Model-based control strategy to reduce the fault current of a synchronous generator under short-circuit

Abstract

Sistemas isolados de potência apresentam alguns desafios adicionais a sistemas elétricos. Um caso especial encontra-se nas plataformas petrolíferas, onde a geração e a carga trabalham em alta potência. Nesse caso, o circuito de proteção a faltas demanda uma atenção importante devido à alta corrente envolvida. Em função disso, esta dissertação propõe uma estratégia de controle da corrente de falta atuando na excitação de um gerador síncrono que opera durante a duração de um curto-circuito. O objetivo principal da proposta envolve minimizar a corrente de falta no período transitório e regime estacionário. Para isso, a estratégia define um algoritmo adaptativo atuando como controle ótimo por realimentação da corrente, após a detecção da falta. A metodologia da dissertação para alcançar esse fim, envolve a modelagem da máquina síncrona, assim como dos subelementos dinamicamente envolvidos no sistema. Após a modelagem, propõe-se um sistema de controle, utilizando o algoritmo de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para o controle da corrente de falta. Os resultados e as simulações são realizados para um gerador síncrono de polos lisos com potência nominal de 31,25 MVA, FP=0,8. A estratégia apresenta nos resultados que a dinâmica transitória da corrente de falta diminui sua amplitude em comparação ao sistema operando com regulação de tensão no curto-circuito. Por fim, nas discussões finais, este trabalho argumenta que, por vezes, a proteção a curto-circuito pode estar sobre-dimensionada. Assim uma estratégia adequada de controle da excitação pode fazer a diferença para melhor operacionalidade do sistema.

Abstract: Islanded power systems present some additional challenges to electrical systems. A special case is found on oil platforms, where generation and load work at high-power. Here, the fault protection circuit requires important attention because of the high current involved. As a result, this thesis proposes a strategy for controlling the fault current actuating on the excitation system of a synchronous generator during a short-circuit. The major aim of the proposal involves minimizing the fault current in the transient period and at steady-state. For this, the strategy defines an adaptive algorithm working as an optimal controller with current feedback, after the fault detection. The thesis methodology for achieving this end comprises the modeling of the synchronous machine, as well as the sub-elements that are dynamically involved in the system. After modeling, a control system is proposed, using a model predictive control (MPC) algorithm to control the fault current. The results and simulations are carried out for a round-rotor synchronous generator with a nominal power of 31.25 MVA, PF = 0.8. The strategy shows in the results that the fault current decreases its amplitude in transient dynamics compared to the system operating with voltage regulation during the short-circuit. Finally, in the final discussions, this thesis argues that in the study case, the short-circuit protection may be over-dimensioned. Thus, an adequate excitation control strategy can make the difference for a better system operation.