Eine neue Methode zur Ferroresonanzunterdrückung in einem IEEE 33

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3381 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Obwohl die Integration einer verteilten Erzeugung (DG) in ein Verteilungssystem (DS) mehrere Vorteile hat, kann sie mit einigen Problemen einhergehen, wie z. B. Ferroresonanz. Daher wurden Ferroresonanzuntersuchungen in einem integrierten DS mit mehreren DGs als Forschungslücke identifiziert. Zu diesem Zweck stellt dieser Artikel eine neue Methode zur Abschwächung der Ferroresonanz in Verteilungsnetzen vor. Anschließend wurde die Ferroresonanz in einem IEEE-33-Bus-Radial-DS untersucht, der mit mehreren DGs integriert ist. Hier wird der RLC-Shunt-Limiter als Methode zur Abschwächung der Ferroresonanz vorgestellt, einschließlich eines Designansatzes zur Anpassung seiner Abmessungen an das System. Untersuchungen ergaben, dass dieser Shunt auf dem Gegensystemdetektor beruhte, um ihn während der Ferroresonanz mit dem System zu verbinden. Schließlich wurde die Wirksamkeit und Überlegenheit der vorgeschlagenen Methode durch den Vergleich ihrer Ergebnisse mit denen gezeigt, die mit anderen in der Literatur verwendeten Methoden zur Ferroresonanzminderung erzielt wurden.

Angesichts der wachsenden weltweiten Befürchtungen hinsichtlich der Erschöpfung fossiler Brennstoffe und der Umweltfolgen ihrer Nutzung wurde die Einführung der verteilten Energieerzeugung (Distributed Generation, DG) als ideale Lösung dargestellt1. Insbesondere hat die Verbreitung von DG zahlreiche Vorteile für das elektrische System, die Umwelt und die Verbraucher gebracht2,3. Darüber hinaus erhöhen die Verlustkosten im Stromnetz die Rechnungen der Verbraucher. Daher werden DGs als erheblicher Vorteil für die Verbraucher angesehen, da sie ihre Kosten durch die Reduzierung von Verlusten im elektrischen System senken4,5. Darüber hinaus tragen die Generaldirektionen für erneuerbare Energien zur Eindämmung des Problems der globalen Erwärmung und der Treibhausgase bei und reduzieren zusätzlich die Emissionen6,7. Daher wird erwartet, dass bis 2050 die aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte Nennenergie die Hälfte des weltweiten Energiestroms ausmachen wird8. Darüber hinaus unterstützten die Generaldirektionen die Ausweitung des Strommarktes und Investitionen in die Stromnetze9. Diese sind eine hervorragende Lösung für die Überlastung der Transportleitungen10. Sie werden auch eingesetzt, um Systemleistungsverluste zu reduzieren, die Stromqualität zu verbessern und die Zuverlässigkeit eines Systems zu erhöhen11,12. Allerdings unterscheiden sich die Leistungen je nach DG-Typ. Auch wenn DGs zahlreiche Vorteile bieten, sind aufgrund ihrer Verwendung einige Probleme aufgetreten. Daher wird für die Untersuchung und Lösung der meisten Probleme ein erheblicher Aufwand betrieben. Derzeit wurden vier Arten von Generaldirektionen identifiziert. Der erste Typ speist nur Wirkleistung ein, der zweite Typ speist sowohl Wirk- als auch Blindleistung ein, der dritte Typ speist nur Blindleistung ein und der vierte Typ speist Wirkleistung ein, es sei denn, er verbraucht Blindleistung13. Aufgrund der Vorteile dieses Systems wurden daher mehrere Studien über die Wirkung von Generaldirektionen auf ein Netzwerk durchgeführt, um ihre Bemühungen zu demonstrieren.

