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Power System Calculations in D sharp

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8/12/2019 Power System Calculations in D sharp

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Formulary Power System Calculations

version: 0.1

Dirk Van Hertem

[email protected]

I. INTRODUCTION

 A. Three phase quantities 

In a balanced three phase power system:

|U a 0| = |U b 0| = |U c 0|   and   ∠(U a 0,U b 0) = ∠(U b 0,U c 0) =∠(U c 0,U a 0).

The line voltages are the sum of the phase voltages:U ab  =U an +U nb  =U an −U bn .

a = e  ·2·π

3 (1)

U bn  = a 2 ·U an    (2)

U cn  = a ·U an    (3)

U ab  =U an − a 2 ·U an  = (1− a 2) ·U an    (4)

P  = 3 · |U L | · |I L | · cosφp    (5)

Q = 

3 · |U L | · |I L | · sinφp    (6)

S = 

3 · |U L | · |I L | = 

P 2 +Q 2 (7)

Star-delta transformations:

Delta to star (8)

Z a  =Z ab  · Z ac 

Z ab + Z ac  + Z bc (9)

Star to Delta (10)

Z ab  =Z a · Z b + Z a · Z c + Z b · Z c 

Z c (11)

in balanced systems: (12)

Z ∆ = 3 · Z Y    (13)

B. Per Unit 

per unit value=

real value

base or reference value(14)

C. Symmetrical components 

Transformation from symmetrical components to

phasor quantities:

U a 

U b 

U c 

=

1 1 1

1   a 2 a 

1   a a 2

·

U 0U 1U 2

  (15)

U p  = A ·U s    (16)

Inverse:

U s  =  A −1 ·U p    (17)U 0

U 1U 2

= 1

3

1 1 1

1   a a 2

1   a 2 a 

·U a 

U b 

U c 

  (18)

II. LINE PARAMETERS

 A. Voltage profile in a line 

U G 

I G 

=

cosh(γ · (L ))   Z 0 ·sinh(γ · (L ))sinh(γ·(L ))

Z 0cosh(γ · (L ))

·

U C 

I C 

  (19)

u (x , t ) = ℜ

U (x ) · 

2 ·e   ·ω·t 

  (20)

= |U 1| · 

2 ·e α·(L −x ) ·cos

ω · t +β · (L − x )+arg |U 1|(21)

+|U 2| · 

2 ·e −α·(L −x ) ·cosω · t −β · (L − x )+arg |U 2|

(22)

|U (x )|2 = |U 1|2 +|U 2|2 ·cosh (2 ·α · (L − x ))   (23)

+|U 1|2 −|U 2|2

· sinh(2 ·α · (L − x ))   (24)

+ (2 · |U 1| · |U 2|) ·cos2 ·β · (L − x )−δ

  (25)

|Z 0 · I (x )|2 =|U 1|2 +|U 2|2

·cosh (2 ·α · (L − x ))   (26)

+|U 1|2 −|U 2|2

· sinh(2 ·α · (L − x ))   (27)

− (2 · |U 1| · |U 2|) ·cos2 ·β · (L − x )−δ

  (28)

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For a lossless line:

Z 0 = 

c (29)

γ=  ·ω ·  ·c    (30)

v wave  =

1

· c (31)

B. Resistance of transmission lines 

r  = ρ

S (32)

R ac 

R dc 

= 1+ 1

194·α4 (33)

α=D 

2 · ω ·µ

ρ   (34)

C. Capacitance value of two parallel conductors 

Capacitance value of two conductors at distance   D 

and of radius  R 1   and  R 2:

U 12 = V 1 −V 2 = q 

2 ·π · ·

ln

 D 

R 1

+ ln

 D 

R 2

  (35)

=q 

2 ·π · · ln   D 2

R 1 · R 2

  (36)

C  = q 

U = 2 ·π ·

ln

  D 2

R 1·R 2

  (37)

0 = 8.8537 ·10−12 F /m    (38)

In general, the potential at the surface of a conductor

i =

V i  =m 

 j =1

  q  j 

2 ·π · · ln  1

d  j i 

  (39)

D. Inductance of a line 

λi nt  =r 

0

µ · I · x 3

2 ·π · r 4 ·d x = µ · I 

8 ·π   (40)

Φu  =D 

R 1

d Φu  =D 

R 1

µu ·I 

2 ·π · x ·d x    (41)

=µu 

2 ·π ·I 

·ln

 D 

R 1(42)

Inductance of two conductors in parallel:

(1)u   = µu 

2 ·π · ln D 

R 1(43)

(2)u   = µu 

2 ·π · ln D 

R 2(44)

and the internal resistance against changing flux 

(45)

i  =µi 

8 ·π   (46)

= 2 ·i +(1)u  +(2)

u    (47)

= µi 

4 ·π + µu 

2 ·π · ln

  D 2

R 1 ·R 2

  [H /m ] (48)

= 1

2 ·π ·µu · ln  D 2

R eq 1  · R 

eq 2

(49)

R eq  = R ·e −   µi 

4·µu  (50)

= 0.7788 ·R    (in air) (51)

Three phase lines:

Φ= L · I    (52)

L k j  =1

2 ·π ·µ · ln  1

d  j k (53)

U  = K  ·q    (54)

K k j  =1

2

·π

·

· ln  1

d  j k (55)

E. Cables with common screen 

c 0 = 2 ·π ·ln

 27·R 6−a 6

27·R 3·a 2·r 

  (56)

c 1 = c 2 = 2 ·π ·

ln

a ·(3·R 2−a 2)

32

r · 

27·R 6−a 6

(57)

 With a  the distance between two phases, R   the radius

of the screen and  r  the radius of the conductors.

