TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 80 0 1  ~ 800 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.67 30          8001     Re cei v ed  Jun e  28, 2014; Revi sed Septe m ber  21, 201 4; Acce pted  Octob e r 27, 2 014   Improvement of Transient Stability Performance of  Captive Power Plant during Islanding Condition      Utp a l Gos w a m i 1 *, Tapas Kumar Seng upta 2 , Arabinda Das 3   1 Devel opme n t Cons ultants Pri v ate Li mite d, Kolkata – 7 00 0 91, India   2 Supreme Kn o w l e d ge F o u n d a tion Grou p of  Institutions, Ma nkun du, Ho ogh l y , Ind i a   3 Electrical En gi neer ing D e p a rtment, Jadavp u r  Universit y , Ko lkata – 70 0 03 2, India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : utpal.gos w a mi@in.dc lgro u p .com       A b st r a ct   T h is pap er de als w i th an i d e a  to improv e the trans i ent stabil i ty of captiv e ge nerator s e ts duri n g   islandi ng c o ndi t ion. But  doi ng so, the transi ent stab ility  of the generator  sets and the  pow er system   is   severe ly distur bed i n  case  of a faul t in the  utility sid e . In case of f ault, the ow n ge ner ation is  isol ate d ,   synchro ni z a ti o n  is l o st and fi n a lly th e sets g o  in isl a n d in g  mode  of op eratio n. As such  sets  are of s m a ll si ze   (5-50 MW s), to tal loa d  throw - off in utility sid e  causes  dist urbanc e in the transi ent form. If disturba nces ar e   not recov e re d  immedi ately  i n  terms  of tur b in e spe ed, v o ltag e vari atio n etc., the po w e r supply w i l l  b e   unstab l e  an d p r ocess suffers.  A re me dia l   measur e, for the  case c onc ern ed, ca n b e  tak en w i th th e a i d  of  a   SVC durin g the trippi ng of  the ut ility loa d , at the gen erator bus  b e fore the frequ ency an d volt ag e   stabili z a tio n . T he an alysis w a s done us in g ET AP softw a re.     Ke y w ords : isl and ing, trans ie nt  stability, SVC, utility loa d           Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Powe r refo rms have b e c ome  a glo balised is su e  in modern  indu strial a s  well as   corpo r ate po wer  se ctors. This al so can  be term ed a s  de-re gula r ization [2] in power  system.  The   era of dereg ulated ele c tri c  indu stry, compani es  a r e permitted t o  prod uce a nd sell ele c trical  power to po wer gri d  and th e indu stry ty pe need n o t ne ce ssarily be a  generation company.   Deregul ated  electri c al i n d u stry em pha size s the  libe r al provi s ion i n  the Act wit h  re spe c t  to setting up of captive po wer pl ant wit h  a view  to not only secu ri ng relia ble, q uality and co st  effective po wer b u t also t o  facilitate  o pportu nities  for  spe edy an d efficient  growth of In du stry.  Curre n t indu stry pra c ti ce  is to disco nne ct all distributed g e n e rato rs imm ediately after an  islan d ing o ccurren ce typically after 200  ms and  300  ms after the  loss  of main  supply [7] if the  system ha s  not regai ned  its st ability.  Variou s sche mes have b e en utilized fo r stabili zation  of  captive  po we r pla n t un de r grid  di sturba nce  condi tio n  in terms of i s lan d ing  and  load  shadin g .  