Unter diesen Studien wurde in Ref. 1 eine Steuerungsmethode zur Verbesserung der Synchronisationsstabilität von wechselrichterbasierten DGs in ein Netz bei Fehlerbedingungen beschrieben. Ihr Modell basierte auf der Bestimmung der maximalen Festfrequenzauslenkung. In Ref. 14 wurde jedoch die Rolle der Integration von DGs vom Windtyp in den Übertragungsabschnitt eingeführt, um die Kosten der Stromerzeugung und die CO2-Emissionen zu senken. Sie zeigten auch die Kosten von Investitionen in Windenergie auf, einschließlich ihrer Rolle bei der Verbesserung des Strommarktes. Während in Ref. 15 die Methoden zur Integration von DGs mit Elektrofahrzeugen in ein Verteilungssystem (DS) zur Verbesserung der Systemleistungsmetriken erörtert wurden, entwickelte Ref. 16 einen methodischen Ansatz zur Bestimmung des optimalen Leistungsgleichgewichts zwischen zentralen Stationen und DGs. Darüber hinaus wurde in Ref.17 ein Algorithmus zur Intensivierung eines Schutzsystems auf Basis von Distanzschutzrelais bei Fehlerbedingungen in Ringnetzen mit hoher DG-Penetration vorgestellt. Während in einer anderen Studie Ref. 7 die Verwendung eines Matrixkonverterstabilisators zur Steuerung des durch DGs verursachten bidirektionalen Leistungsflusses erläuterte, wurden in Ref. 18 DGs eingesetzt, um das Spannungsprofil von DS zu verbessern. In Ref. 19 wurde auch ein Filterdesign vom Typ C zur Abschwächung der durch erneuerbare DGs verursachten Oberschwingungen vorgestellt, während in Ref. 19 und 20 der Beitrag von Wechselrichter-basierten DGs zur Unterstützung der dynamischen Reaktion eines Systems und möglicher Frequenzwiederherstellungsreaktionen vorgestellt wurde kürzeste Zeit. Anschließend wurde in Ref. 8 die Implementierung regenerativer DGs in DS vorgestellt, einschließlich der Verfahren zu deren Steuerung unter Niederspannungsbedingungen. In Ref. 22 wurden Verbesserungen bei der Spannung und Frequenz des in wechselrichterbasierte DGs integrierten DS durch Anpassung der Systemleitungsimpedanz vorgestellt, und in Ref. 23 wurde die Verwendung von Batterieenergiespeichersystemen in Verbindung mit wechselrichterbasierten DGs zur Verbesserung der Transienten erörtert Systemstabilität.

Aus der oben dargestellten Literaturübersicht wird die Bedeutung der GDs und die großen Anstrengungen deutlich, die unternommen werden, um ihren Nutzen zu maximieren und die erwarteten Probleme zu bewältigen. Das Problem der Ferroresonanz bleibt jedoch eine Forschungslücke, die nicht gründlich untersucht wurde und von Generaldirektionen fast vollständig ignoriert wird, was es trotz der Schwere dieses Phänomens zu einer Lücke macht. Während frühere Studien, die zur Untersuchung der Ferroresonanz durchgeführt wurden, sich lediglich auf dieses Phänomen aus der Perspektive des Schutzelements konzentrierten24, untersuchten diejenigen zu DS mit DGs, die sich für Ferroresonanz interessierten, dieses Phänomen nur, stellten jedoch keine Abhilfemethoden bereit25,26. Darüber hinaus lieferte die Studie, die sich auf die Unterdrückung der durch die DGs im DS verursachten Ferroresonanz konzentrierte, nur die Ersatzschaltung des Systems und stützte sich zusätzlich auf die Ferroresonanzminderung erst nach Beseitigung des Fehlers27.

Daher stellt dieses Papier eine Forschungslücke dar: die Untersuchung der Ferroresonanz in einem DS, das mit mehreren DGs integriert ist. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode zur Abschwächung der Ferroresonanz im Falle eines Serienfehlers vorgeschlagen. Anschließend wurden verschiedene Bedingungen zur Untersuchung der Ferroresonanz in einem IEEE 33-Bus-System mit integriertem Wind-DG und Kondensatoren vorgestellt. Schließlich wurde der RLC Shunt Limiter (RLC-SL) als Ferroresonanz-Abschwächungselement vorgeschlagen und anschließend mit anderen zuvor verwendeten Abschwächungsmethoden aus der Literatur verglichen. Es wird die RLC-SL-Verbindung übernommen, die auf einem Gegensystemdetektor beruht.

