IEEE 33 における鉄共鳴抑制の新しい方法

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3381 (2023) この記事を引用

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分散型発電 (DG) を配電システム (DS) に統合すると、いくつかの利点がありますが、鉄共鳴などのいくつかの問題が伴う場合があります。したがって、複数の DG を備えた統合 DS での鉄共鳴研究は、研究ギャップとして認識されています。この目的を達成するために、本稿では、配電ネットワークにおける鉄共振を軽減する新しい方法を提案し、その後、マルチ DG と統合された IEEE-33 バスラジアル DS における鉄共振を調査しました。ここでは、システムに合わせて寸法を調整する設計アプローチを含む、鉄共振を軽減する方法として RLC シャントリミッターが紹介されています。調査の結果、このシャントは、鉄共鳴中にシステムに接続するために逆相検出器に依存していたことが明らかになりました。最後に、提案された方法の有効性と優位性は、その結果を文献で使用されている他の既存の鉄共鳴緩和方法を使用して得られた結果と比較することによって実証されました。

化石燃料の使用による環境への影響を含め、化石燃料の枯渇に対する懸念が世界的に高まる中、分散型発電 (DG) の採用が理想的な解決策として描かれています1。特に、DG の普及は、電気システム、環境、消費者に多くの恩恵をもたらしています 2,3。さらに、電力網の損失によるコストが消費者の請求額を引き上げます。その結果、DG は、電気システムの損失を削減することでコストを削減できるという点で、消費者にとって大きなメリットがあると考えられています4,5。さらに、再生可能な DG は、排出量の削減に加えて、地球温暖化と温室効果ガスの問題の緩和にも貢献します6,7。したがって、2050 年までに、再生可能エネルギー源から生成される定格電力が世界の電力の半分を占めるようになることが予想されます8。さらに、DG は電力市場の拡大と送電網への投資を支援し 9、輸送ラインの混雑に対する優れた解決策となっています 10。また、システムの電力損失を削減し、電力品質を改善し、システムの信頼性を高めるためにも採用されています11、12。ただし、DGの種類によって特典が異なります。また、DG には多くの利点がありますが、その使用によりいくつかの問題が発生します。その結果、ほとんどの問題を調査して解決するには、多大な労力が費やされます。現在、4 種類の DG が確認されています。最初のタイプは有効電力のみを注入し、2 番目のタイプは有効電力と無効電力の両方を注入し、3 番目のタイプは無効電力のみを注入し、4 番目のタイプは無効電力を消費しない限り有効電力を注入します13。したがって、このシステムの利点により、DG の取り組みを実証するために、ネットワークに対する DG の影響についていくつかの研究が行われています。

これらの研究のうち、参考文献 1 では、障害状態時に系統へのインバータベースの DG の同期安定性を向上させるためのコントローラ方法が説明されています。彼らのモデルは、最大固定周波数偏向の決定に基づいていました。しかし、参考文献 14 では、発電コストと CO2 排出量を削減するために、風力発電型 DG を送電セクションに統合する役割が導入されています。彼らはまた、電力市場の改善における風力エネルギーの役割を含め、風力エネルギーへの投資コストについても実証しました。対照的に、参考文献 15 では、システムのパフォーマンス指標を向上させるために電気自動車を備えた DG を配電システム (DS) に統合する方法について議論しましたが、参考文献 16 では、集中局と DG の間の最適な電力バランスを決定するための方法論的アプローチを考案しました。さらに、参考文献 17 では、DG の普及率が高いリンググリッドの障害状態における距離保護リレーに基づく保護システムを強化するためのアルゴリズムが提示されています。別の研究では、参考文献 7 では DG によって引き起こされる双方向電力潮流を制御するためのマトリックスコンバータスタビライザの使用について説明していますが、参考文献 18 では DS の電圧プロファイルを改善するために DG を採用しています。参考文献 19 では、再生可能 DG によって引き起こされる高調波を緩和するための C タイプフィルタ設計も提示されていますが、参考文献 19、20 では、システムの動的応答と可能な周波数回復応答をサポートするためのインバータベースの DG の貢献が示されています。最短時間。次に、参考文献 8 では、低電圧条件下で回生 DG を制御する手順を含む、DS における回生 DG の実装が示されています。参考文献22では、システムラインのインピーダンスを調整することによる、インバータベースのDGと統合されたDSの電圧と周波数の改善について説明し、参考文献23では、過渡現象を改善するために、インバータベースのDGと組み合わせたバッテリエネルギー貯蔵システムの使用について説明しました。システムの安定性。

