• Energy Research

Lightning strikes are one of the main causes of power system trip-outs. When the overhead transmission line (TL) connected to a wind farm is struck by lightning, large currents propagate to the substation, resulting in severe problems. To enhance the performance of wind farm substations, the transient behavior during lightning must be analyzed. The main contribution of this paper is to study the lightning behavior of wind farm substations whose design is different from other conventional substations. The lightning surge overvoltages caused by back flashover and shielding-failure of the 132 kV overhead TL connected to the 33/132 kV air-insulated substation (AIS) of Miramar wind farm are calculated. This wind farm has been built in Argentina to achieve grid connection and power transmission with a total capacity of 98.7 MW. The work investigates the fast-front lightning transient overvoltages in the AIS caused by lightning flashes striking the 132 kV overhead TL. The distributed parameter model of the TL, including towers, phase-conductors, the shielding-wire, insulators, and the span, is investigated using Digsilent Power Factory software. In addition, the AIS apparatus, including surge arresters (SAs), two 60 MVA transformers, and circuit breakers, are also considered in the model. The strike is applied first at the shielding-wire, and the impact on the transient overvoltages at the TL and the substation during the back flashover phenomenon are analyzed. On the other hand, the shielding-failure is studied and the transient overvoltages at the TL and the substation are analyzed. The impact on the transient overvoltages at the TL and the substation is investigated, taking into account the SA protection operation, and its dissipated energy during lightning flashes is calculated. The study results are important for the lightning protection systems design of wind farm substations connected to overhead TLs.

Lightning strikes are one of the main causes of power system trip-outs. When the overhead transmission line (TL) connected to a wind farm is struck by lightning, large currents propagate to the substation, resulting in severe problems. To enhance the performance of wind farm substations, the transient behavior during lightning must be analyzed. The main contribution of this paper is to study the lightning behavior of wind farm substations whose design is different from other conventional substations. The lightning surge overvoltages caused by back flashover and shielding-failure of the 132 kV overhead TL connected to the 33/132 kV air-insulated substation (AIS) of Miramar wind farm are calculated. This wind farm has been built in Argentina to achieve grid connection and power transmission with a total capacity of 98.7 MW. The work investigates the fast-front lightning transient overvoltages in the AIS caused by lightning flashes striking the 132 kV overhead TL. The distributed parameter model of the TL, including towers, phase-conductors, the shielding-wire, insulators, and the span, is investigated using Digsilent Power Factory software. In addition, the AIS apparatus, including surge arresters (SAs), two 60 MVA transformers, and circuit breakers, are also considered in the model. The strike is applied first at the shielding-wire, and the impact on the transient overvoltages at the TL and the substation during the back flashover phenomenon are analyzed. On the other hand, the shielding-failure is studied and the transient overvoltages at the TL and the substation are analyzed. The impact on the transient overvoltages at the TL and the substation is investigated, taking into account the SA protection operation, and its dissipated energy during lightning flashes is calculated. The study results are important for the lightning protection systems design of wind farm substations connected to overhead TLs.

