Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Anabilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı

2018

Accommodating photovoltaics integration impacts on distribution network protection system using distance relay

Fotovoltaik entegrasyonun dağıtım şebekesi koruma sistemi üzerindeki etkilerinin mesafe rölesi kullanılarak uyarlanması

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 541289

Tezi Bul
Özet:

Fotovoltaik (PV) başta olmak üzere dağıtık üretime yönelik talep, son on yılda hızlı bir artış göstermiştir. Bu kaynakların dağıtım şebekesine bağlanması, daha önce tecrübe edilmemiş sorunlar yaratmaktadır. Yeni düzende, akım artım iki yönlü akabildiği için geleneksel aşırı akımın dağıtım şebekesi korumasının seçicilik ve güvenilirliğini devam ettirebilme kabiliyeti sorgulanmaktadır. Bu nedenle bir alternatif koruma teknolojisi zorunlu hale gelmiştir. Bu çalışmada fotovoltaik ve dağıtık üretimin potansiyelleri tanıtılmıştır. Dağıtım şebekesine fotovoltaik entegrasyonunun koruma sistemi üzerindeki olası etkilerini değerlendirmek için IEEE 33-bus test dağıtım sistemi kullanılmıştır. Geleneksel koruma sistemi üzerindeki etkilerine yönelik olarak farklı PV bağlantı konfigürasyonları kullanılarak DIgSILENT Power Factory ortamı üzerinde farklı hata durumlarının simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Geleneksel aşırı akım ve mesafe koruma sistemleri arasında bir karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. Müteakiben dağıtım şebekesine fotovoltaik entegre edildiğinde nasıl destek olduğunu ortaya koymak için mesafe rölesi çalışma şeması ve özelliklerine ilişkin kuramsal bir açıklama yapılmıştır. Mesafe rölesi koruması, PV bağlantılı ve bağlantısız IEEE 33-bus test sistemi için tasarlanmıştır. Dağıtık üretimin faz koruma elemanları üzerindeki etkilerinin uyarlanması için dinamik bir çözüm olarak mesafe röleleri koordinasyonu önerilmiştir. Önerilen çözümün fizibilitesi, geleneksel koruma sistemi için daha önce dikkate alınan aynı hata koşulları tekrar uygulanmak suretiyle doğrulanmıştır. Bu tez, beş bölüm ve üç ekten ibaret olup aşağıdaki şekilde düzenlenmiştir.  1. Bölüm, tezin başlangıç bölümü olup dağıtık üretim hızlı gelişimi ve ilerideki potansiyel büyümesine ilişkin kısa bir tanıtım yapılmıştır. Bu yeni teknolojilerin beraberinde getirdiği zorluklar, bu bölümde verilmiştir. Fotovoltaik teknolojisine odaklanmak için bunların Türkiye ve dünyadaki potansiyeli açıklanmıştır. Fotovoltaiklerin dağıtım sistemine entegrasyonuna ilişkin kısıtlamalar, katı hal enversör ile şebeke bağlandıkları düşünülerek belirtilmiştir.  2. Bölümde, fotovoltaikler başta olmak üzere dağıtık üretimin dağıtım koruma sistemi üzerindeki etkileri ele alınmış ve açıklanmıştır. Bu bölüme, geleneksel aşırı akım koruması ve yerine getirmesi gereken koşullara yönelik genel bilgilerle başlanmıştır. Dağıtım üretimin entegrasyonunun geleneksel xxii sistemi nasıl etkilediğine dair bir genel resim verilmiştir. Devamında bu çalışmada kullanılacak olan IEEE 33-bus test sistemi tasvir edilmiştir. Bu tezde kullanılan koruma rölesi modeli belirtilmiştir. PV boyutu ve bağlantı kriterleri açıklanmıştır. Bölümde, PV'nin dağıtım şebekesi koruma sistemi üzerindeki beş etkisi: 'koruma cihazları arasındaki koordinasyon kaybı, arızanın tekrar kapatılması, hatalı şalter atması, koruma cihazı körleşmesi ve güç kesildiği halde güç sağlanmaya devam edilmesi' açıklanmaktadır. Bu etkilerin nasıl ortaya çıktığı, açıklayıcı diyagramlarla kuramsal olarak açıklanmıştır. Bunun yanı sıra her bir etki için IEEE 33-bus test sistemine bir hata durumu uygulanmış ve ilgili bölümle ilişkilendirilmiştir. PV'nin gerilim profili ve sistem stabilitesi üzerindeki etkilerine yer verilmemiştir.  3. Bölümde mesafe rölesinin özelliklerine ve şebekeyi nasıl koruduğuna odaklanılmıştır. Geleneksel aşırı akım ve mesafe rölesi arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Yönlü aşırı akım koruması çözümü yerine mesafe rölesinin tercih edilmesinin nedeni de belirtilmiştir. Mesafe rölesi kuramı bölümünde farklı mesafe rölesi tipleri ve bunların uygulamaları açıklanmıştır. Aynı bölümde, koruma alanları kavramı, menzilleri ve her bir alanın amacı da açıklanmıştır. Mesafe korumasını etkileyen aşağıdaki üç faktör, farklı bölümlerde ele alınmıştır. o Mesafe rölesine yönelik olası ark etkisi. o Yüklenebilirlik sınırları ve yük taşma tekniği. o DG besleme akımının mesafe rölesi menzili üzerindeki etkisi.  4. Bölümde, mesafe rölesinin DIgSILENT Power Factory ortamında IEEE bus-33 test sistemine yönelik uygulaması ele alınmaktadır. Bu Bölümde, PV entegrasyonlu ve entegrasyonsuz görünür empedans kavramı açıklanmıştır. Tasarım, 2. Bölümdeki hatalar kullanılarak test edilmiştir. Sonuçlar, empedans düzleminde görselleştirilmiştir. Kısa hat PV entegre dağıtım şebekesinin faz mesafe koruma koordinasyonu için bir mesafe rölesi yönergesi önerilmiştir.  5. Bölümde, temel sonuçlara ilişkin bir özetle tez sonlandırılmaktadır. Bu çalışmada gerçekleştirilen çalışma temelinde, aynı konuya yönelik tamamlayıcı bir çalışma olarak ileride gerçekleştirilecek olası çalışmaya yönelik bir öneri de sunulmuştur. Eklerde IEEE 33-bus sistemi hattı ve yükleri için kullanılan veriler yer almaktadır. Aynı sistem için yük akış sonuçları da verilmiştir. Son ekte, IEEE 33-bus sistemi için geleneksel aşırı koruma ayarları gösterilmiştir.