上記の文献レビューから、DG の重要性と、その利益を最大化し、予想される問題に対処するために多大な努力が払われていることは明らかです。しかし、鉄共鳴問題は依然として十分に調査されていない研究ギャップであり、DG ではほぼ完全に無視されており、この現象の深刻さにも関わらずギャップポイントとなっています。さらに、鉄共鳴を調査するために行われた以前の研究は、保護要素の観点からこの現象にのみ焦点を当てていました 24 が、鉄共鳴に興味を持った DG を備えた DS に関する研究は、この現象を調査しただけで、緩和方法は提供していません 25,26。さらに、DS 内の DG によって引き起こされる鉄共振の抑制に焦点を当てたこの研究では、システムの等価回路のみが提供され、さらに、障害が除去された後にのみ鉄共振の緩和に依存しています27。

したがって、この論文では、研究ギャップポイント、つまりマルチ DG と統合された DS における鉄共鳴の研究を紹介します。この目的を達成するために、直列故障時の鉄共振を軽減する新しい方法が提案されています。次に、風力 DG とコンデンサが統合された IEEE 33 バスシステムにおける鉄共振を調査するためのさまざまな条件が提示されました。最後に、RLC シャントリミッター (RLC-SL) が鉄共振緩和要素として提案され、その後、文献から以前に使用されていた他の緩和方法と比較されました。逆相検出器によるRLC-SL接続を採用しています。

この論文の主な貢献は次のとおりです。

マルチ DG と統合された IEEE 33 バス分配システムの鉄共振を調査します。

鉄共鳴を低減する新しい技術（RLC-SL）とその調整手順を紹介します。

提案されたスキームのパラメータが設計され、システムに適合するようにその寸法が調整されます。

鉄共振時に RLC-SL をグリッドに高速トリップする提案された制御ステップを首尾よく実装するには、さらに、システム回復から迅速に分離します。

他の既存の鉄共鳴緩和方法と比較して、提案された方法の有効性を証明する。

本書の残りの部分は次のように構成されています。「システムモデリング」セクションでは、IEEE 33 バスシステムのモデリングと、負荷側のコンデンサおよび風力 DG との統合について説明します。「鉄共振の調査」セクションでは、負荷側および風力 DG におけるさまざまな直列故障状態における鉄共振を調査します。「鉄共鳴の軽減」セクションでは、新しい鉄共鳴軽減手法として提案された RLS-SL を紹介し、いくつかの既存の鉄共鳴軽減手法と比較します。論文の結論は「結論」セクションに記載されています。

このセクションでは、複数の DGS を貫通した変更された IEEE-33 バス DS のケーススタディを示します。 33 のバスと 32 の回線 28,29 を使用して構築された後、システムの電圧レベル 12.66 kV で PSCAD/EMTDC ソフトウェアを使用してシミュレーションされました。次に、電圧を向上させ、損失を減らすために、5 つのコンデンサ (第 3 の DG タイプ) と風力タービン (第 1 の DG タイプ) を追加する改造が施されました。図 1 に、DG と統合された IEEE 33 バスシステムの構成を示します。特に、コンデンサは可能な限り負荷の近くに配置されました。その結果、すべてのコンデンサは 12.66/0.4 kV 配電変圧器の後に負荷電圧 0.4 kV で接続され、風力 DG は 0.69/12.66 kV 変圧器を介して系統に接続されました。次に、式(1)を使用してコンデンサのサイズを決定しました。 (1)30．すべてのコンデンサと風力タービンのサイズと位置を表 128、31 に示します。

