Performance of Differential Protection Applied to Collector Cables of Offshore Wind Farms with MMC-HVDC Transmission

Technische Samenvatting: Prestaties van differentiële beveiliging toegepast op verzamelaarbekabeling van offshore windparken met MMC-HVDC-transmissie

Probleemstelling
De wereldwijde transitie naar lage-koolstofenergie heeft de integratie van offshore windparken, verbonden via Modular Multilevel Converter-gebaseerde Hoogspanning Gelijkstroom (MMC-HVDC) transmissie, versneld. Een kritieke beveiligingsuitdaging doet zich voor bij de verzamelaarbekabeling die windturbines verbindt met de Offshore MMC (OMMC). In tegenstelling tot traditionele netwerken worden beide uiteinden van deze kabels gevoed door Inverter-Based Resources (IBR's). De besturingsstrategieën van deze IBR's beperken actief de foutstroommagnitudes en veranderen hun karakteristieken, waardoor ze aanzienlijk afwijken van het gedrag dat wordt verondersteld bij conventionele beveiligingsontwerpen. Specifiek onderdrukken veel besturingsstrategieën de negatieve sequentiestromen tijdens fouten. Deze onderdrukking kan resulteren in nagenoeg nul foutstromen voor bepaalde fouttypen, wat potentieel ertoe kan leiden dat conventionele differentiële beveiligingsschema's ongevoelig worden en niet langer betrouwbaar onderscheid kunnen maken tussen interne en externe fouten. Hoewel de bestaande literatuur deze beperkingen erkent, verkent deze vaak beperkte foutscenario's die de diversiteit aan fouttypen en weerstandsniveaus die in de praktijk worden aangetroffen, niet volledig vertegenwoordigen.

Methodologie
Om deze hiaten aan te pakken, hebben de auteurs een uitgebreide prestatie-evaluatie uitgevoerd met behulp van elektromagnetische transiëntsimulaties in PSCAD/EMTDC. De studie maakte gebruik van een realistisch model van een offshore windpark bestaande uit twee 450 MVA clusters van full-converter (Type 4) windturbines die via 230 kV verzamelaarbekabeling zijn verbonden met een OMMC.

De methodologie omvatte:

• Beveiligingsschema's: Een vergelijkende analyse van drie differentiële beveiligingsstrategieën:
  1. Conventionele fase-differentiaal (87L): Gebaseerd op fasestromen.
  2. Negatieve-sequentie differentiaal (87Q): Gebaseerd op negatieve-sequentiecomponenten.
  3. Nul-sequentie differentiaal (87G): Gebaseerd op nul-sequentiecomponenten.
     Alle schema's maakten gebruik van een procentuele remming (percentage restraint logic) met een helling van 50% en een minimale inschakeldrempel (pickup) van 0,3 p.u.
• Besturingsscenario's: Twee verschillende OMMC-besturingsstrategieën werden geëvalueerd:
  • Besturing C1: Actieve onderdrukking van de negatieve-sequentiestroom tijdens fouten.
  • Besturing C2: Prioritering van injectie van negatieve-sequentiestroom (geen geforceerde onderdrukking).
• Foutscenario's: De studie simuleerde interne fouten op diverse locaties (0% tot 100% van de kabellengte) en externe fouten. De fouttypen omvatten enkel-fase-naar-grond (AG), fase-naar-fase (AB), fase-naar-fase-naar-grond (ABG) en driefase-fouten (ABC). Een breed scala aan foutweerstanden werd toegepast (0 tot 50 Ω, afhankelijk van het fouttype).
• Analyse-metriek: De prestaties werden beoordeeld door de operationele stroom ($I_{OP}$) uit te zetten tegen de remstroom ($I_{REST}$) 50 ms na het ontstaan van de fout om te bepalen of de relais opereerden binnen de gedefinieerde veiligheidsregio.

