Generic Type 3 WT models: comparison between IEC and WECC approaches

The widespread use of renewable energies around the world has generated the need for new tools and resources to allow them to be properly integrated into current power systems. Power system operators need new dynamic generic models of wind turbines and wind farms adaptable to any vendor topology and which permit transient stability analysis of their networks with the required accuracy. Under this framework, the International Electrotechnical Commission (IEC) and the Western Electricity Coordinating Council (WECC) have developed their own generic dynamic models of wind turbines for stability analysis. Although these entities work in conjunction, the focus of each is slightly different. The WECC models attempt to minimise the complexity and number of parameters needed, while the IEC approach aims to optimise comparison with real turbine measurements. This study presents a detailed comparison between these two different approaches for modeling a Type 3 (i.e., DFIG) wind turbine in MATLAB/Simulink. Finally, several simulations are conducted, with which the consequences of the different approaches are evaluated. The results of this paper are of interest to power system operators as well as wind turbine manufacturers who require further assistance in adapting their specific models to the simplified versions provided by the International Committees

Field Validation of Generic Type 4 Wind Turbine Models Based on IEC and WECC Guidelines

The generic wind turbine models developed in recent years by the International Electrotechnical Commission (IEC) and the Western Electricity Coordinated Council (WECC) are intended to meet the needs of public, standard, and relatively simple (small number of parameters and computational requirements) wind turbine and wind farm models used to conduct transient stability analysis. Moreover, the full-scale converter (FSC) wind turbine technology referred to as Type 4 by IEC and WECC, is increasingly used in current power systems due to its control benefits. Hence, the development of this generic model has become a priority.This study presents the validation of two generic Type 4 wind turbine models, which have been developed in accordance with the IEC and WECC guidelines, respectively. Field data collected from a real wind turbine located in a Spanish wind farm was used to validate both generic Type 4 wind turbine models following the IEC validation guidelines. Ten different test cases are considered, varying not only the depth and duration of the faults but also the load of the wind turbine. The parameters of the models were kept constant for all the simulation cases, aiming to evaluate the accuracy of the models when facing different voltage dips

Modeling, simulation and validation of generic wind turbine models based on international guidelines

En la actualidad, la energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más fiables y rentables. Durante las últimas décadas, su crecimiento ha sido imparable. A finales de 2018, la potencia eólica total instalada en todo el mundo era de 591,5 GW, según el GWEC. De ellos, 51,3 GW fueron instalados sólo en 2018, siendo 2015 un año récord, en el que se instalaron 63,6 GW de potencia eólica. En retrospectiva, en 2001, sólo existían 23,9 GW de capacidad total en todo el mundo. Este rápido desarrollo, junto con todos los beneficios sociales y ambientales asociados al uso de energías renovables, implica la aparición de nuevos desafíos para los sistemas eléctricos actuales. La correcta integración de la energía eólica en los sistemas eléctricos constituye una tarea muy importante para los operadores de estos sistemas, como son los operadores de transporte y distribución. El diseño de los parques eólicos, que consiste en pequeños generadores que suman una potencia instalada considerable, es muy diferente a las unidades de generación convencionales, que suelen estar equipadas con un único gran generador eléctrico. Junto con esta disposición particular, el importante uso de sistemas de electrónica de potencia también define el comportamiento de los parques eólicos. Estas características involucran determinados comportamientos cuando ocurren eventos en la red, como los huecos de tensión. Para hacer frente a estos eventos y garantizar la seguridad y continuidad del suministro de energía, los operadores de los sistemas eléctricos realizan simulaciones dinámicas de sus sistemas. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de la estabilidad transitoria de los sistemas eléctricos, para lo cual se necesitan modelos dinámicos de aerogeneradores y parques eólicos. Tradicionalmente, estos modelos han sido desarrollados por los fabricantes de aerogeneradores. Esto implica una serie de inconvenientes. Por un lado, están diseñados para cubrir las necesidades específicas del fabricante, que no tienen por qué ser las mismas que las de los operadores del sistema eléctrico. Además, cada fabricante define un modelo específico para cada uno de sus modelos fabricados (es decir, existen un gran número de modelos). Por otro lado, los modelos de fabricantes suelen ser considerablemente complejos, y están definidos por un gran número de parámetros. Además, se desarrollan en el software de simulación que mejor se adapta a sus necesidades. Por último, pero no por ello menos importante, todos estos modelos, parámetros y software suelen ser confidenciales, siendo los fabricantes extremadamente celosos con su uso externo. Para resolver estos problemas y cubrir las necesidades de los operadores del sistema eléctrico, entidades internacionales, como la IEC y el WECC, han desarrollado modelos genéricos, también conocidos como simplificados o estándar, de aerogeneradores y parques eólicos. Estos modelos han sido desarrollados para realizar análisis de grandes perturbaciones de tensión a corto plazo (huecos de tensión) en sistemas eléctricos. A diferencia de los modelos de los fabricantes, los modelos genéricos están diseñados para ser públicos, relativamente sencillos (es decir, deben utilizar pocos recursos computacionales y estar definidos por un número limitado de parámetros) y ser fácilmente implementados en cualquier software de simulación. El primer documento internacional que trataba acerca de este tema fue el ``WECC Wind Power Plant Dynamic Modeling Guide'' (2010), donde se definieron por primera vez estos modelos genéricos. Posteriormente, en 2014 se publicó el documento ``Second Generation of Generic Wind Turbine Models'', mejorando la respuesta de los modelos de la versión anterior. Por último, en 2015, la IEC publicó la IEC 61400-27-1 ``Electrical simulation models - Wind turbines''. Aunque el objetivo principal de las dos entidades es el mismo, la definición de modelos genéricos de aerogeneradores que cubrieran los requisitos anteriores, su enfoque es diferente. Por un lado, el WECC se centró en la simplicidad de los modelos. Esto significa que deben definirse por el menor número posible de bloques y parámetros, con las consecuentes implicaciones en la precisión (especialmente en los períodos transitorios) y en el tiempo de simulación. Por otra parte, la IEC pretende dar una respuesta lo más precisa posible, a pesar de las limitaciones de los modelos genéricos. Con todo lo anterior, la presente Tesis Doctoral pretende cubrir tres objetivos principales. En primer lugar, se aborda el modelado de modelos genéricos de aerogeneradores basados en las dos directrices internacionales (IEC y WECC), con especial interés en las tecnologías DFIG y FC. Esta elección no es arbitraria. Actualmente, la tecnología DFIG, conocida como Tipo 3, es la más extendida en los sistemas eléctricos en todo el mundo. Además, la tecnología FC, conocida como Tipo 4, es cada vez más utilizada debido a sus ventajas, así como a la reducción del precio de la electrónica de potencia, especialmente en parques eólicos marinos. En segundo lugar, se comparan ambas perspectivas (IEC y WECC). Esto implica el análisis de las diferencias de modelado, así como el estudio de sus consecuencias, no sólo en la precisión, sino también en la simplicidad y el tiempo de simulación. Por último, se realiza la validación de los modelos con datos de campo recogidos en aerogeneradores reales, siguiendo las consideraciones de la IEC 61400-27-1, para evaluar la precisión de los modelos genéricos

