The impact of wind turbines on the behavior of the grid protection in consideration of the negative sequence interference

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1 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 The impact of wind turbines on the behavior of the grid protection in consideration of the negative sequence interference Jörg Meyer, Peter Schegner, Jörg Dickert SGT Berlin, Content. Positive and Negative Sequence requirements 009: SDLWindV (Ancillary Services Act) 0: TAB Hochspannung (Technical Connection Condition). Considered topology of decentralized in-feed 3. Voltage support -Phase Fault 4. nfluence on distance protection Stationary behavior Transient behavior 5. Summary SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide

2 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Positive and Negative Sequence requirements Voltage support with additional reactive current i f u b i f u b,, 009: SDLWindV (Ancillary Services Act) only requirements on Positive Sequence current in-feed Old 0: TAB Hochspannung (technical connection condition) requirements on Positive and Negative Sequence current New SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 3 Considered topology of decentralized in-feed SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 4

3 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Considered topology of decentralized in-feed Symmetrical component equivalent circuit: Z Grid Z L F p Z Grid z Z L F -Phase Fault serial connection of the positive and negative sequence system negative sequence in-feed behavior has to be considered z SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 5 Considered topology of decentralized in-feed -Phase Fault: Negative sequence system (positive sequence not shown) Z Grid Z L F The following negative sequence in-feed behavior is considered: z 0 A f ( ) z Old: No current in-feed (suppressing negative sequence current) New: Corresponding to the characteristic (TAB Hochspg.) SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 6

4 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Voltage support -Phase Fault better voltage support of the faulty phases little increase of the voltage of the healthy phase SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 7 nfluence on distance protection Stationary behavior -Phase Fault in-feed of active power by the decentralized wind farm drift of measured resistance in-feed of reactive power by the decentralized wind farm increase of measured reactance error increase with negative sequence current in-feed (similar to synchronous generator in-feed) SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 8

5 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 nfluence on distance protection Stationary behavior -Phase Fault Grid is in-feed for wind farm distance protection setting of the distance relay is difficult Tripping by a) pick up functionality b) sland detection c) SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 9 nfluence on distance protection Transient behavior -Phase Fault f = 50 km; Without decentralized in-feed Phadke/brahim Lobos A4 Depends on the distance protection algorithm Phadke/brahim (filter algorithms) high robustness slow depending on the DC component Lobos A4 (ODE algorithms) low robustness fast independent of the DC component SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 0

6 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 nfluence on distance protection Transient behavior -Phase Fault f = 50 km; With decentralized in-feed Phadke/brahim Lobos A4 Depends on the distance protection algorithm & wind turbine control Phadke/brahim (filter algorithms) depends less on control slow Lobos A4 (ODE algorithms) depends strongly on control slow time-delayed response of protection SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide Summary () For Voltage support in the considered Topology positive sequence current (Old: SDLWindV) affects all phases increase of voltage of the healthy phase positive and negative sequence currents (New:TAB Hochspannung) affect only voltage of the faulty phases (-phase fault) have small influence on healthy phase SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide

7 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Summary () The behavior of the grid protection extremely depends on the topology of the decentralized in-feed connection! n the considered topology: distance calculation is more influenced by negative sequence in-feed (similar to synchronous generator in-feed) transient behavior of wind park controls and its impact on the behavior of the algorithms has to be analyzed new methods for protection of wind farms have to be developed SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 3 Thank you for your attention! SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 4

8 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Voltage - Support 3-Phase Fault Better Voltage Support of the faulty phases if the current in-feed is unsymmetrical Lower increase of the voltage of the healthy phase SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 5. Richtlinien (statischer Betrieb) Wirk- und Blindleistung im Normalbetrieb Reduzierung der momentanen Wirkleistung. Bei Vorgabe durch den Netzbetreiber. Automatisch in Abhängigkeit der Frequenz Blindleistungsbereitstellung. Mindestanforderungen für die Blindleistungsbereitstellung TransmissionCode/SDLWindV und TAB Hochspannung 3 Varianten für Volllast- und Teillastbetrieb Grenzbereich cos = 0,9 ind und cos = 0,95 kap MS-Richtlinie Grenzbereich cos = 0,95 (ind. und kap.). Regelungsverfahren Q oder cos fest, Fahrplan, arbeitspunktabhängig, Online- Sollwertvorgabe SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 6

9 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0. Richtlinien (statischer Betrieb) Wirkleistungsreduzierung. Bei Vorgabe durch den Netzbetreiber MS-Richtlinie, TAB Hochspannung nnerhalb Minute auf Sollwert (eingeteilte Stufen) TransmissionCode/SDLWindV 0% von P AV pro Minute. Automatisch in Abhängigkeit der Frequenz SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 7. Richtlinien (statischer Betrieb) TransmissionCode und MS-Richtlinie SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 8