DG と統合された改良された IEEE-33 バスシステム。

図 2 は、DG 統合前後のすべてのバスの電圧を示しています。図 2 から、すべてのシステムバスの電圧値を定格値に近い値でサポートする DG の役割が明らかになりました。

DG統合前後のシステムバスの電圧値。

鉄共鳴活性化の主な原因は、異常なスイッチングと故障です。これらにより、非線形インダクタンスとシステム容量の相互作用が生じる可能性があります。このセクションでは、修正された IEEE システムにおける鉄共鳴を調査したアクションを精査します。

まず、コンデンサに関連するすべての負荷が評価され、その後、配電変圧器の端子上のすべての異常な分離が調査され、その結果、2 つのケースで鉄共振が調査されました。

ケース 1: 負荷に影があり、高電圧側からの単相の故障を示しています。したがって、このケースは、図 3 に示すように、CB1 と CB2 の任意の相を分離することによってモデル化されました。このモデルでは、変圧器の高電圧側の分離相で亜周期鉄共振が発生しましたが、変圧器の高圧側では 2 つの相が発生しました。低圧側。さらに、図 4 は分離瞬間の前後の電圧波形を示しています。高圧側では電圧値が1.98puまで増加しましたが、低電圧側では1.45puまで増加しました。

ケース 2: 負荷にも影があり、高電圧側からの 2 つの相で障害が発生しました。したがって、このケースは、図 3 に示すように、CB1 と CB2 の任意の 2 つの相を分離することによってモデル化されました。このモデル化では、高電圧側の分離された相のうちの 1 つの相で 2.19 pu 値の準周期的鉄共鳴が発生しましたが、分数調波鉄共振の高電圧側の他の分離位相は 1.7 pu 値で現れました。この亜周期的な鉄共振により、すべての相で 1 pu 値の低電圧が発生しました。図 5 は、異常相の分離瞬間の前後の電圧波形を示しています。

HV 側の負荷相と変圧器相の分離と接続。

CB1 と CB2 の任意の位相を分離するケース 1 での鉄共鳴。

CB1 と CB2 の任意の 2 つの相を分離するケース 2 での鉄共鳴。

この研究では、改良された IEEE 33 バスシステムに統合された風力 DG 上のすべての異常な分離条件が研究されました。図 6 は、十分に研究されているシステムへの風力 DG の接続を示しています。調査の結果、表 2 にまとめられているように、すべての直列故障状態で鉄共振が発生することが明らかになりました。イベント 1 から 3 は、変圧器の両側で同様の位相の故障を示しており、その結果、変圧器の両側で準周期的鉄共振 (QPF) が発生しました。 DGトランスです。これらのイベントの結果は類似しており、イベント 3 の結果はこの段階の代表的な例として図 7 に示されています。対照的に、イベント 4 から 9 は、変圧器の両側で類似していない相のブレークダウンを示しています。図 8 に示すように、これらのイベントでも DG 変圧器の両側で QPF が発生し、これらのイベントの結果は同様でしたが、図 9 に示すように、イベント 9 の結果は異なりました。イベント 10 から 18 までただし、は DG トランスの高圧側 2 相、低圧側 1 相の故障を示します。特に、DG トランスの高電圧側で QPF が発生しましたが、DG トランスの低電圧側でサブハーモニック鉄共振 (SHF) も発生しました。さらに、これらのイベントの結果も同様でした。イベント 17 は、この段階の代表的な例として図 10 に示されています。注目すべきことに、イベント 19 から 21 は、DG 変圧器の高電圧側の 1 つの相の故障により、DG の両側で SHF が発生したことを示しています。これは、これらのイベントの結果が同様であることも示しています。イベント 21 を図 11 に示します。最後に、イベント 22 から 24 は、DG 変圧器の高電圧側の 2 相の故障を表します。イベント 24 を図 12 に示します。表 2 に、鉄共鳴タイプと電圧値を含むすべての分離構成を示します。

