Magnetically Controlled Reactor - a Novel Component in Smart Grid
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-05-25
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
56 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 80/2018
Abstract
There is currently rapid increase of solar and wind generation in the grid and growing emphasis on the reliability and availability of electrical supply. These changes have triggered a need to have a more flexible grid, which can adapt instantly to a different load, production and failure situations. First part of this thesis was to investigate ways to create grid elements presenting instantly controllable inductance, which would fulfill many Smart Grid needs such as compensating reactive power, controlling voltage in a distribution grid or compensating earth fault currents. A reactor topology was identified, modeled and validated in laboratory in which inductance could be controlled quickly, linearly and with no moving parts using an optimized virtual air gap. One promising application for this new type of instantly controllable and linear reactor is in compensating earth faults in resonant earthed distribution networks. Typically arc suppression coils (ASC) are not tuned to exact resonance due to practicalities related to current technology whereas the new magnetically controlled reactor developed in this work is fast and thus allows full resonance tuning. In a second part of this thesis earth fault arcs were modeled using black box models and it was established, that tuning ASC to full resonance improves the earth fault extinguishment probability. This result further indicates, that magnetically controlled reactor is a good replacement for current mechanically operated ASC. In a typical earth fault compensation arrangement the substation transformer provides delta connection to the medium voltage side thereby lacking neutral connection. Arc suppression coil is connected between earth and neutral, which means that normally an earthing transformer is needed to provide connection point for arc suppression coil. Third contribution of this thesis was to model and simulate a novel earth fault compensating reactor, in which the earthing transformer and arc suppression coil functions could be integrated into a same space saving structure, while providing instant control in zero sequence impedance using the magnetically controlled reactor developed in this work.Aurinko- ja tuulienergian energian tuotanto kasvaa nopeasti ja sähkönjakeluverkon luotettavuuteen toimitusvarmuuteen kiinnitetään yhä enemmän huomiota. Nämä muutokset ovat johtaneet tarpeeseen saada aikaan älykäs sähköverkko, joka voi sopeutua nopeasti erilaisiin kuormitus-, tuotanto- ja vikatilanteisiin. Tämän työn ensimmäinen osa oli tutkia tapoja luoda sähköverkon elementtejä, joiden induktanssia voidaan säätää nopeasti ja lineaarisesti. Tällaisten verkkokomponenttien olemassaolo mahdollistaa monien älykkään sähköverkon tarpeiden täyttämistä, kuten automaattisen loistehon kompensoinnin, jännitteen säätämisen jakeluverkossa tai maasulkuvirtojen kompensoinnin. Tällaisen säädettävän reaktorin topologia löydettiin, mallinnettiin ja varmistettiin kokeellisissa testeissä. Osoitettiin, että reaktorin induktanssia voitiin ohjata nopeasti, lineaarisesti ja ilman liikkuvia osia sähköisesti ohjatun virtuaalisen magneettisen ilmavälin avulla. Yksi lupaava sovellus tällaiselle uudelle ohjatulle reaktorille on maasulkuvirtojen kompensointi sammutetussa jakeluverkossa. Tyypillisesti kompensointikuristin (Arc Suppression Coil, ASC) ei ole viritetty tarkasti resonanssiin johtuen nykyisen tekniikan rajoituksista, kun taas tässä työssä kehitetty magneettisesti ohjattu reaktori on nopea ja mahdollistaa täyden resonanssin virityksen. Työn toisessa osassa maasulkuvikoja mallinnettiin käyttäen valokaarimalleja ja todettiin, että kompensointikuristimen viritys täydellä resonanssilla parantaa maasulkuvian sammumista. Tämä tulos osoittaa, että esitetty magneettisesti ohjattu reaktori on hyvä vaihtoehto korvaamaan nykyisin käytettyjä mekaanisesti ohjattavia kompensointikuristimia. Tyypillisessä sähkönjakeluverkossa sähköaseman muuntajan toisio on kolmioon kytketty, joten nollapotentiaalia ei ole. Kompensointikuristin kytketään nollapotentiaalin ja maan väliin, mikä tarkoittaa, että tarvitaan maadoitusmuuntajaa luomaan tarvittava nollapotentiaali. Tässä työssä kehitettiin, mallinnettiin ja simuloitiin uudenlainen maasulkuvikoja kompensoiva laite, joka voidaan kytkeä suoraan kolmiokytkettyyn sähköaseman muuntajaan ilman erillistä maadoitusmuuntajaa. Tämä uusi rakenne hyödynsi kehitettyä ohjattavaa reaktoria sekä kehitettyjä analysointimenetelmiä ja tuloksena oli rakenne, jossa maasulkukompensoinnin toiminnot voitiin integroida tilaa säästävään rakenteeseen samalla, saatiin aikaa nopea kompensointi, jolla viat sammuvat varmemmin, kuin nykyisissä ratkaisuissa on mahdollista.Description
Supervising professor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandThesis advisor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
Smart Grid, magnetically controlled reactor, earth fault, power distribution, Älykäs sähköverkko, magneettisesti ohjattu reaktori, maasulku, sähkönjakelu
Other note
Parts
-
[Publication 1]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “A novel 4-limb earth fault compensation reactor for distribution network”, International Transactions on Electrical Energy Systems, Vol. 27, Issue 12, December 2017.
DOI: 10.1002/etep.2433 View at publisher
-
[Publication 2]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “Smart grid element: efficient controllable inductance with virtual air gap”, IET Generation, Transmission & Distribution, August 2017, accepted for publication.
DOI: 10.1049/iet-gtd.2016.2122 View at publisher
-
[Publication 3]: J. Penttonen, M. Lehtonen, “Data Driven Analytical modeling of power transformers”, International Review on Modelling and Simulations (I.RE.MO.S.), Vol. 10, N. 2, April 2017.
DOI: 10.15866/iremos.v10i2.11515 View at publisher
-
[Publication 4]: J. Penttonen, M. Lehtonen, “Optimal Tuning for Fast Arc Suppression Coil”, International Review of Electrical Engineering (IREE), Vol. 12, N. 1, April 2017.
DOI: 10.15866/iree.v12i1.10944 View at publisher
-
[Publication 5]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “Reluctance Network Analysis for Complex Coupled Inductors”, Journal of Power and Energy Engineering, Vol. 5, N. 1, January 2017.
DOI: 10.4236/jpee.2017.51001 View at publisher