Such sch e m e  involves the utilization rate  of chang e of frequen cy along with unde r frequ e n cy   relay [1]. Rea l  time digital control ba se d  on  Fuzzy lo gic on  a filtered programm able gate  arra y  chip [1 0] is  suitable fo r m anag ement  o f  captiv e p o wer pl ant in  a u tomatic  de ci sion  ma king  for   load shed din g  duri ng g r id  disturban ce f o r sta b ilizi ng  the system.  Predete r min a t ion of islan d i n g   can  be  do ne  with a n  ai d of  vecto r   surge  rel a y, whi c h   is a ppli c abl e  for i s olating  t he  system,  well  before  occu rrence of the  severe di stu r b ance to retai n  stability [7, 8]. When  a g r id failu re o ccurs  in captive g e nerato r   syste m s,  they are usu a lly  isolat ed  from  the   grid  a cco mpa n ying a  sudd en  load th ro w of f, resulting in  add ed th ermal st re sses on tu rbin e b l ade s a nd  bo ilers conn ect e d   there w ith. Th e con s e que n c e of  thermal  stre ss i s  re d u ction of  life  spa n  of equi pments  used  fo r   system  ope ra tion [9]. SVC is suitable fo r improv in g th e syste m  pe rforman c e  wh en a g ene rat o r  bus i s  co nne cted to grid.   As grid  distu r ban ce is  a m a jor i s sue no wad a ys, therefore imp r ov ement of the  transi ent  stability performance,  duri ng and a fter islanding, i n  much faster  way, is a  real challenge  for   power in du stry. Improveme n t of t he tran sient  stability of a sy stem   after isl andin g  wa s d one,  by  controlling th e govern o r  spe ed alon g  with cont rolling the AVR of alterna t or [9]. Still  the   requi rem ent  of red u ci ng t he time  sp an  of oscillation   of sp eed, of  alternato r s, is a maj o r  co ncern   of rec e nt times .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8001 – 80 07   8002 This paper presents a  unique  approach  for improving the tr ansient  stability of a captive  power pl ant  after isla ndin g  by co nne cting a SVC in  gene rato r cu m load b u s  which  red u ces  the  time duratio n of oscill ation  of generator  spe ed mu ch faster, thu s  im proving the  stability of power  sy st em.        2. Profile of the Po w e r Sy stem   2.1. Descrip tion   The po wer  system con s id ered in thi s  pape r is a p r ocess ind u stry having the co- gene ration fa cility. Tail ga se s produ ce d  as a p a rt of  the pro c e s s i s  u s ed to g e nerate  po wer for   captive po we r plant. The plant has two indepe nde nt  process li nes. Elect r ic  power supply  for  line1 suppli e s po we r with  the help of  11 kV/41 5   V distrib u tion transfo r me r to  following 4 1 5   V  power a nd m o tor  control centre  denote d  as  4G1 1 Bu A, 4G11BuB,  4G13B UA, 4 G13BUB, 4 G 12  and 4 G 13B UErm. 11  kV/4 15 V tran sfo r mer i s  suppli e d  by  11   kV swit chg ear d enoted as 11 G1.  11  kV switch gear is takin g  su pply from   17 M W  g ene rator 1.  Line  2  su pplie s p o wer  with the  he lp   of 11 kV/415  V distributio n transfo rme r  for su ppl ying  power to follo wing p o we r a n d motor  cont rol  centre de note d  as 4 G 21Bu A , 4G21BuB, 4G22B UA, 4G22BUB, 4 G 22Bu an d  4 G 23BUE rm.  Line  2 is taki ng  su pply from  11  kV switchge a r  de noted   a s  11G2. 11 kV swit chg ear  is con n e c ted wi th   17 MW  gene rator  G2. On e 415 V DG  set (DG1 ) an d one  HT die s el ge ne rator is install ed  as  stand by for e m erg e n c y co ndition d u rin g  total blac k  o u t of the process pla n t [3]. Start-up  po wer  of any of the gene rato rs i s  gene rally av ailable from  the ele c tri c  gri d . Alternativel y, 11 kV die s el  gene rato r (DG2) is availa ble to  provid e  sta r t-up   po wer  also.  