Analysis of anti-islanding protection methods for inverter connected DER

Abstract

Der Klimawandel und das Strommarktwachstum führen im 21. Jahrhundert zu vielen Herausforderungen für das Stromnetz. Eines von vielen problematischen Fragen ist das enorme anwachsen von Umrichter basierten DEGs, welche potentiell gefährlich für eine ungewollte Inselnetzbildung sind. Verschiedene Methoden zur Detektion ungewollter Inselnetze können in Kombination mit verschiedenen Umrichterregelungen den Bereich der Non Detection Zone (NDZ) beeinflussen. Daher wurden Über/unter Spannungs- und Frequenzschutz in Kombination mit P(U), Q(U) und cosphi(U) Umrichterregelungen erforscht. Ziel war es, die erworbenen NDZs zu beobachten und den Kompromiss im technischen und ¨okonomischen Sinne zu finden, um einen ordnungsgemäßen Schutz vor einer Inselbildung zu gewährleisten. Ein Analytischer Ansatz für die NDZ-Berechnung zeigte, dass die Spannungsschutzgrenzen vor allem durch die aktive Leistungsfehlanpassung zwischen Last und DEG beeinflusst werden, während Frequenzschutzgrenzen durch Blindleistungsfehlanpassung beeinflusst werden. Es wurde ein Simulationsmodell in Matlab Simulink gebaut und Lastcharakteristiken variiert, um verschiedene Leistungsfehlanpassungen zwischen Last und DEG zu testen. Der Simulationsverlauf des Modells wurde in zwei Phasen aufgeteilt: Ein Netzbetrieb, bei dem Frequenz und Spannung durch das Netz beeinflusst wird und ein Inselbetrieb, der durch die Leistungsfehlanpassung zwischen Last und DEG beeinflusst wird. Der Vergleich von analytischen und simulierten NDZs zeigte wesentliche Unterschiede welche nicht durch die analytische Berechnung alleine gezeigt werden konnten. Besonders das dynamische Verhalten von Spannung und Frequenz nach dem Übergang vom Netz zum Inselbetrieb wurde nicht berücksichtigt. Genau dieses Verhalten zeigte die Einführung der neuen Methode zur Detektion ungewollter Inselnetze: Rate Of Change Of Frequency (ROCOF). Die Q(U) Umrichterregelung erwies sich als die beste unter den recherchierten Regelungen in Bezug auf die Größe der NDZ, Blindleistungsunterstützung und im ökonomischen Sinne. Die Ergänzung der selbst implementierten ROCOF-Schutzmethode hat auch bewiesen, dass die Größe des NDZ-Bereichs der Q(U) Regelung weiter reduziert werden kann.

Climate changes and electricity market growth are creating a lot of challenges for power grid in the 21st century. One among many problematic issues is also huge growth of inverter connected Distributed Energy Generation (DEG), which is potentially dangerous for unwanted islanding. Different anti-islanding protection methods can in combination with different inverter regulations influence the area of Non Detection Zone (NDZ). Over/under voltage and frequency protection anti-islanding functions were therefore researched in combination with P(U), Q(U) and cos'(U) inverter regulations. The goal was to observe the acquired NDZs and to find the best compromise in technical and economical sense in order to ensure proper protection against islanding. Analytical approach for NDZ calculation showed, that voltage protection borders are mainly influenced with active power mismatch between load and DEG, while frequency protection limits are influenced with reactive power mismatch. Simulation model was built in Matlab Simulink and load characteristics were changed in order to test different power mismatches between load and DEG. Simulation course of the model was separated in two phases: grid mode, where frequency and voltage were influenced by grid and island mode, where they were influenced by the power mismatch between load and DEG. Comparison of analytical and simulated NDZs offered the insight, on which characteristics could not not be acquired with analytical calculation. Especially dynamic behaviour of voltage and frequency after the transition from grid to island mode were not taken into account. This behaviour offered the introduction of new anti-islanding protection method to the model: Rate Of Change Of Frequency (ROCOF). Q(U) inverter regulation proved to be the best among researched regulations in terms of the size of the NDZ, reactive power support to the grid and in economical sense. Addition of self-implemented ROCOF protection method also proved, that size of the NDZ area of Q(U) regulation can be further reduced.