F. Power and voltage drop in a line 

Power flow in a purely inductive line:

P S  =| U S | · | U R |

 X · sin(δ) (58)

Q S 

=| U S | · | U R |

 X  ·cos(δ)

−| U S |2

 X (59)

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 Voltage drop in a line with series impedance  Z :

∆U  =Z ·I 

= R +  · X 

· I · cosφR −  · I · cosφR −R · I ·sinφR 

(60)

∆|U | ≈ R · I ·cosφR + X  · I · sinφR    (61)

III. SHORT CIRCUIT CALCULATIONS

Largest fault current:

I RM S (τ) =κ(τ) · I ac    (62)

κ(τ) = 1+2 ·e −

4πτ X /R    (63)

κ≈ 1.02+0.98 ·e −3· R  X  (64)

 AC and DC short circuit current:

I ac (t ) = 

2 ·

I k  − I k 

· e 

−   t τ +

I k − I k 

·e 

−   t τ + I k 

·sin

ω · t +α−φ

  (65)

I dc (t ) = 

2 ·E 

Z   ·sin(α−φ) · e 

−   t τdc    (66)

Switching current:

I b (t ) = 

I 2ac (t )+ i 2dc 

(t ) (67)

I ac  =µ · I k    (68)

i dc (t ) = 

2 · I k  ·e −ω·R  X 

  ·t  (69)

Force between two conductors:

F  = µ · i a · i b 

2 ·π · d [N /m ] (70)

Thermal effect:

C ·S ·∆T  = R · I 2eq  ·∆   (71)

I eq 

 =   1

∆t ∆t 

0

i (t )d t    (72)

 A. From the exercise session 

Z source  =U 2

nominal 

S 2short 

−circuit 

−power 

(73)

Z transf ormer  =u k ·U 2

rated 

100% · S r a t e d  (74)

R transf ormer  =u r  ·U 2

rated 

100% · S r a t e d  (75)

 X generator ,1 =

x d 

·U 2rated 

100% · S r a t e d  (76)

 X generator ,1 =

x d 

·U 2rated 

100% · S r a t e d  (77)

 X generator ,1=

x d 

·U 2rated 

100% · S r a t e d  

(78)

 X generator ,2 ≈ X 

generator ,2 ≈ X generator ,2 ≈ X 

generator ,1

(79)

Z motor  =U 2

rated I s t a r t  

I nominal ·S r a t e d  

=I nominal ·U 2

rated 

I s t a r t  ·

  P rated η·cos(φ)

  (80)

IV. POWER FLOW 

 Admittance matrix:

I m 

I n 

=

 y mn    − y mn 

− y mn    y mn 

·

U m 

U n 

  (81)

Y bu s ,i j  = − y i j    (82)

Y bu s ,i i  =n 

 j =1

 y i j    (83)

Y bu s  =  A T  ·C · A    (84)

Power flow equations:

I i  =n 

 j =1

Y i j  ·U  j    ∀i  ∈N≤ n    (85)

S ∗i  = U ∗i   · I i    (86)

= P i − Q i    (87)

=U ∗i   ·n 

 j =1

Y i j  ·U  j    (88)

Power injections in a node in rectangular and polar

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coordinates:

P i  =U i 

n  j =1

U  j  ·G i j  ·cos(θi −θ j )+B i j  ·sin(θi −θ j )

(89)

Q i  =U i 

 j =

1

U  j  · G i j  ·sin(θi −θ j )− B i j  · cos(θi −θ j )(90)

P i  =U i 

n  j =1

U  j  ·Y i j  · cos(θi −θ j  −φi j ) (91)

Q i  =U i 

n  j =1

U  j  ·Y i j  · sin(θi −θ j  −φi j ) (92)

 V. OPTIMIZATION IN POWER SYSTEMS

Lagrangian function:

L ( x ,λ,µ) = f   ( x )+µT 

· (h ( x ))+λT 

· g ( x )

  (93)∂L ( x ,λ,µ)

∂x i = 0   ∀i    (94)

∂L ( x ,λ,µ)

∂λi = 0   ∀i    (95)

∂L ( x ,λ,µ)

∂µi = 0   ∀i    (96)

 VI . POWER SYSTEM STABILITY 

dδi 

dt =ω   (97)

 J · dωi 

dt = T mech −T elec    (98)

 J · dωi 

dt = P mech −P elec 

ωi (99)

H  =  J ·ω2s 

2 ·S rated (100)

2 · H 

ωs · dωi 

dt ≈ P mech −P elec    (101)