Die Hauptbeiträge der Arbeit sind wie folgt:

Untersuchung der Ferroresonanz des mit mehreren DGs integrierten IEEE 33-Busverteilungssystems.

Einführung des (RLC-SL) als neuartige Technik zur Reduzierung der Ferroresonanz und ihrer Anpassungsverfahren.

Die Parameter des vorgeschlagenen Schemas werden entworfen und ihre Abmessungen werden an das System angepasst.

Um die vorgeschlagenen Steuerschritte erfolgreich umzusetzen, um den RLC-SL bei Ferroresonanz schnell ans Netz zu bringen, trennt er sich außerdem schnell von der Systemwiederherstellung.

Nachweis der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode im Vergleich zu anderen bestehenden Methoden zur Ferroresonanzminderung.

Der Rest der Arbeit ist wie folgt gegliedert. Im Abschnitt „Systemmodellierung“ wird die Modellierung des IEEE 33-Bussystems sowie dessen Integration mit Kondensatoren und Wind-DG auf der Lastseite vorgestellt. Der Abschnitt „Untersuchung der Ferroresonanz“ untersucht die Ferroresonanz bei verschiedenen Serienfehlerbedingungen auf der Lastseite und am Wind-DG. Im Abschnitt „Abschwächung der Ferroresonanz“ wird das vorgeschlagene RLS-SL als neue Technik zur Ferroresonanzabschwächung vorgestellt und mit einigen bestehenden Methoden zur Ferroresonanzabschwächung verglichen. Die Schlussfolgerung des Papiers finden Sie im Abschnitt „Schlussfolgerung“.

In diesem Abschnitt wird eine Fallstudie zu einem modifizierten IEEE-33-Bus-DS vorgestellt, der mit mehreren DGS durchdrungen ist. Nachdem es mit 33 Bussen und 32 Linien28,29 gebaut wurde, wurde es mit der PSCAD/EMTDC-Software simuliert, wobei der Spannungspegel des Systems 12,66 kV betrug. Anschließend wurde es durch den Einbau von fünf Kondensatoren (dritter DG-Typ) und einer Windturbine (erster DG-Typ) modifiziert, um die Spannung zu verbessern und Verluste zu reduzieren. Abbildung 1 zeigt die Konfiguration des in DGs integrierten IEEE 33-Bus-Systems. Bemerkenswert ist, dass die Kondensatoren so nah wie möglich an den Lasten positioniert wurden. Dabei wurden alle Kondensatoren bei einer Lastspannung von 0,4 kV nach einem 12,66/0,4 kV-Verteilungstransformator angeschlossen und der Windgenerator über einen 0,69/12,66 kV-Transformator an das System angeschlossen. Anschließend wurden die Kondensatorgrößen mithilfe von Gl. bestimmt. (1)30. Die Größen und Standorte aller Kondensatoren und der Windkraftanlage sind in Tabelle 128,31 dargestellt.

Ein modifiziertes IEEE-33-Bussystem, das in DGs integriert ist.

Abbildung 2 zeigt die Spannung auf allen Bussen vor und nach der DG-Integration. Aus Abb. 2 geht hervor, dass die Rolle der DGs bei der Aufrechterhaltung des Spannungswerts aller Systembusse nahe dem Nennwert lag.

Spannungswerte von Systembussen vor und nach der Integration von DGs.

Die Hauptursachen für die Aktivierung der Ferroresonanz sind abnormales Schalten und Fehler. Sie können zu einer Wechselwirkung der nichtlinearen Induktivität mit der Systemkapazität führen. In diesem Abschnitt werden die Maßnahmen untersucht, mit denen die Ferroresonanz im modifizierten IEEE-System untersucht wurde.

Zunächst wurden alle mit den Kondensatoren verbundenen Lasten bewertet. Anschließend wurden alle abnormalen Trennungen an den Anschlüssen des Verteilungstransformators untersucht, was in zwei Fällen zu Ferroresonanzuntersuchungen führte.