Dans le cadre de l'expansion progressive de la nouvelle génération distribuée d'énergie, le système de micro-réseau à convertisseurs multiples insulaire joue un grand rôle. La stabilité de la tension et de la fréquence des systèmes à convertisseurs multiples en mode îlot et la coordination de l'allocation de puissance entre de nombreux systèmes de convertisseurs sont devenues des points de recherche essentiels. En se concentrant sur le problème de partage de puissance réactive du système à convertisseurs multiples pour différentes impédances de ligne et perturbations de charge, cet article propose une stratégie de contrôle de chute améliorée consensuelle pour atteindre le partage de puissance et la stabilité de tension et de fréquence, et le mécanisme et la performance en régime permanent de la stratégie de contrôle proposée sont analysés et étudiés. Dans ce travail, un modèle de simulation de système à convertisseurs multiples composé de six onduleurs est construit dans le logiciel PLECS, qui vérifie que le schéma de contrôle d'affaissement amélioré consensuel peut compenser les lacunes du contrôle d'affaissement traditionnel. En outre, la configuration expérimentale matérielle du système d'onduleur triphasé est en outre effectuée pour valider les résultats de simulation. En cas de perturbation de la charge, les effets de contrôle du contrôle de l'affaissement amélioré par consensus proposés dans cet article sont analysés et étudiés, et les bonnes caractéristiques dynamiques de la stratégie de contrôle de l'affaissement amélioré par consensus sont vérifiées. Enfin, la grande robustesse de la stratégie de contrôle coordonné proposée est en outre illustrée par le saut de charge déséquilibrée. Cet article clarifie l'efficacité de la stratégie de contrôle proposée basée sur un algorithme de consensus dans la résolution du problème de partage de la puissance réactive des différentes impédances de ligne et des perturbations de charge autour du système multi convertisseur en mode îlot. En outre, le travail dans le document peut assurer un partage efficace de la puissance réactive dans diverses conditions de travail avec une grande robustesse. Bajo la expansión gradual de la nueva generación distribuida de energía, el sistema de microrred multiconvertidor de isla juega un gran papel. La estabilidad del voltaje y la frecuencia de los sistemas multiconvertidores en modo isla y la coordinación de la asignación de potencia entre muchos sistemas convertidores se han convertido en puntos de investigación vitales. Centrándose en el problema del uso compartido de potencia reactiva del sistema multiconvertidor para diferentes impedancias de línea y perturbaciones de carga, este documento propone una estrategia de control de caída mejorada de consenso para lograr el uso compartido de potencia y la estabilidad de voltaje y frecuencia, y se analizan y estudian el mecanismo y el rendimiento en estado estacionario de la estrategia de control propuesta. En este trabajo, se construye en el software PLECS un modelo de simulación de sistema multiconvertidor compuesto por seis inversores, que verifica que el esquema de control de caída mejorado por consenso puede compensar las deficiencias del control de caída tradicional. Además, la configuración experimental de hardware del sistema inversor trifásico se lleva a cabo para validar los resultados de la simulación. Bajo perturbación de carga, se analizan y estudian los efectos de control del control de caída mejorado por consenso propuestos en este documento, y se verifican las buenas características dinámicas de la estrategia de control de caída mejorada por consenso. Finalmente, la alta robustez de la estrategia de control coordinado propuesta se ilustra aún más con el salto de carga desequilibrada. Este documento aclara la efectividad de la estrategia de control propuesta basada en el algoritmo de consenso para resolver el problema de compartir la potencia reactiva de diferentes impedancias de línea y perturbaciones de carga alrededor del sistema multiconvertidor de modo isla. Además, el trabajo en el documento puede garantizar un intercambio efectivo de energía reactiva en diversas condiciones de trabajo con alta robustez. Under the gradual expansion of the new energy distributed generation, the islanding multi converter microgrid system plays a great role. The stability of voltage and frequency of multi converter systems in islanding mode and the coordination of power allocation among many converter systems have become vital research points. Focusing on the reactive power sharing problem of multi converter system for different line impedances and load disturbances, this paper proposes a consensus enhanced droop control strategy to achieve power sharing and voltage and frequency stability, and the mechanism and steady-state performance of the proposed control strategy are analyzed and studied. In this work, a multi converter system