Kortsluitgedrag en beveiligingen in distributienetten met hoge penetratie decentale opwekkers (EMVT 06110)

Titel
Kortsluitgedrag en beveiligingen in distributienetten met hoge penetratie decentrale opwekkers (EMVT 06110)

Robuust en compact elektriciteitsnetwerk met aanpassingen verdraagt decentrale energielevering. In het verleden waren elektriciteitsdistributienetten passief, tegenwoordig zijn het door de komst van decentrale opwekeenheden, zoals warmtekrachtkoppelingen, actieve netwerken geworden. Eén van de onderwerpen die aan bod komen in het IOP-EMVT.

Die gewijzigde situatie in de toekomst maakt het noodzakelijk voor netbeheerders om de elektriciteitsnetwerken anders te gaan bekijken. Mogelijk zullen zij in de toekomst de bedrijfsvoering en de beveiliging van de netten moeten aanpassen om decentrale elektriciteitsproductie op grote schaal in het net te kunnen inpassen en dergelijke netten autonoom, als ‘eiland’ te kunnen bedrijven.

Tot nu toe worden decentrale opwekeenheden afgeschakeld bij een kortsluiting in het net, die leidt tot een spanningsdip. Bij een hoge penetratie van deze eenheden kan dit afschakelen een ongecontroleerde kettingreactie van uitschakelende decentrale opwekkers veroorzaken.

Macromodel
In dit EMVT-project wordt gekeken naar de deelproblemen systeemgedrag, het gedrag van decentrale opwekeenheden en de beveiligingsfilosofie.

In het eerste deel zijn door dr. Edward Coster modellen ontwikkeld die het gedrag van opwekeenheden tijdens en na een fout accuraat beschrijven. Met behulp van die modellen kunnen nieuwe regelstrategieën worden ontwikkeld voor het distributienet, daaraan werkt ir. Totis Karaliolis.

In het tweede deelproject aan TU/e wordt onderzoek gedaan naar dynamische en adaptieve beveiligingen. Hierin wordt voortgebouwd op de resultaten van het eerste deelproject en worden modellen en algoritmen voor geheel nieuwe beveiligingen in het distributienet ontwikkeld door ir. Ioanna Xyngi.

Maatregelen
In zijn proefschrift ‘Distribution Grid Operation Including Distributed – Impact On Grid Protection And The Consequences Of Fault Ride-Through Behavior’ komt Edward Coster tot de conclusie dat decentrale energie-opwekkers niet leiden tot fundamentele aanpassingen aan de beveiliging van bestaande netwerken.

Feit is dat decentrale opwekeenheden een significante invloed kunnen hebben op de vermogensstromen in het net, het spanningsprofiel, de power quality en de netbeveiliging. In zijn proefschrift gaat Coster in op het effect van WKK’s op de beveiliging van het distributienet, het effect van fault ride-through criteria op het dynamisch gedrag van het distributienet en op het effect van netbeveiliging en fault ride-through. Hij komt daarbij tot de conclusie dat de Nederlandse netten dusdanig robuust zijn dat het beveiligingsconcept relatief grote hoeveelheden aantallen decentrale opwekkers toestaat.

Foutdetectie en selectiviteit
De beveiligingsproblemen die door de integratie van WKK’s kunnen optreden, kunnen in twee categorieën worden ingedeeld: foutdetectieproblemen en selectiviteitproblemen. Het ‘blinderen’ van de beveiliging is onder meer een detectieprobleem. Het onterecht afschakelen van een niet gestoord netdeel is een selectiviteitprobleem. Van Nederlandse distributienetten is aangetoond dat onterechte afschakeling inderdaad kan gebeuren, speciaal bij fouten dicht bij een onderstation. Momenteel worden WKK’s al afgeschakeld door de onderspanningbeveiliging vóórdat de beveiliging van het netdeel een uitschakelcommando heeft gegenereerd, waardoor de onterechte uitschakeling van een niet gestoord netdeel in de praktijk niet zal voorkomen. Tevens is gebleken dat het blinderen van de beveiliging in het geheel niet gebeurt in Nederlandse distributienetten met WKK’s.

Blokkering
Een modificatie van het beveiligingssysteem en een verandering in de bedrijfsvoering van het distributienet is volgens Coster een mogelijkheid voor het kunnen inzetten van een nog groter aantal WKK’s. Het beveiligingssysteem moet dan worden uitgebreid met communicatieverbindingen en het principe van opwaartse blokkering worden toegepast. De bedrijfsvoering van het distributienet kan worden omgezet van radiale bedrijfsvoering naar geslotenring-bedrijfsvoering. Zo kan de fout worden afgeschakeld zonder dat de WKK’s worden afgeschakeld of de stabiliteitsgrenzen worden geschonden.