Seco nd tu rbine  ge nerato r   (G 2)  also   can   m anag e  the  start-up  power f r om t he first turb in e ge nerator (G1), if  alre ad y starte d o r  v i ce- versa. Ba si c power  syste m  arrang em ent [3] of  all gene rato rs  along  with in terco nne ction  is  sho w n in  key  single lin e di agra m  sh owi ng all circuit  brea ke rs pre p are d  for the  study. As per the   system  philo sop h y for fe eding th e proce s s line s   G1 an d G2  are g ene rally  run in  pa ral l el  contin uou sly. Ho wever, i n   ca se o ne g e n e rato r is  out of  se rvice an other gene r at or  i s   capa ble of  taking the  ent ire pla n t load  for longe r pe riod of time.  The 11  kV, 1 7  MW g ene ra ting unit will  be   connected to 11 kV  swit chboar d. Auxiliaries of this unit  will be fed from   a new 2.5  MVA  distrib u tion transfo rme r  co nne cted to the said  11  kV swit chb o ard. 20 MVA gene rator tra n sfo r mer  will be connected to 132  kV swit chyard.   The 132  kV swit chyard wi ll  be connected  by a  si ngl e   circuit ove r he ad tran smi s si on line fo r ev acu a ting p o wer to g r id. Upon a n  eme r gen c y situati on  such as failure of ge nerators the DG2  will also be used to  suppl y  the emergency load i n  the  plant in  order to keep  the  plant  in  ope ra tion. The  abo ve po wer sy stem arran g e m ent is sho w n in   the key si ng le line dia g ram meant f o r stu d y.  13 2 kV bu se s  and the pl an t 11 kV bu ses,  gene rato rs, L T   tran sfo r me rs  a nd LT bu ses with  l u mp  load s  a n d  tie  inter con n e c tion requi re d  f o r   the study is  sho w n in the  said dia g ra m. Purpo s e  of this key si ngle line di a g ram i s  to id entify  variou s equi p m ent and bu ses with  respe c tive IDs u s e d  in the study .      Figure 1. Net w ork Di ag ra m for System Study  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im provem ent of Transient  Stability Perform anc e of Captive Power Pl ant… (Utpal Goswam i)  8003 2.2. Detailed  Single Line Diagram for Simulation   Block  Dia g ra m of the po wer sy stem is  modelle d in  ETAP 11 and  here b y attached  with  this  scope  of  wo rk a s   Net w ork Dia g ra m for  syst em  study  (Fig ure 1 ) . Thi s  h a s  b een  stu d i ed to   simulate the  different ca se s to meet our  obje c tives.     2.3. Net w o r k  Parameter  Consid ered for Sy stem Stud y   Powe r syste m  study throu gh ETAP software re q u ires con s ide r abl e  numbers of accurate  system data  and equi pme n t data and their rel a ted in fo rmation. Su ch data were  listed, discu s sed  with plant en ginee rs a nd collecte d  as fa r as po ss ible  from the available do cum e nt [5]. There are  numbe r of re quire d data  whi c h  were  not available  but we re a s sume d from  referen c e s  [3 -6].  Followi ng ba sic p o ints we re co nsi dere d  for reviewi ng and finali z ing the input data req u ire d  for   the study:   1)  Lump  l oad s as sh own   in variou s  b u se s  a r e  avera g e  load  con s isting of moto r  load;  static lo ad  etc. fed fro m  resp ective  P M CCs co nne cted  to co rre s po ndin g   swi t ch  boards  2)  Fault level of existing 41 5 V switch boa rds is  con s id ered as 5 0  kA.   3)  Except ge ne rator t r an sformer, no   tole ran c e of  im peda nces of  gene rato rs and  existing tran sformers a r e consi dered.   