Investigation of the Transient Recovery Voltage across Circuit Breakers in Networks with Distributed Energy Resources

Abstract

Tilkoblingen av små-skala kraftproduksjon i distribusjonsnettet har mange positive sider. Dette innebærer blant annet reduserte kostnader relatert til re-investering i transmisjonslinjer, økt pålitelighet, og en økt andel av fornybar energi. Likevel bidrar dette også til nye utfordringer på grunn av endringen i effektflyt og nettkonfigurasjon. Blant disse utfordringene er mer alvorlige transiente gjenopprettelsesspenninger. På bakgrunn av dette er det en bekymring for at kapasiteten til de originale effektbryterne lokalisert i distribusjonsnettet skal overstiges i tilfellet med distribuert kraftproduksjon.

Hensikten med denne masteroppgaven har vært å undersøke hvordan tilkoblingen av distribuerte energikilder påvirker de transiente gjenopprettelsesspenningene som effektbrytere i distribusjonsnettet utsettes for. Dette ble gjort ved hjelp av to ulike sammenlignings nettverk bygd i PSCAD: et vindkraftnettverk og et solkraftnettverk. Siden den transiente gjenopprettelsesspenningen er svært avhengig av parameterne i nettverket, ble også effekten av å endre noen av disse parameterne studert. Formålet med dette var å observere noen av de mest kritiske tilfellene.

Den samme kort-linje feilen ble påtrykt både i solnettverket og i vindnettverket, og den resulterende transiente gjenopprettelsesspenningen ble undersøkt. Den resulterende transiente gjenopprettelsesspenningen ble deretter sammenlignet med den relevante kapasitet-kurven til bryteren. Dette ble gjort i både vindnettverket og solnettverket for de samme parametervariasjonene. De fire parameterne som ble undersøkt er: linjelengde, kabellengde, effektflyt gjennom bryteren, og tiden mellom kortslutning og kontakt-separasjon i bryteren.

Det ble observert at toppverdien til den transiente gjenopprettelsesspenningen var innenfor kapasiteten til bryteren for alle de valgte parametervariasjonene i både vindnettverket og solnettverket. Angående stigningen til den transiente gjenopprettelsesspenningen ble det observert stor forskjell mellom vindnettverket og solnettverket. I vindnettverket ble det observert at stigningen til den transiente gjenopprettelsesspenningen oversteg kapasiteten til bryteren for flere av de valgte parametervariasjonene. På den andre siden, i solnettverket ble det observert at stigningen til den transiente gjenopprettelsesspenningen var innenfor kapasiteten til bryteren for alle de valgte parametervariasjonene. Forklaringen på hvorfor de bratteste stigningene til den transiente gjenopprettelsesspenningen ble observert i vindnettverket kan være relatert til de høye feilstrømmene som ble observert i vindnettverket sammenlignet med solkraftnettverket.

The addition of small scale generating units to the distribution grid comes with many positive aspects. Among these are reduced costs related to re- investments in transmission lines, increased reliability, and an increased share of renewable energy. However, new challenges have occurred due to the new grid configuration and direction of power flow introduced with distributed generation. Among these concerns are the new stresses applied to the circuit breakers, where more severe transient recovery voltages may be produced. On the basis of this, there is a concern that the original breakers located in the distribution grid are operating beyond their limits in the case of distributed generation.

The objective of this thesis has been to investigate how the addition of the distributed energy sources wind power and photovoltaic will affect the transient recovery voltage applied across medium voltage circuit breakers. This was done with the use of two different base case networks created in PSCAD: one wind power network and one photovoltaic network. Since the transient recovery voltage is highly dependent on the network parameters, the effect of changing some of these have been included in this study. This was done with the aim of observing some of the worst case scenarios.

The same short line fault was applied to both the photovoltaic and the wind power network, and the resulting transient recovery voltage was recorded. The resulting transient recovery voltage was then compared to the relevant capability curve for the circuit breaker under investigation. This was done in both the photovoltaic and the wind power network for the same parameter variations. The four parameters that were investigated are: line length, cable length, power flow through the breaker, and the time between the short circuit instant and the contact separation of the circuit breaker.

It was observed that the peak of the transient recovery voltage was kept within the capability of the breaker for all the chosen parameter variations in both the photovoltaic and the wind power network. However, concerning the rate of rise of recovery voltage a great difference between the photovoltaic and the wind network was observed. In the wind power network the rate of rise of recovery voltage exceeded the capability of the breaker for several of the chosen parameter variations. However, in the photovoltaic network the rate of rise of recovery voltage was kept within the breaker limit for all the chosen parameter variations. The explanation to why the steepest rate of rise of recovery voltages observed in this study were seen in the wind power network could be related to the high fault currents observed in the wind power network compared to the photovoltaic network.