Fall eins: Die Last war schattiert, was auf einen einphasigen Ausfall auf der Hochspannungsseite hindeutete. Daher wurde dieser Fall durch die Trennung von CB1 und einer beliebigen Phase von CB2 modelliert, wie in Abb. 3 dargestellt. Während dieses Modell in der getrennten Phase auf der Hochspannungsseite des Transformators zu subperiodischer Ferroresonanz führte, ergab es auf der Hochspannungsseite zwei Phasen Niederspannungsseite. Zusätzlich zeigt Abb. 4 die Spannungswelle vor und nach dem Trennungsmoment. Während auf der Hochspannungsseite der Spannungswert auf 1,98 pu anstieg, stieg er auf der Niederspannungsseite auf 1,45 pu.

Fall zwei: Auch die Last war verschattet und fiel in beiden Phasen auf der Oberspannungsseite aus. Daher wurde dieser Fall modelliert, indem CB1 und zwei beliebige Phasen von CB2 getrennt wurden, wie in Abb. 3 dargestellt. Während diese Modellierung zu einer subperiodischen Ferroresonanz in einer Phase der getrennten Phasen auf der Hochspannungsseite mit einem Pu-Wert von 2,19 führte, beträgt die Eine andere getrennte Phase auf der Hochspannungsseite der subharmonischen Ferroresonanz erschien mit einem Pu-Wert von 1,7. Diese subperiodische Ferroresonanz führte in allen Phasen zu einer niedrigen Spannung von 1 pu. Abbildung 5 zeigt die Spannungswelle vor und nach dem Trennungsmoment der ungesunden Phasen.

Trennung und Verbindung von Last- und Transformatorphasen auf der Hochspannungsseite.

Ferroresonanz im ersten Fall der Trennung von CB1 und einer beliebigen Phase von CB2.

Ferroresonanz im zweiten Fall der Trennung von CB1 und zwei beliebigen Phasen von CB2.

In dieser Arbeit wurden alle abnormalen Trennungsbedingungen auf dem Wind-DG untersucht, der in das modifizierte IEEE-33-Bussystem integriert ist. Abbildung 6 zeigt die Verbindung des Wind-DG zum untersuchten System. Untersuchungen ergaben, dass alle Serienfehlerbedingungen zu Ferroresonanz führten, wie in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Ereignisse 1 bis 3 zeigen einen Zusammenbruch ähnlicher Phasen auf beiden Seiten des Transformators, was zu einer quasi-periodischen Ferroresonanz (QPF) auf beiden Seiten führte der DG-Transformator. Die Ergebnisse dieser Ereignisse waren ähnlich, und das von Ereignis 3 wurde als repräsentatives Beispiel für diese Phase in Abb. 7 dargestellt. Im Gegensatz dazu zeigten die Ereignisse 4 bis 9 den Zusammenbruch unterschiedlicher Phasen auf beiden Seiten des Transformators. Obwohl sie auch zu QPF auf beiden Seiten des DG-Transformators führten und die Ergebnisse dieser Ereignisse ähnlich waren, wie in Abb. 8 dargestellt, unterschied sich das Ergebnis von Ereignis neun, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Ereignisse von 10 bis 18 zeigen jedoch den Ausfall von zwei Phasen auf der Oberspannungsseite und einer Phase auf der Niederspannungsseite des DG-Transformators an. Obwohl sie zu einem QPF auf der Hochspannungsseite des DG-Transformators führten, führten sie insbesondere auch zu einer subharmonischen Ferroresonanz (SHF) auf der Niederspannungsseite des DG-Transformators. Darüber hinaus waren die Ergebnisse dieser Ereignisse ähnlich. Ereignis 17 ist als repräsentatives Beispiel für diese Phase in Abb. 10 dargestellt. Bemerkenswerterweise zeigen die Ereignisse von 19 bis 21, dass der Ausfall einer Phase auf der Hochspannungsseite des DG-Transformators zu SHF auf beiden Seiten des DG führte Transformator, was auch darauf hindeutet, dass die Ergebnisse dieser Ereignisse ähnlich waren. Ereignis 21 ist in Abb. 11 dargestellt. Schließlich stellen die Ereignisse 22 bis 24 den Ausfall zweier Phasen auf der Hochspannungsseite des DG-Transformators dar. Ereignis 24 ist in Abb. 12 dargestellt. Tabelle 2 zeigt alle Trennanordnungen, einschließlich ihrer Ferroresonanztypen und Spannungswerte.