4)  Toleran c e of impeda nces f o r 20 MVA G T  is co nsid ered as p e r IEC standa rd s.  5)  Overhe ad  13 2 kV  line i s   consi dered f r o m   Station  swi t chyard  en d t o  the P o we r  grid   end.     2.4. Data  Considered  for  Models used in ETAP Soft w a re    Model used   Specifica tio n s     S y nchrono us ge nerator                                             Impe danc e m o d e l  X d ’’ = 12, X’’/R a  = 48, R a % = 0.25   R a = 0.01423 5  Ω   X 2  = 12, X 2 /R 2  = 48,  R 2 % = 0.25   R 2  = 0.0142 35  Ω   X 0  = 12, X 0 /R 2  = 48,  R 0 % = 0.25   R 0 =0.01423 5  Ω   Subtra nsien t  m odel   X d % = 110,  X q %  = 108, T d0 ’   = 56 ,   S br eak   = 0.8  X d4 % = 11 6.93,   X q4 % =11 4 .79,   T d0 ’’  = 0. 002  S 10 0 =1.07  X d ’ % = 2 3 , X q ’ %  = 15, T q0 ’  = 3.7, S 120  =  1 . 18  X L %=11, X q ’ %=1 2 , T q0 ’’ = 0.0 2   Damping = 5, H  = 1.7  Ma c h i n e  mo de l   Gene rator t y pe =  Turbo   Rotor t y pe =   R o u nd rotor   IEC Exciter t y pe  = 130% T u rbine   Exciter m odel   Ex citer t y p e  : UDM - IEEE1,   Exciter model t y p e  : ST1                             Grid model   Nominal voltage = 132 kV    Fault level of 132 kV sw itch y a rd   Bus = 7201 MVA  X/R rati o (3 p h ) = 60,  X/R rati o (1p h ) =  60       Gene rator t r ansf o rmer   Capacit y  = 20 M VA    Primar y  voltage  = 11 kV  Secondar y  volta ge = 138 kV  Vector group =  Ynd 11   Neutral gr oundin g  = Solid  Impedance ( + S eq)= 10%   Impedance (  - Se q) = 10%, X/  R=1 8 .6        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8001 – 80 07   8004 2.5. Conside r ations in Ex port Conditi ons for the  Analy s is   Ca se  - 1: F o r a fa ult in  132  kV g r id  side, th e uti lity brea ker t r ippe d after  180   ms   (incl udin g   rel a y and   circuit  brea ker op erating time  p l us  20  ms time   d e l a y ) ,  the r eafte r  tr an s f or me r   upstream b r e a ke r ope ned  with 30 ms ti me delay.  Ca se - 2: Fo r a fault in 132 kV grid  sid e , the utility  brea ke r tripp ed immedi ate l y within   the critical  cl e a ring  time of  160 m s   (in c lu ding  re lay  an d ci rcuit b r ea ker op erating  time), thereaf ter  transfo rme r  u p stre am brea ker o pen ed with 30 ms time delay.  Ca se - 3: Fo r a fault in 132 kV grid  sid e , the utility  brea ke r tripp ed immedi ate l y within   the critical  cl e a ring  time of  160   ms   (in c lu ding  relay  an d ci rcuit b r ea ker op erating  time), thereaf ter  immediately  SVC is  conn ected  with  1 1  kV  ge nera t or b u s 11 G 1  an d 1 1 G2. T hen  ge nera t or  transfo rme r  u p stre am brea ker i s  ope ned  with 30 ms ti me delay.     2.6. Ev ent of Opera t ions  Consid ered for the Analy s is    E v e n t                               Tim e                             De v i c e  T y pe     De v i ce  ID  A c ti on    Case 1   T1   T2   T3   T4   2.0s   2.18s  2.48s  2.78s   3Ph                 F a ult on 132 kV bu s                        CB4                 Open             CB9                 Open             CB1                 Open  Case 2   T1   T2   T3   T4   2.0s   2.16s   2.46s   2.76s   3Ph                 F a ult on 132 k V bu s                       CB4                 Open             CB9                 Open              CB1                 Open   Case 3   T1   T2   T3   T4   T5   2.0s   2.16s   2.46s   2.76s   3.06s   3Ph                 F a ult on 132 kV bu s                        CB4                 Open             SVC                C onnected    CB9                 Open             CB1                 Open       2.7. Graphs for Transien t  Analy s is     Cas e  1         Figure 2. Gen e rato r sp eed  (RPM ) vs. Time (sec. )           Figure 3.  