Communication-Based Adaptive Protection of AC Microgrids with Converter-Based Distributed Energy Resources

Abstract

The implementation of AC microgrids has many economic and technical challenges. The most prominent technical challenges of AC microgrids include those of control and protection. The operation of AC microgrids in both grid-connected and islanded modes, the connection and disconnection of distributed energy resources (DERs) due to operational and economic reasons, and the limited fault current contribution of converter-based DERs require adaptive control and protection schemes. Communication links between control and protection devices need to be provided to implement adaptive control and protection schemes. The protection devices should be capable of handling unwarranted and nondeterministic communication delays and failures. In addition to the grid-following control of DERs, the grid-forming control of DERs is also required for the islanded mode of operation. Additionally, some kind of energy storage is also required for smoothing load and generation variations in the islanded mode. The grid codes are usually available for the grid-connected mode of operation, therefore new grid codes for the islanded mode of operation need to be developed, as well as directional protection schemes for various configurations and modes of AC microgrids.

Considering the above factors, a communication-based adaptive protection of radial AC microgrids with converter-based DERs is proposed, analyzed and validated using offline and real-time hardware-in-the-loop (HIL) simulations in this thesis. Various Ethernet-based communication protocols have been reviewed, and the IEC 61850 communication based generic object-oriented substation event (GOOSE) protocol has been selected for application in adaptive protection schemes. The method of handling communication failures by intelligent electronic devices (IEDs) or protection relays is also proposed. Based on simulation results, the definite-time coordination of overcurrent protection relays is suggested for the islanded mode of radial AC microgrids. The extent of fault current contributions from DERs and battery energy storage systems (BESS) to avoid definite-time adaptive overcurrent protection scheme and ensuring fast fuse operations is investigated for different islanded modes. Directional protection schemes based on current magnitude comparison and symmetrical component methods have been proposed and evaluated. Also, methods for the detection of open phase faults and new low voltage ride-through (LVRT) and high voltage ride-through (HVRT) curves for converter-based DERs are suggested in this thesis.

Vaihtovirtaan (AC) perustuvien mikroverkkojen käyttöönottoon liittyy monia taloudellisia ja teknisiä haasteita. Merkittävimmät tekniset haasteet koskevat järjestelmän ohjausta ja suojausta. AC-mikroverkkojen toiminta sekä muuhun verkkoon kytkeytyneenä että itsenäisenä saarekkeena, hajautettujen energiaresurssien (DER) kytkeminen ja irrottaminen sekä niiden rajallinen kyky syöttää vikavirtaa edellyttävät mukautuvia ohjaus- ja suojausjärjestelmiä. Eri ohjaus- ja suojalaitteiden välillä on oltava tietoliikenneyhteydet adaptiivisten suojausjärjestelmien toteuttamiseksi. Suojalaitteiden tulee pystyä käsittelemään ennakoimattomia viiveitä ja virheitä tietoliikenteessä. DER-yksiköiden säädön tulee toimia normaalin verkkoa seuraavan tilan lisäksi myös verkon muodostavassa tilassa toimittaessa saarekekäytössä. Lisäksi tarvitaan strategia energian varastointiin kuormituksen ja tuotantovaihteluiden tasoittamiseksi saareketilanteessa. Verkkoonliitynnän määräykset ovat yleensä saatavilla verkkoon kytketylle toimintatavalle, joten saarekekäytölle on kehitettävä uusia ohjeita. Tarvetta olisi myös kehittää suunnattu suojausjärjestelmä, joka toimisi erilaisilla mikroverkoilla ja eri toimintatiloissa.

Edellä mainitut tekijät huomioon ottaen tässä väitöskirjassa ehdotetaan, analysoidaan ja validoidaan verkkovaihtosuuntaajiin perustuvia energiaresursseja sisältävien AC-mikroverkkojen tietoliikennepohjaisia adaptiivisia suojausratkaisuja sekä ei-reaaliaikaisilla simuloinneilla että reaaliaikaisilla hardware-in-the-loop (HIL) -simuloinneilla. Työssä on tarkasteltu Ethernet-pohjaisia viestintäprotokollia, ja IEC 61850 -standardin mukainen GOOSE-protokolla on valittu käytettäväksi adaptiivisissa suojausjärjestelmissä. Simulointitulosten perusteella työssä ehdotetaan käytettäväksi ylivirtasuojareleiden vakioaikaan perustuvaa koordinointia saareketilassa. Saareketilan osalta on tutkittu DER-yksiköiden ja akkuenergiavarastojen (BESS) tuottaman vikavirran lisäämistä niin, että adaptiivinen ylivirtasuojaus voitaisiin välttää ja varmistettaisiin nopea sulakesuojauksen toiminta. Lisäksi työssä on ehdotettu ja arvioitu virran suuruusvertailuun ja symmetristen komponenttien käyttöön perustuvia suunnattuja suojausjärjestelmiä. Väitöskirjassa ehdotetaan myös menetelmiä vaihekatkosten havaitsemiseksi sekä uusia rajakäyriä vaihtosuuntaajapohjaisten DER-yksiköiden jännitekuopan (LVRT) ja jännitteen nousun (HVRT) sietoisuudelle.