PSCAD Simulation of Distance Protection Performance in a Grid with Inverter Interfaced Generation

Abstract

I denne oppgaven har ytelsen til distansevern i et kraftnett med vekselretter-tilkobede produksjonskilder blitt studert gjennom simuleringer i PSCAD. Statnett forventer at problemer for distansevern vil oppstå i nærheten av vindprosjektet Fosen Vind, hvor fleretalls vindparker blir ferdigstilt i 2020. Problemstillingen i oppgaven går ut på å finne et svar på når det dukker opp problemer for distansevernet, som følge av en stadig økende andel av vekselretter-tilkoblede produksjonskilder.

PSCAD modellen består av en transmisjonslinje med vekselrettere på 3,6 MVA tilkoblet venstre ende, og en nett-ekvivalent tilkoblet høyre ende. Distansevern har blitt installert i begge endene av linjen for å analysere hvordan ytelsen deres blir påvirket av vekselrettere. Symmetriske tre-fase-til-jord-feil midt på linjen har blitt brukt som utgangspunkt for studien.

Simuleringssett 1 viste at når én enkel vekselretter var tilkoblet linjen medførte det uakseptabel håndtering av feilen for reléet på vekselretter-siden.

Simuleringssett 2 viste at når ti vekselrettere var tilkoblet linjen medførte det uakseptabel håndtering av feilen for reléet på vekselretter-siden, men med en liten forbedring i ytelsen sammenliknet med Simuleringssett 1.

Simuleringssett 3 viste at når produksjon fra vekselrettere ble sammenliknet med produksjon fra synkronmaskiner medførte en høyere andel vekselretter-produksjon en redusert ytelse for reléet på vekselretter-siden. For feilmotstander på 1 Ohm eller mindre klarte reléet på vekselretter-siden å håndtere feilen korrekt for en vekselretter-andel på 50% eller lavere.

Simuleringssett 4 viste at forholdet mellom kortslutnings-strømbidraget fra de to endene av linjen hadde en negativ påvirkning på reléet installert på siden med lavest bidrag. Reléet klarte å håndtere feilen korrekt for feilmotstander på 0.1 Ohm eller mindre, med opp mot 70 ganger høyere bidrag fra den andre siden.

Distansevernet på nett-siden av linjen opplevde ingen problemer under noen av simuleringene.

På grunn av antakelsene og svakhetene i modellen kan resultatene ikke bli brukt til å gi noen generelle uttalelser om ytelsen til distansevern i et kraftnett med produksjon fra vekselrettere. Mer forskning er nødvendig for å kunne gi nøyaktige uttalelser om hvilke problemer som kan forventes, og under hvilke omstendigheter de vil inntreffe.

In this thesis, the performance of distance protection in a grid with inverter interfaced generation has been studied through PSCAD simulations. Statnett expects problems related to their distance protection relays close to the Fosen Wind project, where several wind farms will be finalized in 2020. At which point distance protection problems should be expected due to the increasing share of inverter interfaced generation, serves as the main problem of the thesis.

The developed PSCAD model consists of a transmission line with 3.6 MVA inverters connected to the left side, and a grid equivalent connected to the right side. Distance protection relays have been installed on both ends of the line to analyze how their performance is influenced by the inverters. Balanced three-phase to ground short circuits located on the center of the line have been used for the protection studies.

Simulation set 1 showed that a single inverter connected to the line caused unsatisfactory tripping for the inverter side relay.

Simulation set 2 showed that ten inverters connected to the line caused unsatisfactory tripping for the inverter side relay, however there was a slight performance improvement compared to Simulation set 1.

Simulation set 3 showed that when inverter generation was compared with synchronous generation, higher inverter generation shares caused reduced inverter side relay performances. For fault resistances of 1 Ohm or less, the inverter side relay was able to trip satisfactorily for inverter generation shares of 50% or less.

Simulation set 4 showed that the ratio of the short circuit current contributions from the two sides of the line had a negative influence on the relay installed on the side with the lowest contribution. The influenced relay was able to trip satisfactorily for fault resistances of 0.1 Ohm or less, with up to roughly 70 times larger short circuit current contribution from the other side.

The distance protection relay located on the grid side of the line did not experience any problems during any of the simulations.

However, due to the model assumptions and weaknesses, the obtained results cannot be used to give any general statements regarding the performance of distance protection in a grid with inverter interfaced generation. More research is needed to be able to give accurate statements related to which problems should be expected and under which circumstances they will occur.