[論文レビュー] A Harmonic-based Fault detection algorithm for Microgrids

Wael Al Hanaineh, J. Matas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Islanding Detection in Power Systems被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、全高調波歪み（THD）、電圧振幅推定、零序成分を活用して、多様な故障種別を高速かつ高精度に検出する、ハーモニックに基づくマイクログリッド用故障検出アルゴリズムを提案する。MATLAB/Simulinkを用いたシミュレーション評価により、複数の故障シナリオにおいて迅速な故障検出を達成し、島孤立運転およびグリッド接続運転の両モードにおいて、強靭性とタイムリーさを示した。

ABSTRACT

The trend toward Microgrids (MGs) is significantly increasing by employing Distributed Generators (DGs) which leads to new challenges, especially in the fault detection. This paper proposes an algorithm based on the Total Harmonic Distortion (THD) of the grid voltages to detect the events of faults in MGs. The algorithm uses the THD together with the estimate amplitude voltages and the zero-sequence component for the detection and identification of the faults. The performance is evaluated by using MATLAB/Simulink simulations to validate the capability for detecting different fault types in the least possible time.

研究の動機と目的

• 分散型発電機（DG）の統合に伴うマイクログリッドにおける故障検出の課題を解決すること。
• グリッド接続モードおよび島孤立モードの両方に対応可能なリアルタイムで信頼性の高い故障検出手法を開発すること。
• 高調波特性および順序成分を活用することで、故障検出速度と精度を向上させること。
• 包括的なシミュレーションテストを用いて、多様な故障種別におけるアルゴリズムの性能を検証すること。

提案手法

• アルゴリズムは、三相グリッド電圧の全高調波歪み（THD）を主な故障指標として計算する。
• 基本波電圧振幅の推定を実行し、健全状態と故障状態を区別する。
• 零序電圧成分を用いて接地故障を検出し、故障種別分類の精度を向上させる。
• THDが事前に定義されたしきい値を超えた場合に故障検出をトリガーとし、電圧振幅および零序成分の基準を組み合わせる。
• THD、電圧大きさ、零序成分の挙動の組み合わせに基づき、故障種別（例：L-G、L-L、L-L-G、三相）を分類する。
• 動的マイクログリッドシナリオのシミュレーションのため、MATLAB/Simulinkを用いてアルゴリズムを実装およびテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THD検出は、分散型発電を有するマイクログリッドにおいて、さまざまな故障種別をどの程度効果的に同定できるか？
• RQ2 THD、電圧振幅推定、零序成分の組み合わせは、故障検出速度と精度を向上させることができるか？
• RQ3 本アルゴリズムは、グリッド接続モードおよび島孤立モードの両方において、どの程度の性能を示すか？
• RQ4 本ハーモニックベースの手法を用いた場合、故障検出および特定に要する最小時間はどれくらいか？
• RQ5 高調波および順序成分を用いることで、対称故障と非対称故障を信頼性高く区別できるか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、数ミリ秒以内に、単相接地故障、線間故障、二線地絡故障、三相故障を含む、すべてのテスト対象の故障種別を正常に検出できた。
• しきい値ベースのTHDモニタリング戦略に加え、リアルタイムでの電圧および零序成分推定を実施することで、故障検出時間が最小限に抑えられた。
• 零序成分の導入により、しばしば同定が困難な接地故障の検出精度が顕著に向上した。
• さまざまな運転条件および故障抵抗値レベルにおいて、高い信頼性と低い誤検出率を維持した。
• シミュレーション結果から、グリッド接続モードおよび島孤立モードの両方において、アルゴリズムの強靭性が確認された。
• 基本波および高調波電圧成分に依存するため、異なるマイクログリッド構成へのスケーラビリティおよび適応性が示された。