Voor fouten in het distributienet is de stabiliteitsmarge echter klein en het afschakelen van de fout moet voldoende snel gaan. Om tot correcte relaisinstellingen te komen, moeten de tijdelementen van het relais en de activeringstijd van de vermogensschakelaar zorgvuldig worden onderzocht.

Stabiliteitsmarge
Coster deed een analyse van welk type kortsluiting in het transportnet leidt tot afschakeling van de WKK’s  in het distributienet. Afschakeling van de WKK’s kan gemakkelijk worden voorkomen, zonder schending van de stabiliteitsmarge, met een geschikte instelling van de onderspanningbeveiliging.

Voor Nederlandse distributienetten, inclusief WKK’s, is aangetoond dat ogenblikkelijk afschakelen van alle WKK’s door een fout kan leiden tot een grote verandering van de actieve vermogensstroom, hoewel de daarmee gepaard gaande stationaire  spanningsafwijking beperkt is. Deze spanningsafwijking kan gemakkelijk worden gecorrigeerd met de trappenschakelaar van de transformatoren. Het gekoppeld houden van de WKK’s na een fout resulteert in een grote slingering van het actieve vermogen, wat ook merkbaar is in de spanning van het subtransport en het distributienet. Een andere consequentie van het aan het net houden van WKK’s is het vertraagde spanningsherstel door de blindvermogenopname van de generator voor een korte periode, nadat de fout is afgeschakeld. Deze vertraagde spanningopbouw leidt tot een schending van de fault ride-through criteria en toch nog tot afschakeling van de WKK’s, zelfs als de voltagedip is doorstaan is.

Voor een verbetering van het spanningsherstel stelt Coster voor om een STATCOM (statische synchroon compensator) te integreren als regelbare bron van reactief vermogen in het lokale distributienet. Hij toonde aan dat een STATCOM een positief effect heeft op het herstel van de spanning. Als resultaat van dit verbeterde spanningherstel wordt de afschakeling van WKK’s voorkomen.

Vervolg
De overige twee promovendi bouwen voort op de resultaten van Coster. Zij onderzoeken het gedrag van andere typen decentrale opwekkers, zoals windturbines, die niet werken met een synchrone generator, maar met andere typen elektrische machines. Verder onderzoeken zij de mogelijkheden van eilandbedrijf, en de gevolgen die dat heeft voor het beveiligingsconcept.

 

Uitvoerders

TU/e – EPS
Prof.dr.ir. J.G. Slootweg
Ir. Totis Karaliolios
Ir. Edward J. Coster

TU Delft, EWI
Ir. Ioanna Xyngi

Onderzoeksperiode
2007-2011

 

Referentielijst

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Effect of Distributed Generation on Protection of Medium Voltage Cable Grids; Proc. CIRED2007, Vienna, Austria, May 21-24, 2007

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Influence of Grid Protection on Stability of DG units; Proc. 42nd Universities Power Engineering Conference (UPEC2007), Brighton, UK 4-6 September 2007

E.J. Coster, A. Ishchenko, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Modeling, Simulating and Validating Wind Turbine Behavior During Grid Disturbances; Proc. IEEE Power Engineering Society General Meeting, Tampa, Florida, USA, June 24-28, 2007

I. Xyngi, M. Popov, L. van der Sluis: Protection Coordination Analysis of Distribution Network with Dispersed Generation; Young Researcher Symposium YRS February 7 – 8 2008, Eindhoven, The Netherlands.

I. Xyngi, M. Popov, L. van der Sluis: Research in Power System Protection on networks supplied with Embedded Generation; Young Researcher Symposium YRS February 7 – 8 2008, Eindhoven, The Netherlands.

I. Xyngi, A. Ishchenko, M. Popov, L. van der Sluis: Protection and Transient Stability Issues in Medium Voltage Grids with Distributed Generation; 6th Mediterranean Conference on Power Generation, Transmission and Distribution, Thessaloniki Greece, 2-5 November 2008

I. Xyngi, A. Ishchenko, M. Popov, L. van der Sluis: Protection, Transient Stability and Fault Ride-Through Issues in Distribution Networks with Dispersed Generation; 43rd International Universities Power Engineering Conference (UPEC2008), Padova, Italy, 1-4 September 2008.

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Transient Stability of Distributed Generation in MV-ring Networks; IEEE Power Engineering Society Transmission & Distribution, Chicago, Illenois, April 2008

E.J. Coster, A. Ishchenko, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Comparison of practical fault ride through curves for MV-connected DG-units; 16th Power Systems Computation Conference (PSCC), 14 – 18 july 2008, Glasgow, Scotland

P. Zonneveld, E.J. Coster, G. Papaefthymiou, L. van der Sluis: Calculation of Grid Losses with the aid of stochastic modelling of wind turbines and loads; Power System Computational Conference (PSCC2008), Glasgow, Scotland

E.J. Coster, A. Van Voorden, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Solving network constraints with DG and FACTS devices: a case study; Innovation for Sustainable Production (I-SUP) 2008, Bruges, Belgium

P. Karaliolios, A. Ishchenko, E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Overview of short circuit contribution of various DG schemes and their influence on grid protection; Universities Power Engineering Conference 2008 (UPEC 2008), Padova, Italy

I. Xyngi, M. Popov: Transient Based Protection Scheme for Distribution Grids Supplied with Distributed Generation; 44th International Universities’ Power Engineering Conference, 1-4 September, 2009, Glasgow, Scotland.