Belangrijkste Resultaten
De simulatieresultaten benadrukten significante kwetsbaarheden van conventionele beveiliging wanneer specifieke besturingsstrategieën worden toegepast:

• Impact van negatieve-sequentie onderdrukking (Besturing C1):

  • Fase-naar-grond (AG) en Fase-naar-fase (AB) fouten: Wanneer zowel de OMMC als de windturbines de negatieve-sequentiestroom onderdrukken (Besturing C1), wordt het negatieve-sequentiecircuit effectief een open circuit. Bij deze omstandigheden is de foutstroom praktisch nul. Onder deze condities vertoonden noch de conventionele fase-differentiaal (87L), noch de sequentie-gebaseerde differentiaal (87Q, 87G) beveiligingen voldoende gevoeligheid om te opereren bij interne fouten, zelfs bij lage foutweerstanden.
  • Fase-naar-fase-naar-grond (ABG) fouten: De aanwezigheid van een nul-sequentiepad (afhankelijk van de wikkelconfiguraties van de transformator) maakte niet-nul foutstromen mogelijk. Echter, zelfs met dit pad presteerde het 87Q-element onbevredigend, en de fase-elementen (87L) opereerden alleen bij fouten met een lage weerstand. Alleen het 87G-element vertoonde gevoeligheid over alle weerstandsniveaus, hoewel de prestaties ervan nog steeds sterk afhankelijk waren van de beschikbaarheid van een nul-sequentiepad.
  • Driefase (ABC) fouten: Aangezien deze fouten alleen de positieve-sequentiecircuit omvatten, opereerde de conventionele fase-differentiaalbeveiliging naar behoren, ongeacht de besturingsstrategie of foutweerstand.

• Impact van niet-onderdrukking (Besturing C2):

  • Wanneer de OMMC de negatieve-sequentiestroom niet onderdrukte (Besturing C2), opereerden alle geëvalueerde differentiële elementen (87L, 87Q en 87G) met de juiste gevoeligheid en selectiviteit voor alle interne fouttypen en weerstandsniveaus.

• Selectiviteit:

  • Voor externe fouten bleven de operationele grootheden voor alle differentiële schema's praktisch nul over alle besturingsstrategieën en fouttypen. Dit geeft aan dat de schema's een hoge selectiviteit behielden en geen onbedoelde werking vertoonden bij externe fouten, uitgaande van ideale synchronisatie en meetcondities.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt een dieper conceptueel begrip te bieden van de beveiligingsuitdagingen in converter-gedomineerde netten. De belangrijkste bijdragen zijn:

1. Identificatie van Kritieke Kwetsbaarheid: De studie toont aan dat conventionele differentiële beveiliging, die historisch gezien als zeer gevoelig en betrouwbaar wordt beschouwd, kan falen om interne fouten in offshore verzamelaarbekabeling te detecteren als de verbonden IBR's (zowel windturbines als OMMC) strategieën voor negatieve-sequentie stroomonderdrukking toepassen.
2. Beperkingen van Sequentiecomponenten: Hoewel negatieve- en nul-sequentie differentiële elementen in sommige contexten een verbeterde gevoeligheid bieden, zijn zij geen universele oplossing. Hun effectiviteit is strikt afhankelijk van de besturingsstrategieën van de converters en de wikkelconfiguraties van de transformatoren (specifiek de aanwezigheid van een nul-sequentiepad).
3. Noodzaak voor Innovatie: De bevindingen suggereren dat bij de transitie naar converter-gedomineerde topologieën, het uitsluitend vertrouwen op conventionele relaisfuncties — zelfs differentiële — onvoldoende kan zijn. De auteurs pleiten voor de ontwikkeling van innovatieve beveiligingsbenaderingen en toekomstbestendige standaarden die rekening houden met de specifieke foutstroomkarakteristieken die door IBR-besturingsstrategieën worden opgelegd.

Het artikel concludeert dat het waarborgen van gevoelige en selectieve beveiliging voor deze kritieke transmissiepaden vereist dat men verder kijkt dan traditionele aannames over foutstroomgedrag, met name in scenario's waarin negatieve-sequentiestromen actief worden onderdrukt.