simulation model composed of six inverters is built in the software PLECS, which verifies that the consensus enhanced droop control scheme can make up for the shortcomings of the traditional droop control. Moreover, the hardware experimental setup of three-phase inverter system is further conducted to validate the simulation results. Under load disturbance, the control effects of consensus enhanced droop control proposed in this paper are analyzed and studied, and the good dynamic characteristics of consensus enhanced droop control strategy are verified. Finally, the high robustness of the proposed coordinated control strategy is further illustrated by the jump of unbalanced load. This paper clarifies the effectiveness of the proposed control strategy based on consensus algorithm in solving the reactive power sharing problem of different line impedances and load disturbances around the island mode multi converter system. Furthermore, the work in the paper can ensure effective reactive power sharing under various working conditions with high robustness. في ظل التوسع التدريجي للجيل الجديد الموزع للطاقة، يلعب نظام الشبكة الدقيقة متعددة المحولات دورًا كبيرًا. أصبح استقرار الجهد والتردد لأنظمة المحولات المتعددة في وضع الجزر وتنسيق تخصيص الطاقة بين العديد من أنظمة المحولات نقاطًا بحثية حيوية. مع التركيز على مشكلة مشاركة الطاقة التفاعلية لنظام المحول المتعدد لمعاوقات الخطوط المختلفة واضطرابات الحمل، تقترح هذه الورقة استراتيجية تحكم معززة بالإجماع لتحقيق مشاركة الطاقة واستقرار الجهد والتردد، ويتم تحليل ودراسة آلية وأداء الحالة الثابتة لاستراتيجية التحكم المقترحة. في هذا العمل، تم بناء نموذج محاكاة نظام محول متعدد يتكون من ستة محولات في برنامج PLECS، والذي يتحقق من أن مخطط التحكم في التدلي المعزز بالإجماع يمكن أن يعوض عن أوجه القصور في التحكم التقليدي في التدلي. علاوة على ذلك، يتم إجراء الإعداد التجريبي للأجهزة لنظام المحول ثلاثي الطور للتحقق من صحة نتائج المحاكاة. في ظل اضطراب الحمل، يتم تحليل ودراسة تأثيرات التحكم في التحكم المعزز بالإجماع المقترح في هذه الورقة، ويتم التحقق من الخصائص الديناميكية الجيدة لاستراتيجية التحكم المعزز بالإجماع. أخيرًا، تتضح المتانة العالية لاستراتيجية التحكم المنسقة المقترحة بشكل أكبر من خلال قفزة الحمل غير المتوازن. توضح هذه الورقة فعالية استراتيجية التحكم المقترحة بناءً على خوارزمية الإجماع في حل مشكلة مشاركة الطاقة التفاعلية لمعاوقات الخطوط المختلفة واضطرابات الحمل حول نظام المحول المتعدد لوضع الجزيرة. علاوة على ذلك، يمكن أن يضمن العمل في الورقة المشاركة الفعالة للسلطة التفاعلية في ظل ظروف العمل المختلفة بقوة عالية.

Dans le cadre de l'expansion progressive de la nouvelle génération distribuée d'énergie, le système de micro-réseau à convertisseurs multiples insulaire joue un grand rôle. La stabilité de la tension et de la fréquence des systèmes à convertisseurs multiples en mode îlot et la coordination de l'allocation de puissance entre de nombreux systèmes de convertisseurs sont devenues des points de recherche essentiels. En se concentrant sur le problème de partage de puissance réactive du système à convertisseurs multiples pour différentes impédances de ligne et perturbations de charge, cet article propose une stratégie de contrôle de chute améliorée consensuelle pour atteindre le partage de puissance et la stabilité de tension et de fréquence, et le mécanisme et la performance en régime permanent de la stratégie de contrôle proposée sont analysés et étudiés. Dans ce travail, un modèle de simulation de système à convertisseurs multiples composé de six onduleurs est construit dans le logiciel PLECS, qui vérifie que le schéma de contrôle d'affaissement amélioré consensuel peut compenser les lacunes du contrôle d'affaissement traditionnel. En outre, la configuration expérimentale matérielle du système d'onduleur triphasé est en outre effectuée pour valider les résultats de simulation. En cas de perturbation de la charge, les effets de contrôle du contrôle de l'affaissement amélioré par consensus proposés dans cet article sont analysés et étudiés, et les bonnes caractéristiques dynamiques de la stratégie de contrôle de l'affaissement amélioré par consensus sont vérifiées. Enfin, la grande robustesse de la stratégie de contrôle coordonné proposée est en outre illustrée par le saut de charge déséquilibrée. Cet article clarifie l'efficacité de la stratégie de contrôle proposée basée sur un algorithme de consensus dans la résolution du problème de partage de la puissance réactive des différentes impédances de ligne et des perturbations de charge autour du système multi convertisseur en mode îlot. En outre, le travail dans le document peut assurer un partage efficace de la puissance réactive dans diverses conditions de travail avec une grande robustesse. Bajo la expansión gradual de la nueva generación distribuida de energía, el sistema de microrred multiconvertidor de isla juega un gran papel. La estabilidad del voltaje y la frecuencia de los sistemas multiconvertidores en modo isla y la coordinación de la asignación de potencia entre muchos sistemas