Generato r  a c tive powe r  (M W)  vs. Time (sec.)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im provem ent of Transient  Stability Perform anc e of Captive Power Pl ant… (Utpal Goswam i)  8005 C a se  2        Figure 4. Gen e rato r sp eed  (RPM ) vs. Time (sec. )           Figure 5.  Generato r  a c tive powe r  (M W)  vs. Time (sec.)           Figure 6.  Generato r  re acti ve powe r  (M VAR) vs. Tim e  (se c .)      C a se  3        Figure 7.  Generato r  spee d (RPM ) vs. Time (se c .)      Figure 8. Gen e rato r active  power (M W) vs. Time (sec.)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8001 – 80 07   8006         Figure 9. Gen e rato r rea c tive power (MV A R) vs. Time  (se c .)      2.8. Analy s is  of the Gr ap hs     Ev en t  I D   &   Referen ce Grap h  Num b er   Fault    clearing   time   Highe st s p eed   attai n ed (rpm )   Final s t abilize d   speed of genera tor   Time re quire d t o  reach  stabilization   Case 1  Grap h 1, 2   180ms 1690  rpm   O scillates betw e en  1560-153 0 rpm   --- --- -- --- -- --   Case 2  Grap h 3, 4, 5   160ms  1620 rpm   1530 rom   6 seconds  Case 3  Grap h 6, 7, 8   160ms  1620 rpm   1530 rpm   2 seconds        Ev en t   ID   A c t i v e  po w e r  profile  (G1 a nd  G2 )   Reacti v e  po w e r  profile   ( G 1 an d  G2)   Remarks   Case  1    Continuousl y   oscillates   --- --- -- --- -- ---   %v ari a ti on of s p e ed 12%   active pow er  prof ile and speed  continuously  oscillates; sy stem un stable  Case  2    Before islanding  16MW, After islanding  8MW   Before islanding 9 MVAR, After 3. 7  MVAR   Speed variation  8% and b e come s  stable after 6 seconds from islanding.  Reactive power  during fault condition  increases and becomes stable at lower  required value ( 3 .7MVAR)   Case  3    Before islanding  16MW, After islanding  8MW   Before islanding 9 MVAR, After 3. 7  MVAR. After con necting w i th SVC  it  oscillate and stable at 9 MVAR    Speed variation  8% and b e come s  stable after 2 seconds from islanding.  Reactive power  during fault condition  increases and becomes stable at lower  required value       3. Conclusio n   As p e r an alysis it  wa s o b s erve d th at, if t he  system   su staine d the  fault for 1 8 0  ms an d  over, the  syst em be com e   unsta ble in te rms  of  its  sp eed a nd a c tive po wer deliv ery. If a syst em  lose s full load  and remai n  in servi c e carrying auxiliary  or just spinni ng with no lo ad, it will subject  to sudd en, fairly large  cha n ge in tempe r ature at high  pre s sure whi c h re sult s in therm a l stre sses  both in boiler  and turbi ne. If the magnitude of the t hermal stre ss is very high the n  it exceeds t he  material yiel d  stre ngth  whi c h eve n tually  damag es th e  life of boiler a nd turbine. In  ca se of  captive   power plant,  the unit  MW value,  duri n g consider ati on, needs lo ad throw-off  capability to  be  analyzed for tran sient  stability. If the  export i s  a bove the ‘lo ad-th ro w-of -capability’ of  the   gene rato r, it is difficult to re store  the sy st em f r om  com p let e  sh utdo wn.  