風力 DG とシステムの接続を示す概略図。

イベント3のフェレレゾナンス。

イベント8のフェレレゾナンス。

イベント9のフェレレゾナンス。

イベント17のフェレレゾナンス。

イベント21のフェレレゾナンス。

イベント24のフェレレゾナンス。

これらのイベントの結果は同様であり、DG 変圧器の両側で SHF が発生したことが観察できます。故障時間が変化しても、結果として生じる電圧値と形状が変化しないことは明らかでした。

鉄共振は電流および/または電圧の大幅な増加をもたらし、電力ネットワークのコンポーネントに重大なリスクをもたらします。このため、研究者らは、重大な技術的および財政的問題を防ぐために、この現象の頻度を下げることに集中しました。このセクションでは、鉄共鳴緩和手法としての RLC-SL を、その設計手順とともに説明します。

このセクションでは、調査された鉄共鳴を軽減するための新しい方法として RLC-SL を提案します。提案された RLC-SL 法は、まず、32 で使用されたシャント抵抗法、33 で使用されたシャントリアクトル法、34 で使用された直列抵抗法、および 35 で使用されたシャント非線形リアクトル法と比較されました。特に、提案されている RLC-SL 方式は、変圧器の低電圧側に接続されるシャント RLC です。図 13 に示すように、RLC-SL は逆相検出器からのトリップ信号を受信するブレーカーによってリンクされていました。さらに、鉄共鳴状態の間、負のシーケンスはゼロより大きい値を持ちました。したがって、図 13 にも示されているように、負のシーケンス値の変化を使用してブレーカーを作動させることができます。この目的を達成するために、提案された RLC-SL を使用して、鉄共鳴波を定常状態電圧に最も近い形に緩和しました。式 2 は、定常状態の電圧を取得するために使用される数学的モデルを示しています。

ここで、Vsd は定常状態の電圧、Vmax は最大電圧、f はシステム周波数です。

RLC-SL接続の位置と仕組み。

その後、それぞれの場合の等価回路から RLC-SL の効果を推定できます。最初のケースは負荷の検討で、分離イベント後の等価回路が図 14 に示されています。その結果、等価回路を使用して式 1 を導き出すことができました。 (3) ～ (13) は、提案された RLC-SL 手法を適用して定常状態の電圧値を表し、RLC パラメーター値の変化が \({Z}_{RLC}\) の値にどのような影響を及ぼし、その後変化するかを示しています。電圧波。

ここで、Vxx は RLC-SL 挿入後の電圧波形、Icph はコンデンサバンクの単相電流、Xcph はコンデンサバンクの単相インピーダンスです。

ここで、Isource はソースからの電流、IRLC は RLC-SL を流れる電流です。

ここで、Vx は RLC-SL を追加する前の電圧波形、ZTotal は RLC-SL とコンデンサバンクの単相インピーダンスの等価インピーダンスです。

ここで、IRLC は RLC-SL 電流、ZRLC は RLC-SL の合計インピーダンスです。

ここで、Cph はコンデンサバンクの位相値、Cdelta はコンデンサバンクラインの値です。

ここで、R は RLC-SL の抵抗値、Xc は RLC-SL のコンデンサのリアクタンス値、XL は RLC-SL のリアクタンス値です。

ここで、C は RLC-SL のコンデンサ値です。

ここで、L は RLC-SL のインダクタンス値です。

RLC-SL 回路を適用した負荷スタッドでの等価回路。

2 番目のケースには、DG として風力発電機が含まれており、直列故障後の等価回路が図 15 に示されています。 (8) ～ (16) は、RLC-SL 追加後の \({V}_{xx}\) の値を表します。ここで、ILoad1 は DG からの負荷電流、\({I}_{Wind }\) は DG 電流です。次に、負荷が一定であるため、RLC 値の変化により ZRLC および IRLC 値が変化し、その結果 Vxx 値が変化します。したがって、Vxx の変化を追跡することにより、Vsd に最も近い状態を決定できます。