Schematische Darstellung des Anschlusses von Wind DG an das System.

Ferroresonanz bei Ereignis 3.

Ferroresonanz bei Veranstaltung 8.

Ferroresonanz bei Veranstaltung 9.

Ferroresonanz bei Veranstaltung 17.

Ferroresonanz bei Veranstaltung 21.

Ferroresonanz bei Veranstaltung 24.

Es ist zu beobachten, dass sie auf beiden Seiten des DG-Transformators zu SHF führten, wobei die Ergebnisse dieser Ereignisse ähnlich waren. Es war offensichtlich, dass sich der resultierende Spannungswert und die Spannungsform bei Variation der Fehlerzeit nicht änderten.

Ferroresonanz führt zu einem erheblichen Anstieg des Stroms und/oder der Spannung, was eine ernsthafte Gefahr für die Komponenten des Stromnetzes darstellt. Aus diesem Grund konzentrierten sich die Forscher darauf, die Häufigkeit dieses Phänomens zu verringern, um seine erheblichen technischen und finanziellen Probleme zu verhindern. In diesem Abschnitt wird der RLC-SL als Ferroresonanzminderungstechnik zusammen mit seinen Entwurfsverfahren vorgestellt.

In diesem Abschnitt wird ein RLC-SL als neue Methode zur Abschwächung der untersuchten Ferroresonanz vorgeschlagen. Die vorgeschlagene RLC-SL-Methode wurde zunächst mit der in32 verwendeten Shunt-Widerstandsmethode, der in33 verwendeten Shunt-Reaktor-Methode, der in34 verwendeten Serienwiderstandsmethode und der in35 verwendeten Shunt-Nonlinear-Reactor-Methode verglichen. Insbesondere handelt es sich bei der vorgeschlagenen RLC-SL-Methode um einen Shunt-RLC, der mit der Niederspannungsseite des Transformators verbunden ist. Wie Abb. 13 zeigt, war der RLC-SL über einen Leistungsschalter verbunden, der ein Auslösesignal vom Gegensystemdetektor empfängt. Darüber hinaus hatte die Gegensequenz während des Ferroresonanzzustands einen Wert größer als Null. Daher könnten Änderungen im Gegensystemwert zur Aktivierung des Leistungsschalters genutzt werden, wie auch Abb. 13 zeigt. Zu diesem Zweck wurde der vorgeschlagene RLC-SL verwendet, um die Ferroresonanzwelle auf die nächstgelegene Form der stationären Spannung abzuschwächen. Gleichung 2 zeigt das mathematische Modell, das zum Erhalten einer stationären Spannung verwendet wird.

Dabei ist Vsd die stationäre Spannung, Vmax die maximale Spannung und f die Systemfrequenz.

Position und Mechanismus der RLC-SL-Verbindung.

Anschließend konnte aus dem jeweiligen Ersatzschaltbild auf die Wirkung des RLC-SL geschlossen werden. Der erste Fall war die Laststudie, wobei die Ersatzschaltung nach dem Trennungsereignis in Abb. 14 dargestellt ist. Infolgedessen konnte die Ersatzschaltung zur Ableitung der Gleichungen verwendet werden. (3)–(13), die stationäre Spannungswerte durch Anwendung der vorgeschlagenen RLC-SL-Methode ausdrücken, um zu zeigen, wie sich die Änderungen der RLC-Parameterwerte auf den Wert von \({Z}_{RLC}\) auswirken und sich anschließend ändern die Spannungswelle.

Dabei ist Vxx die Spannungswelle nach dem Einfügen von RLC-SL, Icph der einphasige Strom der Kondensatorbank und Xcph die einphasige Impedanz der Kondensatorbank.

Dabei ist Isource der Strom von der Quelle und IRLC der Strom durch den RLC-SL.

Dabei ist Vx die Spannungswelle vor der Hinzufügung von RLC-SL und ZTotal die äquivalente Impedanz von RLC-SL und der einphasigen Impedanz der Kondensatorbank.