As such, i t  is   recomme nde d that the  ge n e rato r  cap a cit y  has to b e   chosen to  com p ly with th e transi ent  stabili ty  of the generator sets during load throw-off. By  adding SVC in the system, the magnitude of the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im provem ent of Transient  Stability Perform anc e of Captive Power Pl ant… (Utpal Goswam i)  8007 spe ed of gen erato r  duri n g  load throw  off situati on, remai n  unalt e red, but the  time duratio n o f   oscillation reduced significantly  (4  se c. ). The reduction in time of  oscill ation result s in reduction   of time du rati on of the r mal  stre ss. Thi s  i n crea se s the   life of the maj o r exp e n s ive  equipm ent li ke   boiler a nd turbine.       Referen ces   [1]  Rajam a n i  K,  Hamb arde  UK.  Island in g a n d  Loa dsh e d d in g  Scheme  for  Captiv e Po w e r  Plant P o w e r   Deliv er y .   IEE E  Transactio n s , ISSN-0885- 897 7, INSPE Accession  No.-62 983 05,  Digita l  ob jec t   ide n tifier-1 0.11 09/61.7 7 2 3 1 8 . 14(3): 80 5-8 0 9 .   [2 ]  Mu kh op a dhy ay S, Si ng h  B.  Distrib uted  Generati on  -  Basic  P o licy, Perspectiv e   Pl ann ing, an d   Achiev e m ent.   India Po w e r &  Ener gy  Soc i et y  General Me eting, PES  '09. I EEE, ISSN-1944-9925,   ISBN-978- 1-42 44-4 241- 6, INSPEC Acc e ssio n   No.- 109 03 297.  Digita l  o b j e c t  identifi e r- 10.11 09/PES.2 009.5 2 7 574 1. 200 9.  [3]  IEEE Stand ard s  Associ ation.   141- 199 3.  IEE E  Rec o mmen d ed Pr actice  for  Electric  Pow e r Distrib utio n  for Industrial Pl ants (ANSI).  IE EE Press; 199 4. D OI:10.1109 /IEEES T D .1994.121 64 2   [4]  IEEE Standard s  Associatio n. 242- 200 1.  IEEE Recomm ended Practice for  Protection and  Coor dination  of Industria l  and  Co mmerc i al P o w e r Syste m s  (ANSI).  IEEE Press; 2001.   DOI:   10.11 09/IEEE ST D.2001.933 69   [5]  NEMA Stan dar ds Pub lic ation   ICs 1-19 88, G ener al  Sta n d a rds for Ind u stria l  Co ntrol  and   S y stems; ICs   2-19 88, Industr ial Co ntrol D e vi ces,  Control l er s and Assemb li es; ICs 3-1988.   [6]  NEMA Standar ds Publ icatio n.  ICs 1-1988.  Gener al Stan dar ds for Industria l Contro l an d Systems; IC s   2-19 88, Industr ial Co ntrol D e vi ces,  Control l er s and Asse mb li es; ICs 3-1988 .  [7]  Krishn amurti P .  Captive Po w e r Plant Qualit y.   Journa l of T C E Limited . 20 0 6 ; 4(1):10-1 4 .  [8]  F r eitas W ,  Huang Z ,  Xu W .  A practica l Metho d  of  assessi ng  for the effectiveness of Vecto r  Surge rel a y  F o r Distribute d  Generat io n Ap plicati on.  IEEE . 2005: 0 885- 89 77.   [9]  Giang L N , T h u y   NT D, Ngoat  T T . Assessment  stud y  of   ST AT COM' s  effectiveness i n   improv in g   transie nt stabili t y  for po w e r s y stem.  TEL K O M NIKA . 2013; 11(1 0 ): 609 5 ~  610 4.  [10] Bind on  RE.  E m er ge ncy o per ation  of l a rge  s t eam turb ine  g ener ator.  Sout h Easter n El ec tric Exc h a nge.   Atlanta, Georg i a.  1966; 2( 1):1 0-14.   [11]  Sing h S, Saini  JS.  F u zz y F P GA based cap t ive pow er ma nag e m ent . Po w e r India C onf erenc e. Ne w   Delh i, Del h i. 20 06: 7.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.