Protection of AC Wind Collection Grid with HVDC Transmission

Denna rapport beskriver kostslutningsberäkningar för två typer av uppsamlingsnät för vindkraftparker. Båda näten är växelströmsnät. I den ena utgörs vindgeneratorerna av dubbelmatade asynkronmaskiner (Doubly Fed Induction Generator-DFIG) medan det i den andra utgörs av generatorer av fullomriktartyp (Full-scale Converter Generator-FCG). Resultaten har analyserats och rekommendationer för feldetekteringsmetoder för fel i uppsamlingsnät av växelströmstyp har tagits fram. I båda fallen har uppsamlingsnäten varit anslutna till stamnätet via etn spänningsstyv HVDClänk (VSC-HVDC:Voltage Source Converter – High Voltage DC) transmissionssystem.

Förenklade modeller för VSC-HVDC, DFIG och FCG har utvecklats för simuleringsprogramvaran PSCAD/EMTDC. Ett typsystem bestående av 9 vindkraftverk anslutna till tre olika matningar (tre verk per matning) implementerades för studien. Trefasig kortslutning har studerats vid ett antal positioner i uppsamlingsnätet. Kortslutningsbidraget från HVDC-länken och FCG begränsades till 10% över märkström. Spänningar och strömmar har simulerats och analyserats med ”sliding data window” med 20 millisekunders bredd (en 50Hz-cykel). Maxvärden, grundfrekvens och derivator för ström och spänning, övertonsinnehåll samt momentan aktiv effekt och impedans har också beräknats. Skyddslogiken har designats utifrån denna information.

Studien visar att i AC-uppsamlingsnät med DFIG-vindkraftverk kan den felbehäftade ledningen detekteras genom att mäta strömmen vid uppsamlingspunkten. Ett överströmsrelä kan användas för detta ändamål.

Den felaktiga sektionen i felbehäftad ledning kan detekteras genom att jämföra strömmens amplitud vid sektionens båda ändar. Detta görs lämpligen med ett strömdifferential-relä. Detta kräver dock kommunikation mellan sektionens ändar.

För AC-uppsamlingsnät med FCG-vindkraftverk så kan den felbehäftade ledningen detekteras genom att kombinera information om (aktiv) effektriktning och maxström vid uppsamlingspunkten. För detta kan effektriktningsreläer och överströmsskydd användas.

Tre olika metoder för detektering av felaktiga sektioner undersöktes. Den första metoden bygger på att man jämför strömamplitud vid sektionens ändar, den andra på att man jämför (aktiva) effektriktningen vid sektionens ändar och den tredje på att man jämför uppmätta plusföljdsimpedanser vid sektionens ändar. De tre metoderna kräver alla kommunikation mellan sektionernas ändar. Feldetekteringen kan åstadkommas med strömdifferensreläer, effektriktningsreläer och plusföljdsimpedansreläer.