Dabei ist IRLC der RLC-SL-Strom und ZRLC die Gesamtimpedanz von RLC-SL

Dabei ist Cph der Phasenwert der Kondensatorbank und Cdelta der Leitungswert der Kondensatorbank.

Dabei ist R der Widerstandswert von RLC-SL, Xc der Kondensatorreaktanzwert von RLC-SL und XL der Reaktanzwert von RLC-SL.

wobei C der Kondensatorwert von RLC-SL ist.

wobei L der Induktivitätswert von RLC-SL ist.

Ersatzschaltung am Lastbolzen unter Verwendung der RLC-SL-Schaltung.

Der zweite Fall umfasste einen Windgenerator als DG, wobei die Ersatzschaltung nach einem Serienfehler in Abb. 15 dargestellt ist. Insbesondere konnte die Ersatzschaltung zur Ableitung der Gleichungen verwendet werden. (8)–(16), die den Wert von \({V}_{xx}\) nach der Addition von RLC-SL ausdrücken, wobei ILoad1 der Laststrom vom DG ist und \({I}_{Wind }\) ist der DG-Strom. Da die Last dann konstant war, führten Änderungen der RLC-Werte zu Änderungen der ZRLC- und IRLC-Werte, was zu Änderungen der Vxx-Werte führte. Durch Verfolgen der Änderung von Vxx konnte daher der Zustand ermittelt werden, der Vsd am nächsten kommt.

Das Ersatzschaltbild bei der DG-Studie nach dem Hinzufügen von RLC-SL.

Die Anpassung des RLC-SL-Werts ist in zwei Schritte unterteilt: Die gemeinsame Anpassung des LC und die Optimierung der RLC-Werte werden gemäß Gl. (17). Die Verfahren zum Erhalten des gewünschten Werts für R sind in Abb. 16 dargestellt. Der Entwurfsprozess beginnt mit der Eingabe der Spannungswellengleichung im Ferroresonanzzustand durch Kurvenanpassung und der anschließenden Eingabe des akzeptablen Bereichs von R. Die Werte werden bis geändert und aktualisiert Erreichen der optimalen Werte mithilfe eines entworfenen Verfahrens, das im Flussdiagramm in Abb. 16 dargestellt ist. Der Wert von R wird durch Kompensieren mit den vielen akzeptierten Werten von R und Vergleichen der Form der resultierenden Welle in jedem Wert mit der Spannungswelle in abgeleitet der stationäre Zustand.

RLC-SL-Einstellstufen.

Der Wert von R wird so gewählt, dass die Spannungswellenform möglichst nahe an der stationären Welle liegt. Diese Studie wird mit der MATLAB-Software durchgeführt. Die Ferroresonanzspannungswelle wurde durch eine MATLAB-m-Datei initiiert, die das Kurvenanpassungstool implementierte. Die Werte des RLC werden unter Verwendung der zuvor beschriebenen Gleichungen bestimmt. (2)–(18). Abbildung 16a zeigt das Flussdiagramm des Entwurfsverfahrens, das bei der Auswahl der Parameter des vorgeschlagenen Minderungsschemas implementiert wurde. Abbildung 16b zeigt ein Kurvenanpassungsbeispiel für die Laststudie im ersten Fall. Dadurch kann der richtige RLC-SL-Wert für jedes System ermittelt werden. Die Wirksamkeit und Wirksamkeit des vorgeschlagenen Schemas wird durch den Vergleich seiner Ergebnisse mit denen gezeigt, die mit anderen in der Literatur verwendeten Methoden zur Ferroresonanzminderung erzielt wurden.

wobei L und C die Kondensator- und Induktivitätswerte von RLC-SL sind.