convertidores se han convertido en puntos de investigación vitales. Centrándose en el problema del uso compartido de potencia reactiva del sistema multiconvertidor para diferentes impedancias de línea y perturbaciones de carga, este documento propone una estrategia de control de caída mejorada de consenso para lograr el uso compartido de potencia y la estabilidad de voltaje y frecuencia, y se analizan y estudian el mecanismo y el rendimiento en estado estacionario de la estrategia de control propuesta. En este trabajo, se construye en el software PLECS un modelo de simulación de sistema multiconvertidor compuesto por seis inversores, que verifica que el esquema de control de caída mejorado por consenso puede compensar las deficiencias del control de caída tradicional. Además, la configuración experimental de hardware del sistema inversor trifásico se lleva a cabo para validar los resultados de la simulación. Bajo perturbación de carga, se analizan y estudian los efectos de control del control de caída mejorado por consenso propuestos en este documento, y se verifican las buenas características dinámicas de la estrategia de control de caída mejorada por consenso. Finalmente, la alta robustez de la estrategia de control coordinado propuesta se ilustra aún más con el salto de carga desequilibrada. Este documento aclara la efectividad de la estrategia de control propuesta basada en el algoritmo de consenso para resolver el problema de compartir la potencia reactiva de diferentes impedancias de línea y perturbaciones de carga alrededor del sistema multiconvertidor de modo isla. Además, el trabajo en el documento puede garantizar un intercambio efectivo de energía reactiva en diversas condiciones de trabajo con alta robustez. Under the gradual expansion of the new energy distributed generation, the islanding multi converter microgrid system plays a great role. The stability of voltage and frequency of multi converter systems in islanding mode and the coordination of power allocation among many converter systems have become vital research points. Focusing on the reactive power sharing problem of multi converter system for different line impedances and load disturbances, this paper proposes a consensus enhanced droop control strategy to achieve power sharing and voltage and frequency stability, and the mechanism and steady-state performance of the proposed control strategy are analyzed and studied. In this work, a multi converter system simulation model composed of six inverters is built in the software PLECS, which verifies that the consensus enhanced droop control scheme can make up for the shortcomings of the traditional droop control. Moreover, the hardware experimental setup of three-phase inverter system is further conducted to validate the simulation results. Under load disturbance, the control effects of consensus enhanced droop control proposed in this paper are analyzed and studied, and the good dynamic characteristics of consensus enhanced droop control strategy are verified. Finally, the high robustness of the proposed coordinated control strategy is further illustrated by the jump of unbalanced load. This paper clarifies the effectiveness of the proposed control strategy based on consensus algorithm in solving the reactive power sharing problem of different line impedances and load disturbances around the island mode multi converter system. Furthermore, the work in the paper can ensure effective reactive power sharing under various working conditions with high robustness. في ظل التوسع التدريجي للجيل الجديد الموزع للطاقة، يلعب نظام الشبكة الدقيقة متعددة المحولات دورًا كبيرًا. أصبح استقرار الجهد والتردد لأنظمة المحولات المتعددة في وضع الجزر وتنسيق تخصيص الطاقة بين العديد من أنظمة المحولات نقاطًا بحثية حيوية. مع التركيز على مشكلة مشاركة الطاقة التفاعلية لنظام المحول المتعدد لمعاوقات الخطوط المختلفة واضطرابات الحمل، تقترح هذه الورقة استراتيجية تحكم معززة بالإجماع لتحقيق مشاركة الطاقة واستقرار الجهد والتردد، ويتم تحليل ودراسة آلية وأداء الحالة الثابتة لاستراتيجية التحكم المقترحة. في هذا العمل، تم بناء نموذج محاكاة نظام محول متعدد يتكون من ستة محولات في برنامج PLECS، والذي يتحقق من أن مخطط التحكم في التدلي المعزز بالإجماع يمكن أن يعوض عن أوجه القصور في التحكم التقليدي في التدلي. علاوة على ذلك، يتم إجراء الإعداد التجريبي للأجهزة لنظام المحول ثلاثي الطور للتحقق من صحة نتائج المحاكاة. في ظل اضطراب الحمل، يتم تحليل ودراسة تأثيرات التحكم في التحكم المعزز بالإجماع المقترح في هذه الورقة، ويتم التحقق من الخصائص الديناميكية الجيدة لاستراتيجية التحكم المعزز بالإجماع. أخيرًا، تتضح المتانة العالية لاستراتيجية التحكم المنسقة المقترحة بشكل أكبر من خلال قفزة الحمل غير المتوازن. توضح هذه الورقة فعالية استراتيجية التحكم المقترحة بناءً على خوارزمية الإجماع في حل مشكلة مشاركة الطاقة التفاعلية لمعاوقات الخطوط المختلفة واضطرابات الحمل حول نظام المحول المتعدد لوضع الجزيرة. علاوة على ذلك، يمكن أن يضمن العمل في الورقة المشاركة الفعالة للسلطة التفاعلية في ظل ظروف العمل المختلفة بقوة عالية.