RLC-SLを追加した後のDG検討時の等価回路。

RLC-SL 値の調整は 2 つのステップに分かれています。LC を一緒に調整するステップと、RLC 値が式 1 に従って調整される最適化ステップです。 (17)。 R の望ましい値を求める手順を図 16 に示します。設計プロセスは、カーブフィッティングによって鉄共振条件での電圧波形方程式を入力することから始まり、次に R の許容範囲を入力します。値は、次の値まで修正および更新されます。図 16 のフローチャートで示される設計手順を使用して最適値に到達します。 R の値は、多くの許容される R 値で補償し、各値で得られる波形の形状を電圧波形と比較することによって推定されます。定常状態。

RLC-SL の調整手順。

R の値は、電圧波形を定常状態の波形にできるだけ近づけるように選択されます。この研究は MATLAB ソフトウェアを使用して実行されます。鉄共鳴電圧波は、カーブフィッティングツールを実装する MATLAB m ファイルによって開始されました。 RLC の値は、前述の式 (1) を使用して決定されます。 (2)～(18)。図 16a は、提案された緩和スキームのパラメータを選択する際に実装される設計手順のフローチャートを示しています。図 16b は、ケース 1 での負荷調査の曲線フィッティングの例を示しています。その結果、あらゆるシステムの適切な RLC-SL 値を決定できます。提案されたスキームの有効性と有効性は、その結果を文献で使用されている他の既存の鉄共鳴緩和方法を使用して得られた結果と比較することによって実証されます。

ここで、L と C は RLC-SL のコンデンサとインダクタンスの値です。

このセクションでは、以前に公開された緩和方法を実装し、提案された方法と比較しました。したがって、シャント抵抗 36、シャントリアクトル、非線形シャントリアクトル、直列抵抗、および RLC-SL が実装され、各技術の結果が個別の色で示されました (シャント抵抗は黒、シャントリアクトルは黄色、直列抵抗は黄色で表されました)。は赤で表され、非線形インダクタは緑で表され、提案された RLC-SL は青で表されます。第 1 および第 2 の負荷研究ケースに対する鉄共鳴緩和技術を使用した結果を図 1 と 2 に示します。図１７および１８と同様に、鉄共鳴条件で風力ユニットを用いて緩和技術を実施した結果が図１８および図１９に示されている。 19、20、21、22、23、24。

荷重研究のケース 1 における緩和鉄共鳴。

荷重研究のケース 2 における緩和鉄共鳴。

イベント 3 での緩和鉄共鳴。

イベント 8 の緩和鉄共鳴。

イベント 9 の緩和鉄共鳴。

イベント 17 の緩和鉄共鳴。

イベント 21 の緩和鉄共鳴。

イベント 24 の緩和鉄共鳴。

シャント抵抗法を実装することによって、負荷のケース 1 と 2 では効果的な軽減が見られませんでした (図 3、4)。図17および18に示すように、風力発電装置の研究では、効果的な緩和が観察されました。 19、20、21、22、23、24が示します。結果として、それは無意味な解決策であると考えられました。

対照的に、シャント非線形リアクトル法を実装すると、ケース 1 とケース 2 で負荷の効果的な軽減が観察されましたが、図 1 と図 2 に示すように、電圧形式の歪みが大きいため、良い解決策とは言えませんでした。さらに、風力発電装置の研究では、効果的な緩和策は観察されなかったものの、図１７および図１８に示すように、効果的な緩和策は観察されなかった。 19、20、21、22、23、24 は次のことを示します。図 1 と 2 に示すように、イベント 12 や 13 など、一部のフェーズは歪んでいました。 19、20、21、22、23、24。

さらに、図3および図4に示すように、分路リアクトル方式を導入することによる風力発電装置の研究において効果的な緩和が観察されました。図 19、20、21、22、23、24 に示すように、負荷の研究では効果的な緩和策はありませんでした。 17と18はそれを示しています。