In diesem Abschnitt wurden die zuvor veröffentlichten Abhilfemethoden implementiert und mit der vorgeschlagenen Methode verglichen. Daher wurden der Shunt-Widerstand36, die Shunt-Drosselspule, die nichtlineare Shunt-Drosselspule, der Serienwiderstand und RLC-SL implementiert, wobei jedes Technikergebnis durch eine bestimmte Farbe angezeigt wurde (Shunt-Widerstand wurde durch Schwarz dargestellt, Shunt-Reaktor wurde durch Gelb dargestellt, Serienwiderstand durch dargestellt durch Rot, der nichtlineare Induktor wurde durch Grün dargestellt und der vorgeschlagene RLC-SL wurde durch Blau dargestellt. Während die Ergebnisse unter Verwendung von Ferroresonanz-Abschwächungstechniken für die ersten und zweiten Laststudienfälle in den Abbildungen dargestellt sind. In den Abbildungen 17 und 18 sind die Ergebnisse der Implementierung von Abschwächungstechniken mit der Windeinheit unter Ferroresonanzbedingungen dargestellt. 19, 20, 21, 22, 23 und 24.

Abschwächung der Ferroresonanz im ersten Fall der Laststudie.

Abschwächung der Ferroresonanz im zweiten Fall der Laststudie.

Abschwächung der Ferroresonanz bei Ereignis 3.

Abschwächung der Ferroresonanz bei Ereignis 8.

Abschwächung der Ferroresonanz bei Ereignis 9.

Abschwächung der Ferroresonanz bei Ereignis 17.

Abschwächung der Ferroresonanz bei Ereignis 21.

Mitigation Ferroresonance bei Ereignis 24.

Durch die Implementierung der Shunt-Widerstandsmethode zeigten die Lastfälle 1 und 2 keine wirksame Abschwächung, wie in den Abbildungen dargestellt. 17 und 18, wohingegen in der Windeinheitsstudie eine wirksame Abschwächung beobachtet wurde, wie Abb. 19, 20, 21, 22, 23 und 24 geben an. Daher wurde es als sinnlose Lösung angesehen.

Im Gegensatz dazu war die Implementierung der Shunt-Nonlinear-Reaktor-Methode zwar eine wirksame Abschwächung in den Fällen 1 und 2 der Last, sie war jedoch aufgrund der hohen Verzerrung in der Spannungsform keine gute Lösung, wie in den Abbildungen gezeigt. 17 und 18. Darüber hinaus wurde in der Windeinheitsstudie zwar keine wirksame Abschwächung beobachtet, wie in den Abb. 19, 20, 21, 22, 23 und 24 geben an; Einige Phasen waren verzerrt, beispielsweise die Ereignisse 12 und 13, wie in den Abbildungen dargestellt. 19, 20, 21, 22, 23 und 24.

Darüber hinaus wurde in der Studie zur Windkraftanlage eine wirksame Schadensminderung durch die Implementierung der Shunt-Reaktor-Methode beobachtet, wie in den Abbildungen dargestellt. 19, 20, 21, 22, 23 und 24, wohingegen es in der Belastungsstudie keine wirksame Minderung gab, wie Abb. 17 und 18 zeigen.

Durch die Implementierung der Reihenwiderstandsmethode konnten die Fälle 1 und 2 zwar eine wirksame Abschwächung erzielen, wie in den Abbildungen gezeigt. 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 wurde sie als unwirtschaftliche Lösung angesehen, da sie zu dauerhaften Systemverlusten führte.

