1

Instructor: Kai SunFall 2017

ECE 421 ‐ Electric Energy Systems1 – Overview of Power Systems and 

Electric Power Generation

2

Outline

•Introduction to Electric Power Systems: –History– Energy resources–Grid operations and reliability– Smart grid technologies– Job Markets

3

Milestones in construction of power transmission • 1882: Pearl Street Station, the 1st DC system by Edison, operated in NYC • 1886: Commercially practical transformer and AC distribution system developed by William Stanley

• 1888: Development of poly‐phase AC by Nikola Tesla started “AC vs. DC battle” (AC ‐ Tesla & Westinghouse vs. DC ‐ Edison & Morgan)

• 1889: 1st AC transmission line in the US (1‐phase, 21km at 4kV in Oregon)• 1893: 1st 3‐phase line (2.3kV, 12 km by SCE) in North America; “AC vs. DC battle” ended when AC was chosen at Niagara Falls.

• 1912‐1923: 1st 110kV and 220kV HV AC overhead lines• 1950s: 345kV‐400kV EHV AC lines by USA, Germany and Sweden• 1954: 1st modern commercial HVDC line (96km submarine cable) in Sweden. • 1960s: 735‐765kV EHV AC in Russia, USA and Canada• 1972: 1st thyristor based HVDC Back‐To‐Back system (Quebec‐New Brunswick) in Canada

• 1992: 1st 3‐terminal HVD link (Québec‐New England) at 450kV by ABB• 2009: 1000kV UHVAC and 800kV UHVDC circuits in China• 2014: 4‐terminal UHVDC transmission at 800kV in North‐East Agra, India

4

Why did AC win in “AC vs. DC Battle”? 

•Voltage levels can be easily transformed in AC systems, thus providing the flexibility for use of different voltages for generation, transmission and  consumption

•To reduce transmission power losses (RxI2) and voltage drops, voltage levels have to be high for long‐distance power transmission. HVAC was easier to implement by means of transformers. (At present, the cross‐over point for HVDC to be competitive is around 500km for overhead lines or 50km for underground/submarine cables.)

•AC generators and motors are much simpler than DC generators and motors (commutators needed)

5

How does an AC Transformer Work?

Advantages compared to a DC-to-DC (buck/boost) converter

• Simple and reliable in design

• The primary voltage can be either higher or lower than the secondary voltage

• Power can flow bi-directionally

Source: Alstom.com

6

Why 3‐phase AC?

• Generation and transmission adopt 3‐phase because:– 3 wires for 3 loads (if balanced) – Power in 3‐phase AC is constant, not in pulses as in 1‐phase AC. Thus, more power is delivered and 3‐phase motors run more smoothly

Why not 6 or 12? http://www.youtube.com/watch?v=HqZtptHnC2I

7

D. Elliott, et al, “A Comparison of AC and HVDC Options for the Connection of Offshore Wind Generation in Great Britain,” IEEE Trans. Power Delivery, April 2016.

8

Super Grid Enabled by Multi‐Terminal HVDC 

(Source: presentation by A.-A. Edris in 2007 at EPRI)

(Conceptual figure from altenergymag.com)

Asia Super Grid: • Demand leveling (time zone & climate difference)• Stable supply (through regional interdependence)• Fair electricity price

(Source: SoftBank Group)

Hybrid AC/DC Grid

9

US Energy Resources for Electricity Generation

Coal31%

Natural gas34%

Nuclear20%

Hydro6%

Other renewables

7%

Others2%

2016 U.S. ELECTRICITY GENERATION

Coal

Natural gas

Nuclear

HydroOther Renewables

From www.wikipedia.org

10

11

Fossil Fuel Power Plants

• Coal-fired steam turbine power plantRankine Cycle

• Generation of electricity from heat:

overall=(1Tout/Tin) rest

12

•Coal‐fired steam turbine power plant (Rankine Cycle)1. Boiler burns pulverized coal to 

produce high P&T steam2. Turbines (HP, MP, and LP) convert 

heat of flowing steam to mechanical energy to spin a generator

3. Generator converts mechanical energy to electric energy

• Concerns:– Low efficiency (<45%)– Environmental concerns (major emitters of CO2)

A coal plant in Rochester, Minnesota (source: wikipedia.org)

13

•Gas turbine power plant (Brayton Cycle)– A gas turbine is also called combustion turbine and operates like a jet engine

– Efficiency 46%– Start quickly in minutes (used for peak load) 

– Usually used in conjunction with a heat recovery system generator (HRSG) for a combined‐cycle or co‐generation power plant.

Combustion Turbine Power Plant (source: TVA.com)

(Source: blogspot.com)

Brayton Cycle

14

•Combined‐cycle power plant– Higher overall efficiency (>60%)

Rankine Cycle

Brayton Cycle

+

15

Nuclear Power Plants• Steam power plant except that the boiler is replaced by a nuclear reactor, e.g. BWR (boiling‐water reactor) and PWR (pressurized‐water reactor)

• (30%)

(Source: Wikipedia.org)

16

Hydroelectric Power Plants•Generated electric power:

‐ overall efficiencyh – effective head of water (m)q – rate of flow (m3/s) ‐ density of water 1000kg/m3

g – acceleration due to gravity 9.81m/s2

Norris Dam: 1st major TVA project built in the mid-1930s

q

h

PW

E V ghP q ght t

(source: wikipedia.org)

9.81 (kW)o WP P q gh qh

17

Types of Hydro Plants

•Run‐of‐the‐river hydro plants– Use the nature flow of rivers– Cheap; very little environmental impact– Power outputs may have seasonal fluctuations

•Pumped‐storage hydro plants– Typically have two reservoirs at two elevations– Energy storage function (accounts for >99% of bulk storage): during off‐peak times, the generator can operate as a synchronous motor (pump) to save surplus electricity by elevating water

– Brought to full power within a few minutes from startup (important for grid stability in, e.g. backing up wind/solar power generation)

Pumped storage Plant in Rönkhausen, Germany

(source: wikipedia.org)

18

Solar Power• Photovoltaic (PV)

– Photoelectric effect: Light‐>electricity (efficiency ~ 15%)

• Concentrated solar power (CSP)– Light‐>heat‐>electricity

• Parabolic Troughs, • Parabolic dish concentrators (Dish Stirling, efficiency~30%) 

• Solar TowerStirling EngineStirling EngineStirling Engine

19

20

21

Wind Power Plants

•Generated electric power:

CP – power coefficient 0.4< 16/27 or 0.59 (Betz Limit)

– overall efficiency – air density 1.2kg/m3 at  70oF

A (m2)

v (m/s)2 2

3 2 3

2 3

2 2

2 8

(W)8

KW

O P W P

E mv A vt vPt t tA v D v

D vP C P C

22

23

Types

• Onshore– Closer to existing electrical grids– More noise and visual pollution– Limited land sites

• Offshore– Higher investment and maintenance costs

– Less noise– Huge resources; higher and more stable wind speed

Offshore wind farm (5MW turbines, Belgium)

24

Wind Turbines• Doubly‐Fed Induction Generators (DFIG)

– Most commonly used– “Double fed”: energy is delivered to the grid from both the stator and the rotor– The power electronic converters enable DFIG to operate at the optimal rotor speed and to maximize power generation by controlling the active and reactive power injected into the grid at a constant voltage frequency.

Can short-circuit the rotor during an external fault to ride-

through the voltage dip