Power System Protection in a Converter Dominated Transmission Network

Abstract

This thesis investigates the impact of converter-connected generation on the operation of distance relays in the Finnish power system. The study was conducted as a literature review and simulations on two simulation models, a small-scale model and a model of the Finnish power system. The goals were to determine, whether increasing share of converter-connected generation affects the dependability and security of distance relays. Additionally, changes in calculated fault distance and levels of harmonics were also analyzed. Increasing the share of converter-connected generation did not reduce the distance relay dependability for faults on the protected line section. In contrast, during faults at the beginning of the next line section, the relays had difficulties detecting the faults under large share of converter-connected generation. However, this reduces the dependability of backup protection, since these faults are located within primary protection of other relays. In some situations, the relays incorrectly operated during faults, reducing the security of the protection. This unwanted operation occurred especially in the 110 kV network during faults in the 400 kV network. Those were likely caused by Type 3 wind farms, which increased the levels of harmonics in these scenarios. However, these unwanted operations could be reduced by delaying the Zone 1 operation. These issues were not witnessed on the large-scale model, where all the relays operated correctly. The large-scale model has a smaller share of Type-3 wind farms and they are spread out across a larger area, which limits their impact on the relays. However, such issues could arise, if large Type-3 wind farms were located within a small section of the power system. Additionally, the calculated fault distance increases for single phase-to-ground faults and decreases for phase-to-phase and double phase-to-ground faults, when the share of wind farms in-creased. These changes could cause unwanted operation or failures to operate, depending on the fault location. The levels of harmonics also increased with the increasing share of wind farms. However, the relative levels of harmonics increase due to weaker supply from the background network, not necessarily due to the larger share of wind farms. Regardless, the increase in levels of harmonics could negatively impact distance relay operation, as was also witnessed in the simulations.

Tässä työssä tutkitaan suuntaajakytketyn tuotannon yleistymisen vaikutuksia dis-tanssireleiden toimintaan Suomen voimajärjestelmässä. Työ toteutettiin simulaatiotutkimuksina suppealla ja laajalla simulaatiomallilla, joista laajempi esittää suurta osaa Suomen voimajärjestelmästä. Työn tavoitteena oli tutkia, vaikuttaako tyypin 3 ja tyypin 4 tuulivoimaloiden yleistyminen distanssisuojauksen toimintavarmuuteen ja luotettavuuteen. Myös lasketun vikaetäisyyden ja harmonisten tasojen muuttumista havainnoitiin. Suuntaajakytketyn tuotannon osuuden kasvu ei negatiivisesti vaikuttanut distanssireleiden toimintavarmuuteen suojattavalla johdolla olevissa vioissa. Toimintavarmuus kuitenkin heikkeni seuraavan johdon alkupään vioissa, mikä heikentää varasuojauksen luotettavuutta. Releillä esiintyi myös virhetoimintaa, jota esiintyi erityisesti 110 kV verkon releillä 400 kV verkon vikojen aikana. Virhetoiminta johtui suurista harmonisten tasoista, jotka aiheutuivat tyypin 3 tuulivoimaloista. Laajalla mallilla ei esiintynyt edellä mainittuja ongelmia releiden toiminnassa. Laajassa mallissa tyypin 3 tuulivoimaloiden osuus on huomattavasti pienempi ja ne jakautuvat laajemmalle alueelle, mikä vähentää niiden vaikutuksia distanssireleisiin. Jos suuritehoisia tyypin 3 laitoksia keskittyisi pienelle alueelle, ne voisivat häiritä releiden toimintaa, mutta ongelmat jäisivät todennäköisesti paikallisiksi. Laskennallinen vikaetäisyys kasvoi yksivaiheisissa maasuluissa, ja pieneni kaksivaiheisissa maa- ja oikosuluissa, kun suuntaajakytketyn tuotannon osuus kasvoi. Harmonisten tasot kasvoivat, mutta niiden kasvu ei johtunut suoraan suuntaajakytketystä tuotannosta, vaan taustaverkon syötön heikkenemisestä, mikä kasvatti harmonisten suhteellista osuutta. Joissakin tilanteissa tyypin 3 tuulivoimalat kuitenkin nostivat harmonisten tasoja, jolloin releiden virhetoimintaa ilmeni.