Fast detection method for AC short-circuit faults in shipboard power systems based on decoupled double synchronous rotating frame

Technische Samenvatting: Snelle Detectiemethode voor AC-kortsluitingsfouten in Scheepsenergiesystemen Gebaseerd op een Ontkoppeld Dubbel Synchroon Roterend Frame

Probleemstelling
Scheepservoeringssystemen evolueren naar geïsoleerde microgrids met een beperkte capaciteit en lage traagheid, waarbij steeds meer hernieuwbare energiebronnen zoals fotovoltaïsche systemen en energieopslag worden geïntegreerd. In deze omgeving is de driefasige twee-traps netgekoppelde inverter een kritieke interface. Echter, traditionele detectiemethoden voor kortsluitingsfouten, die vertrouwen op stationaire vermogens- en frequentie-elektrografische grootheden (zoals RMS-waarden), lijden aan trage reactiesnelheden en zwakke anti-interferentiecapaciteiten. Deze beperkingen maken het moeilijk om te voldoen aan de snelheidseisen die nodig zijn om schade aan apparatuur, cascade-uitval en totaal vermogensverlies in moderne scheepssystemen te voorkomen, met name gezien de complexe transiënte condities veroorzaakt door voortstuwing en dagelijkse belastingen.

Methodologie
Het artikel stelt een snelle detectiemethode voor voor AC-kortsluitingsfouten gebaseerd op het Ontkoppeld Dubbel Synchroon Roterend Frame (DDSRF). De methodologie verloopt via de volgende stappen:

1. Systeemmodellering en Foutanalyse: Een equivalent circuitmodel van een driefasige netgekoppelde inverter wordt opgesteld. De auteurs analyseren de foutrespons-kenmerken voor zowel symmetrische als asymmetrische fouten. In tegenstelling tot traditionele systemen waar asymmetrische fouten voornamelijk de getroffen fase beïnvloeden, zorgt de d- en q-as ontkoppelingsregeling van de inverter ervoor dat de amplitudes van de driefasige stromen synchroon toenemen, ongeacht de symmetrie van de fout.
2. Constructie van Spanningsvectoren: Het DDSRF wordt gebruikt om twee synchrone roterende coördinatensystemen met tegengestelde rotatierichtingen te construeren. Dit maakt een nauwkeurige scheiding van positieve en negatieve sequentiecomponenten mogelijk, zelfs onder ongebalanceerde netcondities.
3. Constructie van de Fouttoestandvariabele (FSV): Een Fouttoestandvariabele (FSV) wordt gedefinieerd om positieve en negatieve sequentiekenmerken te integreren. De FSV is een genormaliseerde scalaire tijdvariërende vector die wordt berekend als het verschil tussen de genormaliseerde stroomratio en de genormaliseerde spanningsratio:
   $$FSV = k_f \frac{i_m}{I_{pv}} - \frac{u_m}{U_N}$$
   Waarbij $i_m$ en $u_m$ de instantane stroom- en spanningsamplitudes zijn, $I_{pv}$ en $U_N$ de nominale waarden zijn, en $k_f$ een compensatiecoëfficiënt is.
4. Detectiecriterium: Onder normale bedrijfsvoering of niet-foutgerelateerde verstoringen (bijv. PV-fluctuaties) blijft de FSV nabij nul. Tijdens een AC-kortsluitingsfout daalt de spanning en stijgt de stroom abrupt, waardoor de FSV significant boven nul stijgt. Een drempelwaarde ($FSV_{ac} = 0,15$) wordt ingesteld om fouten van verstoringen te onderscheiden.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuwe Detectiemetriek: De introductie van de Fouttoestandvariabele (FSV), die positieve en negatieve sequentiekenmerken samenvoegt in een enkele scalaire waarde, wat snelle detectie mogelijk maakt zonder fase-per-fase analyse.
• Toepassing van het Ontkoppeld Dubbel Synchroon Roterend Frame: De toepassing van DDSRF specifiek voor foutdetectie in scheepsinverters, waarbij gebruik wordt gemaakt van het vermogen om sequentiecomponenten te ontkoppelen om zowel symmetrische als asymmetrische fouten effectief te behandteren.
• Robuustheid tegen Verstoringen: De methode is ontworpen om ongevoelig te zijn voor veelvoorkomende niet-foutgerelateerde verstoringen zoals fluctuaties in de fotovoltaïsche output en het opstarten van motoren, die vaak foutieve positieven triggeren bij traditionele RMS-gebaseerde methoden.

Experimentele Resultaten
De methode werd gevalideerd met behulp van een 1 kW driefasige twee-traps netgekoppelde inverter experimenteel prototype en simulatiemodellen.

• Detectiesnelheid: De voorgestelde methode bereikte detectietijden van minder dan 2 ms voor diverse fouttypen. Specifiek werden detectievertragingen geregistreerd van 0,34 ms voor driefasige kortsluitingen, 1,61 ms voor eenfase grondfouten, en zo laag als 0,05 ms voor twee-fasen grondfouten en twee-fasen kortsluitingen.
• Vergelijking met Traditionele Methoden: Vergeleken met de traditionele Root-Mean-Square (RMS) methode vertoonde de voorgestelde FSV-methode een snelheidsverbetering van meer dan 50% (en tot wel een orde van grootte in sommige gevallen). Zo duurde de RMS-methode bijvoorbeeld tot 22,4 ms om een eenfase kortsluiting te detecteren, terwijl de FSV-methode 1,61 ms nodig had.
• Stabiliteit en Robuustheid: De methode behield een stabiele prestatie over verschillende initiële foutfasehoeken. Bovendien bleef onder niet-foutgerelateerde verstoringen (gesimuleerde veranderingen in lichtintensiteit en het opstarten van motoren) de FSV-fluctuatie ruim onder de detectiedrempel (maximale fluctuatie van 0,07), wat bevestigt dat er geen foutieve oordelen plaatsvonden.

Betekenis
Het artikel beweert dat deze methode een effectief technisch middel biedt voor snelle foutbescherming in scheepservoeringssystemen. Door microseconde-detectie te bereiken (met minimale vertragingen van 0,05 ms), biedt de methode een extreem vroege identificatiebasis voor solid-state stroomonderbrekers en snelle stroombegrenzers. Deze capaciteit maakt isolatie van de fout mogelijk voordat de kortsluitingsstroom zijn piek bereikt, waardoor grootschalige spanningsdips die kritieke belastingen zoals voortstuwingsmotoren en krachtige radars kunnen uitschakelen, worden voorkomen. Uiteindelijk beoogt de aanpak de continuïteit van de bedrijfsvoering en de zelfherstellende niveaus van scheepservoeringssystemen aanzienlijk te verbeteren, met name in complexe AC/DC hybride of DC microgrid configuraties.