Modeling Advanced TechnologyPumped Storage Peter Donalek Panel Session 

Planning Transmission for Co‐Optimization with Resource Expansion July 29, 2014

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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

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Existing AS PSH Units in Operation

EXISTING ADJUSTABLE SPEED PUMPED STORAGE UNITS

Plant Name Unit #  Utility Name & CountryService Date

Pump (MW)

Generator (MVA)

Speed Range (rpm)

Synchronous speed rpm

Frequency (Hz)

Speed Range   % AFC Type

1 Narude Pilot Project       2 Kansai EPCo ‐ Japan 1987 18.5 22 190‐210  200 60 +/‐ 5% Cyclo ‐ C2 Yagisawa‐Conversion 2 Tokyo EPCo ‐ Japan 1990 53 ‐ 82  85 130‐156  150 50 +4%/‐13%  Cyclo ‐ C3 Takami  2 Hokkaido EPCo ‐ Japan 1993 44‐140 103 200‐254 230.8 50 +/‐ 10% GTO inv4 Ohkawachi  2 Kansai EPCo ‐ Japan 1993 331‐392 395 330‐390 360 60 +/‐ 8% Cyclo ‐ C5 Shiobara‐Conversion  3 Kansai EPCo ‐ Japan 1995 200‐330 360 356‐394 375 50 +/‐8% Cyclo ‐ C6 Ohkawachi  4 Kansai EPCo ‐ Japan 1995 240‐400 395 330‐390 360 60 +/‐ 8% Cyclo ‐ C7 Yagisawa‐Conversion 3 Tokyo EPCo ‐ Japan 1996 53 ‐ 82  85 130‐156  150 50 +4%/‐13%  Cyclo ‐ C8 Okukiyotsu  2 EPDC 1996 230‐340 345 408‐450 428.6 50 +/‐5% GTO inv9 Yanbaru‐Okinawa   1 EPDC ‐ Japan 1999 31.8 31.5 423‐477 450 60 +/‐6% GTO inv10 Goldistahl  1 VEAG ‐ Germany 2002 170‐300 351 300‐346.6 333 50 +4%/‐10% Cyclo ‐ C11 Goldistahl  4 VEAG ‐ Germany 2002 170‐300 351 300‐346.6 333 50 +4%/‐10% Cyclo ‐ C12 Omarugawa  4 Kyushu EPCo ‐ Japan 2007 310 340 576‐624 600 60 +/‐4% Cyclo ‐ C13 Omarugawa  3 Kyushu EPCo ‐ Japan 2008 330 345 576‐624 600 60 +/‐4% GCT inv14 Avce  1 SENG ‐ Slovenia 2010 125‐180 195 576‐636 600 50 +6%/‐4% GCT inv

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DFIM and Single Speed Comparison 

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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

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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

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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.

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Analytical Tools and Modeling Timeframes

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NEED FOCUS HERE

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  

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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 

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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

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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

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AS PSH Unit as Part of WACS16

PSHG

GG

G

LSE

LSE

LSE

LSELDC

B A boundary

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. 

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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

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Questions & Discussion

• Advanced Pumped Storage Modeling Task Force Meeting

• Thursday July 24, 2014 at 1:00 pm• Potomac 1

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Questions & Discussion20

Credit to Carson Taylor for this graphic