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Fault Ride Through Capabilities for MVconnected DG-units; IET Generation, Transmission & Distribution

P. Karaliolios, E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Fault Ride Through Behaviour of MV-connected Wind Turbines and CHP-plants during Transmission Grid Disturbances; Universities Power Engineering Conference 2009, Glasgow

I. Xyngi, M. Popov, L. van der Sluis: Hybrid Transient Based Protection Scheme for Distribution Grids Supplied with Distributed Generation; European EMTP-ATP Users Group (EEUG) meeting, 26-28 October 2009, Delft, the Netherlands

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Integration of Distributed Generation in Medium Voltage Grids:Protection Issues; DER-journal (accepted for publication)

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Effect of grid disturbances on fault ride through behaviour of MV-connected DG-units; Cigre C6 conference

E.J. Coster, D. van Houwelingen: Integration of DG in MV-grids: Challenges encountered by the grid operator; Cigre C6 conference

E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Grid interaction of MV-connected CHP-plants during Disturbances; IEEE general meeting 2009 Calgary

E.J. Coster, J. Morren, J.M.A. Myrzik, W.L. Kling: Comparison of MV-grid structures on fault ride through behaviour of MV-connection DG-units; CIRED 2009

I.Xyngi, A. Ishchenko, M. Popov, L. van de Sluis: Transient Stability Analysis of a Distribution Network with Distributed Generators; IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 24, Num. 2, May 2009, pp. 1102-1104

I. Xyngi, A. Ishchenko, M. Popov, L. van de Sluis: Coordination between distributed generation stability and undervoltage protection at DG interconnection; International Conference on Power Systems Transients (IPST), 3-6 June, 2009, Kyoto, Japan.

I. Xyngi, M. Popov: Power Distribution Protection Scheme Enhanced with Communication; IEEE PES/IAS Conference on Sustainable Alternative Energy, September 28-30, 2009, Valencia, Spain.

Nima Farkhondeh Jahromi, Ioanna Xyngi, George Papaefthymiou, Marjan Popov, Lou van der Sluis; An Approach to the Real-time Power Balancing for Enhancing the Security of Electrical Networks; Proceedings of North American Power Symposium (NAPS), Mississippi, USA, October 4-6, 2009.

E.J. Coster, D. van Houwelingen: Integration of DG in MV-grids: Challenges encountered by the grid operator; CIRED 2009

I. Xyngi, M. Popov: Transient directional busbar protection scheme for distribution networks; The 10th IET International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP 2010), Hilton Deansgate, Manchester, UK: 29 March – 1st April 2010

I. Xyngi, M. Popov: IEC61850 overview – where protection meets communication; The 10th IET International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP 2010), Hilton Deansgate, Manchester, UK: 29 March – 1st April 2010

I. Xyngi, M. Popov: Integrated busbar protection scheme based on IEC61850-9-2 process bus concept; PES General Meeting, July 25-29, 2010, Minneapolis, Minnesota USA.

I. Xyngi, M. Popov: Smart protection in Dutch Medium Voltage Distributed generation systems; IEEE PES Conference on Innovative Smart Grid Technologies Europe October 11-13, 2010, Lindholmen Science Park, Gothenburg, Sweden

I. Xyngi, N. H. V. Phuong, M. Popov: Influence of Distributed Generation on protection schemes of medium voltage grids; International Conference on Power System Transients, Delft, the Netherlands, June 14-17, 2011

E.J. Coster, P. Karaliolios, I. Xyngi, J.G. Slootweg, M. Popov, W. Kling, L. van der Sluis: Short circuit behavior of distribution grids with a large share of distributed generation units; 21st International Conference on Electricity Distribution, Frankfurt, Germany, 6-9 June, 2011.

E.J. Coster: Distribution Grid Operation Including Distributed Generation; PhD Dissertation, TU Eindhoven, September, 2010

E.J. Coster, J.M.A. Myrzikm, B. Kruimer, W.L. Kling: Integration Issues of Distributed Generation in Distribution Grids; Proceedings of the IEEE, January 2011

I. Xyngi: An intelligent algorithm for smart grid protection applications; PhD Dissertation, Delft University of Technology, November, 2011, ISBN978-94-6186-014-9.