 2 1 ] K . W o l f , M . S c h u e r g e r , M . A h l s t r o m , a n d B . Z a v a d i l ," T h e 2 0 0 6 M i n n e s o t a w i n d i n t e g r a t i o n s t u d y , " N o r t hA m e r i c a n W i n d P o w e r , v o l . 4 , n o . 1 , F e b . 2 0 0 7[ 2 2 ] D . M i l b o r r o w , " W i n d e n e r g y t e c h n o l o g y - - t h e s t a t e o ft h e a r t , " J o u r n a l o f P o w e r a n d E n e r g y : P r o c . o f t h e 1 .M e c h . E n g r s . v o l . 2 1 6 p a r t A , 2 0 0 2 .[ 2 3 ] " F o c u s o n G r i d s : I n t e g r a t i n g w i n d i n t o E u r o p e ' s g r i dn e t w o r k , " W i n d D i r e c t i o n s , E u r o p e a n W i n d E n e r g yA s s o c i a t i o n , N o v . 2 00 5.[ 2 4 ] P . E r i k s e n , T . A c k e r m a n n , H . A b i l d g a a r d , P . S m i t h ,W . W i n t e r , a n d J . G a r c i a , " S y s t e m o p e r a t i o n w i t hh i g h w i n d p e n e t r a t i o n , " I E E E P o w e r & E n e r g yM a g a z i n e v o l . 3 , n o . 6 , p p . 6 5 - 7 4 , N o v . 2 0 0 5 .

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