Summary:

The demand on distributed generation and specifically Photovoltaic (PV) has increased rapidly in the last decade. Connecting these sources to distribution network level creates new challenges that where not previously experienced. In the new set up, the ability of conventional overcurrent to maintain the selectivity and reliability of distribution network protection is questioned, since the current now can flow in two directions. Thus, an alternative protection technology became a must. In this study, the potentials of distributed generation and photovoltaic are introduced. In order to investigate the possible impacts of photovoltaic integration into distribution network on protection system, IEEE 33-bus test distribution system is used. Several fault cases are simulated in DIgSILENT Power Factory environment with different PV connection configuration; to address their effects on conventional protection system. A comparison between conventional overcurrent and distance protection systems are carried out. This is followed by a theoretical explanation for distance relay working scheme and features; to figure out how it can assists when photovoltaic are integrated to distribution network. Distance relay protection is designed for IEEE 33-bus test system with and without PV connection. Distance relays coordination method is proposed as a dynamic solution to accommodate the effects of distributed generation on phase protection elements. The feasibility of the suggested solution is verified by reapplying the same fault conditions considered earlier for the conventional protection system. This thesis contains five chapters and three appendices. It is organized as follow:  Chapter 1 starts the thesis with a brief introduction for distributed generation fast development and their potential growing in the future. The challenges combined with these new technologies are indicated in this chapter. To focus on photovoltaics technology, their potential in Turkey and the globe is presented. The limitations of photovoltaics integration into distribution system are indicated considering that they are coupled to the network by solid-state inverter.  Chapter 2 studies and explains the impacts of distributed generation, specifically photovoltaics, on conventional distribution protection system. The chapter is started with an overview of conventional overcurrent protection and the conditions it should satisfy. A general picture of how integrating distributed generations affect the conventional system is presented. This is followed by an illustration for IEEE 33-bus test system which will be used in this study. The protection relay model used in this thesis is indicated. PV size and connection criteria are clarified. The chapter introduces five impacts of PV on the protection system of distribution network, loss of coordination between protection devices, reclosing mal function, false tripping, protection device blinding and islanding. How these effects take place are presented theoretically with illustrative diagrams. In addition, for each effect, a fault case is applied on IEEE 33-bus test system and is linked to the associated section. The effects of PV on voltage profile and system stability are excluded.  Chapter 3 focuses on distance relay features and how it functions to protect the network. A comparison between conventional overcurrent and distance relay is carried out. Also, the reason of preferring distance relay over directional overcurrent protection solution is indicated. In distance relay theory section, the various types of distance relays and their applications are presented. The concept of protection zones, their reaches and the purpose of each zone are described in the same section. Three factors that affects distance protection are presented in separate sections as follow. o The possible arc impact on distance relay. o Loadability limits and load encroachment technique. o DG infeed current effect on distance relay reach.  Chapter 4 shows the implementation of distance relay for IEEE bus-33 test system in DIgSILENT Power Factory environment. The concept of apparent impedance is introduced to understand how the relay sees the fault in various system conditions. Distance protection design is presented in this chapter with and without the integration of PV. The design is tested by the same fault cases of chapter 2. The results are visualized on impedance plane. A guideline for distance relay for phase distance protection coordination of short lines PV integrated distribution network is proposed.  Chapter 5 concludes the thesis by a summary of the key results. Also, based on the work done in this study, possible work to be carried out in the future is suggested as complementary work for the same topic.  Appendices includes the data used for IEEE 33-bus system's line and loads. Also, the results of load flow for the same system is presented. In the last appendix, conventional overcurrent protection settings for IEEE 33-bus system are shown.