Angesichts der wirtschaftlichen Machbarkeit dieser Methode dürfte die durchschnittliche Lebensdauer des Transformators zwischen 25 und 40 Jahren liegen37,38. Geht man von einer durchschnittlichen Lebensdauer von 35 Jahren aus, entspricht dieser Zeitraum 302.400 Stunden. Laut dem Global Energy Institute betragen die Kosten für eine Kilowattstunde in den Vereinigten Staaten außerdem 11,18 Cent oder 0,1181 US-Dollar, während die Kosten für Verluste aufgrund des Durchgangs von nur 1 A aus einer Windkraftanlage 1071,5 US-Dollar betragen 557 $ bei der Ladung. Infolgedessen übersteigen die Gesamtkosten der Verluste die Kosten der Transformatoren, die zum Schutz vor Ferroresonanz erforderlich sind. Daher ist es besser, diese Technik nicht zu verwenden. Bemerkenswerterweise zeigte die Implementierung der vorgeschlagenen RLC-SL-Methode, dass die Fälle 1 und 2 eine wirksame Schadensminderung bewirkten, wie in den Abbildungen dargestellt. 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24. Während die grünen Zellen anzeigen, dass die Spannung in dieser Phase normal war und nicht durch Serienfehler beeinträchtigt wurde, zeigen die roten Zellen an, dass die Spannung in dieser Phase nach dem Anlegen verzerrt war die Technik. Tabelle 3 zeigt auch die Wirksamkeit des vorgeschlagenen RLC-SL im Vergleich zum Serienwiderstand und der Nebenschlussdrossel bei der Abschwächung der Ferroresonanz. Wie bereits erwähnt, gelang es dem Shunt-Reaktor nicht, die Ferroresonanz während der Laststudien abzuschwächen, sodass der Serienwiderstand eine unwirtschaftliche Lösung darstellte. Infolgedessen war der vorgeschlagene RLC-SL die effektivste Lösung zur Ferroresonanzminderung. Tabelle 3 zeigt die maximalen Ausgangsspannungswerte für jede Phase, nachdem alle Techniken auf den Wind angewendet wurden.

Ferroresonanz ist ein gefährlicher Zustand, der durch die Reihenschaltung von äquivalenter Kapazität und nichtlinearer Induktivität verursacht wird. Dies kann zu einer dauerhaften Überspannung führen, die Geräte beschädigt. Daher wurde in diesem Artikel die Forschungslücke erörtert, die durch Ferroresonanz-Verifizierungsstudien in DS dargestellt wird, in die DGs eindringen. Anschließend wurden Szenarien vorgestellt, die dazu führen könnten, dass der IEEE 33-Bus-DS mit mehreren DGs zur Ferroresonanz integriert wird. Anschließend wurden die Bedingungen der Ferroresonanz und ihre Folgen durch Simulation des DS in PSCAD/EMTDC bestätigt. Schließlich wurde eine Methode zur Minderung der Ferroresonanz in Verteilungsnetzen mithilfe von RLC-SL vorgeschlagen. Anschließend wurde eine Technik zur Bestimmung der RLC-Werte bereitgestellt, die zum modifizierten IEEE-33-Bus DS passt und auf jedes andere System angewendet werden kann. Während der Ferroresonanz wurde der vorgeschlagene RLC-SL über einen steuerbaren Schalter mit dem System verbunden, der ein Auslösesignal vom Gegensystemdetektor empfängt. Daher wurde der entworfene RLC-SL im Vergleich zum Shunt-Widerstand, der nichtlinearen Shunt-Drossel, der linearen Shunt-Drossel und dem Serienwiderstand bewertet. Bemerkenswerterweise übertraf die vorgeschlagene Methode die anderen Methoden hinsichtlich der Effizienz der Ferroresonanzminderung.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Mansoura-Universität in El-Mansoura, Ägypten, und dem High Institute of Engineering der El-Shorouk-Akademie in Kairo, Ägypten, für die Bereitstellung der notwendigen Einrichtungen zur Durchführung der Arbeit.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für elektrische Energie und Maschinen, High Institute of Engineering, El-Shorouk Academy, Kairo, Ägypten

Alaa M. Abdelhamed und Mohamed M. El-Shafy

Abteilung für Elektrotechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Mansoura, Mansoura, Ägypten

Mohamed M. El-Shafy und Ibrahim A. Badran

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Alle Autoren haben an (a) der Konzeption und Gestaltung bzw. Analyse und Interpretation der Daten und (b) der Ausarbeitung des Artikels oder der kritischen Überarbeitung des Artikels im Hinblick auf wichtige intellektuelle Inhalte mitgewirkt.

Korrespondenz mit Mohamed M. El-Shafhy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Abdel-hamed, AM, El-Shafhy, MM & Badran, EA Eine neue Methode zur Ferroresonanzunterdrückung in einem IEEE 33-Bus-Verteilungssystem mit integrierter mehrfach verteilter Erzeugung. Sci Rep 13, 3381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30268-w

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Eingegangen: 21. November 2022

Angenommen: 20. Februar 2023

Veröffentlicht: 28. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30268-w

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