ただし、直列抵抗法を導入することにより、ケース 1 と 2 では効果的な緩和が示されましたが、図 1 と 2 に示すように、 17、18、19、20、21、22、23、24 では、永久的なシステム損失が発生するため、非経済的な解決策とみなされていました。

したがって、この方法の経済的実現可能性を考慮すると、変圧器の平均寿命は 25 年から 40 年の範囲になるはずです 37,38。平均寿命を 35 年とすると、この期間は 302,400 時間に相当します。さらに、グローバルエネルギー協会によると、米国のキロワット時のコストは 11.18 セント、つまり 0.1181 ドルですが、風力発電装置からのわずか 1A の通過による損失コストは 1071.5 ドルでした。ロード時557ドル。その結果、損失の合計コストは、鉄共振から変圧器を保護するために必要な変圧器のコストを超えます。したがって、この手法の使用は避けることが望ましいです。注目すべきことに、提案された RLC-SL 方法を実装すると、図 1 と 2 に示すように、ケース 1 と 2 が緩和に効果的であることが示されました。 17、18、19、20、21、22、23、24。緑色のセルは、その相の電圧が正常であり、直列故障の影響を受けていないことを示しますが、赤色のセルは、その相の電圧が印加後に歪んだことを示します。テクニック。表 3 は、鉄共振を軽減する際の、直列抵抗および分路リアクトルと比較した、提案された RLC-SL の有効性も示しています。前述したように、分路リアクトルは負荷の研究中に鉄共振を軽減できず、非経済的な解決策として直列抵抗を提案しました。結果として、提案された RLC-SL は、鉄共鳴を軽減するための最も効果的なソリューションでした。表 3 は、すべての技術を風力に適用した後の各相の最大出力電圧値を示しています。

鉄共振は、等価静電容量と非線形インダクタンスの直列結合によって引き起こされる危険な状態です。過電圧が継続して機器に損傷を与える可能性があります。そこで本論文では、DG を貫通した DS における鉄共鳴検証研究に代表される研究ギャップポイントについて議論した。次に、マルチ DG と統合された IEEE 33 バス DS の鉄共鳴につながる可能性のあるシナリオが提示され、その後、PSCAD/EMTDC で DS をシミュレーションすることにより、鉄共鳴の条件とその影響が確認されました。最後に、RLC-SL を使用して配電ネットワークの鉄共振を軽減する方法が提案され、その後、修正された IEEE-33 バス DS に適合し、他のシステムに適用できる RLC 値を決定する手法が提供されました。鉄共鳴中、提案された RLC-SL は、逆相検出器からトリップ信号を受け取る制御可能なスイッチを介してシステムに接続されました。したがって、設計された RLC-SL は、シャント抵抗、シャント非線形リアクトル、シャント線形リアクトル、および直列抵抗と比較して評価されました。注目すべきことに、提案された方法は、鉄共鳴の軽減効率の点で他の方法よりも優れています。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、研究を実施するために必要な施設を提供してくださった、エジプト、エル・マンスーラのマンスーラ大学工学部、およびエジプト、カイロのエル・ショルーク・アカデミー高等工学研究所に感謝します。

科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。

エジプト、カイロ、エルショルークアカデミー高等工学院電力機械学科

アラー M. アブデルハメド & モハメド M. エルシャヒフ

マンスーラ大学工学部電気工学科、マンスーラ、エジプト

モハメド・M・エル・シャヒフ＆エブラヒム・A・バドラン

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すべての著者は、(a) データの構想と設計、または分析と解釈、および (b) 重要な知的コンテンツについての記事の草稿または批判的な改訂に参加しています。

モハメド・M・エル・シャヒフ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アブデルハメド AM、エルシャリフ MM、バドラン EA マルチ分散型発電と統合された IEEE 33 バス分散システムにおける鉄共鳴抑制の新しい方法。 Sci Rep 13、3381 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30268-w

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受信日: 2022 年 11 月 21 日

受理日: 2023 年 2 月 20 日

公開日: 2023 年 2 月 28 日

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

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