Electromagnetic Torque Transient Control System of a Generic DFIG Wind Turbine Model

The Standard IEC 61400-27-1 intends to cover the current needs of power system operators regarding transient stability analysis of power systems. It provides generic wind turbine models adaptable to any vendor topology and simulation software, simple enough to work under RMS simulation. These models are developed under certain assumptions, trying to strike a balance between simplicity and accuracy. In these terms, depending on the flexibility or stability of the real topology, some behaviors or magnitudes may be dismissed, aiming to decrease the complexity of the model. Nevertheless, this is not the case for IEC Type 3 wind turbine model, which tries to emulate the behavior of magnitudes which are not usually relevant for stakeholders, such as aerodynamic response or electromagnetic torque. This work focuses on the ability of emulating the electromagnetic torque response under voltage dip conditions, illustrating its transient control possibilities in a generic Type 3 wind turbine model. The decrease of this magnitude, due to the voltage drop during the fault, as well as its recovery, can be defined in detail thanks to the complex control model. Hence, this paper may result of interest for those stakeholders involved in the development and adjustment of generic wind turbine model

Implementation of IEC 61400-27-1 Type 3 Model: Performance Analysis under Different Modeling Approaches

Forecasts for 2023 position wind energy as the third-largest renewable energy source in the world. This rapid growth brings with it the need to conduct transient stability studies to plan network operation activities and analyze the integration of wind power into the grid, where generic wind turbine models have emerged as the optimal solution. In this study, the generic Type 3 wind turbine model developed by Standard IEC 61400-27-1 was submitted to two voltage dips and implemented in two simulation tools: MATLAB/Simulink and DIgSILENT-PowerFactory. Since the Standard states that the responses of the models are independent of the software used, the active and reactive power results of both responses were compared following the IEC validation guidelines, finding, nevertheless, slight differences dependent on the specific features of each simulation software. The behavior of the generic models was assessed, and their responses were also compared with field measurements of an actual wind turbine in operation. Validation errors calculated were comprehensively analyzed, and the differences in the implementation processes of both software tools are highlighted. The outcomes obtained help to further establish the limitations of the generic wind turbine models, thus achieving a more widespread use of Standard IEC 61400-27-1

Generic Type 3 Wind Turbine Model Based on IEC 61400-27-1: Parameter Analysis and Transient Response under Voltage Dips

This paper analyzes the response under voltage dips of a Type 3 wind turbine topology based on IEC 61400-27-1. The evolution of both active power and rotational speed is discussed in detail when some of the most relevant control parameters, included in the mechanical, active power and pitch control models, are modified. Extensive results are also included to explore the influence of these parameters on the model dynamic response. This work thus provides an extensive analysis of the generic Type 3 wind turbine model and provides an estimation of parameters not previously discussed in the specific literature. Indeed, the International Standard IEC 61400-27-1, recently published in February 2015, defines these generic dynamic simulation models for wind turbines, but does not provide values for the parameters to simulate the response of these models. Thus, there is a pressing need to establish correlations between IEC generic models and specific wind turbine manufacturer models to estimate suitable parameters for simulation purposes. Extensive results and simulations are also included in the paper