Representation of Type 4 Wind Turbine Generator for Steady State Short-Circuit Calculations

Plusieurs impacts techniques sont associés à l'interconnexion des éoliennes au réseau électrique. Parmi eux, l'augmentation du niveau de court-circuit du réseau ainsi que son impact sur la coordination de protection a longtemps représenté un frein majeur à l'interconnexion de nouvelles centrales éoliennes au réseau, particulièrement pour les réseaux à moyenne tension [1]. Compte tenu de l'intérêt grandissant pour les énergies renouvelables, les logiciels de calcul de court-circuit utilisés à des fins de planification doivent permettre de mieux évaluer l'impact des centrales éoliennes sur le niveau de court-circuit du réseau auquel elles sont connectées. Malheureusement, très peu ont développé des modèles d'éoliennes à couplage électronique direct dans le domaine fréquentiel qui estiment adéquatement leur contribution au courant de défaut. La principale contribution de ce travail de recherche est le développement d'un modèle simple et précis d'éolienne à couplage électronique direct pour les calculs de court-circuit en régime permanent. Le modèle développé reproduit le comportement réel de l'éolienne en cas de défaut en modélisant adéquatement l'effet du convertisseur. Les données utilisées pour le modèle sont facilement accessibles aux ingénieurs de planification. L'autre contribution de ce travail de recherche est le développement d'un algorithme de court-circuit adapté pour prendre en charge le modèle d'éoliennes à couplage électronique direct proposé. Un algorithme de court-circuit basé sur l'analyse-nodale-augmentée modifiée (MANA) est résolu de manière itérative. L'algorithme est implémenté avec succès dans CYME, un logiciel commercial d'analyse des réseaux. Il permet de reproduire la contribution de l'éolienne au courant de défaut du réseau, y compris pour des réseaux complexes et débalancés. L'étude détaillée du comportement d'une éolienne à couplage électronique direct à l'aide du logiciel de transitoire électromagnétique EMTP-RV démontre que le modèle proposé reproduit fidèlement le comportement réel de l'éolienne en court-circuit. Le modèle proposé est ensuite implémenté dans le logiciel CYME 7.0 et validé pour différents scénarios en utilisant le réseau de distribution 25 kV de Fortis Alberta. La contribution au courant de défaut obtenue à partir du modèle proposé est comparée à celle obtenue à partir des modèles actuels de CYME.

Abstract

Various technical impacts are associated to the interconnection of wind turbine generators to the grid. Among them, the increase of short-circuit levels along with its effect on the settings of protecting relays has long acted as an important inhibiting factor for the interconnection of new wind power plants to the grid. This is especially true at the medium voltage level where networks operate close to their short-circuit design value [1]. As renewable energies are progressively replacing traditional power generation sources, short-circuit studies need to adequately assess the impact of newly interconnected wind power plants on the fault level of the network. For planning and design purposes, short-circuit studies are usually performed using steady-state short-circuit programs. Unfortunately, very few have developed models of wind turbine generators that accurately estimate their fault contribution in the phase domain. In particular, no commercial fault-flow analysis program specifically addresses the modeling of inverter-based wind turbine generators which behavior is based on the inverter's characteristics rather than the generator's. The main contribution of this research work is the development of a simplified and yet accurate model of full-scale converter based wind turbine generator, also called Type 4 wind turbine generator, for steady-state short-circuit calculations. The model reproduces the real behavior of the Type 4 wind turbine generator under fault conditions by correctly accounting for the effect of the full-scale converter. The data used for the model is easily accessible to planning engineers. An additional contribution of this research work is the development of a short-circuit algorithm adapted to support the proposed model of Type 4 wind-turbine generator. Short-circuit algorithm based on modified-augmented-nodal analysis (MANA) is solved iteratively to accommodate the proposed model. The algorithm is successfully implemented in CYME 7.0, a commercial distribution system analysis program, to perform short-circuit calculations in multiphase complex unbalanced systems. Detailed study of the behavior of Type 4 wind turbine generator using electromagnetic type programs like EMTP-RV has assessed that the proposed model closely reproduces the real behavior of the wind turbine generator under steady-state fault conditions. The proposed model is then implemented in CYME 7.0 and validated for different fault scenarios using the Fortis Alberta 25 kV distribution system as benchmark.