SummaryThe large integration of distributed generation (DG) and electric vehicles (EVs) facilitates daily life and reduces carbon emissions. However, it brings problems such as increased uncertainty and power electronic permeability to the distribution network. In this context, it is important to solve the line loss optimization problem as closely as possible to the real situation. Therefore, this paper solves the line loss optimization problem based on a probabilistic model of three‐phase unbalanced modern power electrical distribution network. Firstly, the paper proposes a frequency domain model of the distribution network and the optimization problem model. Then, to deal with the uncertainty of the system, the point estimation method (PEM) and Monte Carlo Simulation (MCS) are used. Finally, this paper proposes two optimization schemes considering the power quality when single and multiple DGs are integrated. The simulation results demonstrate that the PEM using the Gram–Charlier series expansion of the fourth‐order statistical moments to estimate the probability density function (PDF) is significantly less time consuming than the traditional MCS method while maintaining accuracy. The comparative analysis reveals that under the optimization scheme with single DG integration, the expected value of system line loss and expected line loss rate are reduced from 283.95 kW to 218.96 kW (22.89% reduction) and from 13.44% to 10.68%, respectively. Under the dual DG integrated optimization scheme, the expected value of line losses and expected line loss rate are reduced from 283.95 kW to 208.88 kW (26.4% reduction) and from 13.44% to 10.25%, respectively. However, after taking the uncertainty into account, the operational reliability of the system has been enhanced under different scenarios. In addition, it is found that the optimization approach incorporating multiple DG units can effectively mitigate the system line loss under diverse operational scenarios while enhancing the system's DG integration capability.

SummaryThe large integration of distributed generation (DG) and electric vehicles (EVs) facilitates daily life and reduces carbon emissions. However, it brings problems such as increased uncertainty and power electronic permeability to the distribution network. In this context, it is important to solve the line loss optimization problem as closely as possible to the real situation. Therefore, this paper solves the line loss optimization problem based on a probabilistic model of three‐phase unbalanced modern power electrical distribution network. Firstly, the paper proposes a frequency domain model of the distribution network and the optimization problem model. Then, to deal with the uncertainty of the system, the point estimation method (PEM) and Monte Carlo Simulation (MCS) are used. Finally, this paper proposes two optimization schemes considering the power quality when single and multiple DGs are integrated. The simulation results demonstrate that the PEM using the Gram–Charlier series expansion of the fourth‐order statistical moments to estimate the probability density function (PDF) is significantly less time consuming than the traditional MCS method while maintaining accuracy. The comparative analysis reveals that under the optimization scheme with single DG integration, the expected value of system line loss and expected line loss rate are reduced from 283.95 kW to 218.96 kW (22.89% reduction) and from 13.44% to 10.68%, respectively. Under the dual DG integrated optimization scheme, the expected value of line losses and expected line loss rate are reduced from 283.95 kW to 208.88 kW (26.4% reduction) and from 13.44% to 10.25%, respectively. However, after taking the uncertainty into account, the operational reliability of the system has been enhanced under different scenarios. In addition, it is found that the optimization approach incorporating multiple DG units can effectively mitigate the system line loss under diverse operational scenarios while enhancing the system's DG integration capability.