10 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0. Richtlinien (statischer Betrieb) Änderungen durch SDLWindV SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 9. Richtlinien (statischer Betrieb) TAB Hochspannung SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 0

11 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0. Richtlinien (statischer Betrieb) Wirkleistungsreduzierung SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide. Richtlinien (statischer Betrieb) Blindleistungsbereitstellung. Mindestanforderungen für die Blindleistungsbereitstellung TransmissionCode/SDLWindV und TAB Hochspannung 3 Varianten Volllast- und Teillastbetrieb MS-Richtlinie Grenzwert cos = 0,95 (ind. und kap.). Regelungsverfahren Q oder cos fest, nach Fahrplan, arbeitspunktabhängig (f{},f{p}) oder Online-Sollwertvorgabe SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide

12 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0. Richtlinien (statischer Betrieb) TransmissionCode/SDLWindV SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 3. Richtlinien (statischer Betrieb) TAB Hochspannung SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 4

13 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Verbleiben am Netz im Fehlerfall Beliebige Spannungsverläufe am Netzanschlusspunkt oberhalb bestimmter Grenzlinien dürfen nicht zur nstabilität oder zum Trennen der Erzeugungsanlage führen. nterscheidung der Anlagen in Typ und Typ Typ : Erzeugungseinheiten sind direkt ans Netz (über Maschinentransformatoren) gekoppelte Synchrongeneratoren Typ : alle anderen Anlagen SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 5. Richtlinien (dyn. Netzstützung) Anlagen vom Typ SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 6

14 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Anlagen vom Typ (TransmissonCode/SDLWindV und MS-Richtlinie) KTE kurzzeitige Trennung der EZA EZA Erzeugungsanlage SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 7 Anlagen vom Typ (TAB Hochspannung) KTE kurzzeitige Trennung der EZA EZA Erzeugungsanlage SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 8

15 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Blindstromeinspeisung im Fehlerfall Bei Netzfehlern sollen auch Typ -Anlagen die Spannung durch einen zusätzlichen induktiven Blindstrom stützen. VDN-Leitfaden (004): Blindstrom im Wesentlichen in den betroffenen Leitern in Abhängigkeit der Änderung der verketteten Spannungen TransmissionCode (007): Blindstrom in Abhängigkeit des Spannungseinbruchs (mit Verweis auf VDN-Leitfaden) MS-Richtlinie (008): Blindstrom gemäß TransmissionCode, keine Spannungsanhebung in den fehlerfreien Leitern über, n SDLWindV (009): Mitsystemblindstrom in Abhängigkeit des Mitsystemspannungseinbruchs TAB Hochspannung (0): Mit- und Gegensystemblindstrom in Abhängigkeit von Mit- und Gegensystemspannungsänderung SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 9 Vorgabe für den zusätzlichen Blindstrom i f u b i f u b SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 30

16 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Blindstromeinspeisung im Fehlerfall TransmissionCode/SDLWindV Leiterstrom darf auf n begrenzt werden Wirkstrom darf reduziert werden Bezugsspannung ist die Generatorspannung bei nwirksamkeit der Regelung kann der Netzbetreiber die Spannung am Netzanschlusspunkt als Bezugswert fordern TAB Hochspannung Leiterstrom darf auf, n begrenzt werden Wirkstrom darf reduziert werden Bezugsspannung ist die Generatorspannung der Anstieg k wird für den Netzanschlusspunkt gefordert, sodass k an der Erzeugungseinheit umgerechnet werden muss SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 3 mpedanzen bei 3-poligen Fehlern Einspeisung nach SDLWindV Z< Z< SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 3

17 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Z mpedanzen bei -poligen Fehlern 0 b c b c (300km) (60km) (60km) (300km) (0km) (0km) (60km) (300km) (0km) p SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 33 mpedanzen bei -poligen Fehlern (0km) (60km) (300km) (300km) (60km) (0km) (0km) Z (60km) (300km) (300km) (60km) (300km) (300km) (0km) (60km) (60km) (0km) (0km) p SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 34

18 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 Einfluss des Anstiegs k bei verschiedenen Fehlerarten SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 35 mpedanzen bei -poligen Fehlern (Einfluss P mom ) Diplomarbeit SGT, T Dresden, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 36

19 Presented at 0 3rd EEE PES SGT Europe, Berlin, Germany, October 4-7, 0 SGT, Panel: Grid-friendly Design of Wind Parks Slide 37