PROPOSED MODEL FOR ARC-FLASH INCIDENT ENERGY IN PHOTOVOLTAIC DC SYSTEMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis-Mohammed_Salim_201539610.pdf Restricted to Repository staff only until 27 December 2024. Download (4MB)

Arabic Abstract

ضوء التوسع العالمي الأخیر لمجموعات الخلایا الشمسیة الكھروضوئیة وتركیبات للتیار المستمر المصاحبة لھا، فقد ازدادت المخاوف المتعلقة بالقوس الكھربائي للتیار المستمر. وبالتالي یصبح من الضروري تطویر معیار واقعي ودقیق لتقییم مستویات القوس الكھربائي في معدات التیار المستمر التي تجمع بین العدید من الدوائر الكھروضوئیة . في الوقت الحاضر تعمل العدید من لجان معاییر السلامة العالمیة على تطویر نموذج لحساب القوس الكھربائي في العدید من أنظمة التیار المستمر المختلفة. كما یدعون المھنیین والباحثین في ھذا المجال على المشاركة في تطویر وتحسین النماذج المتوفرة لمراجعتھا والتحقق منھا لضمان أنھا قابلة للتطبیق وتحقق الدقة المطلوبة. بالرغم من أن نماذج حساب القوس الكھربائي للتیار المتردد أكثر شھرة ومفھومة بشكل أوسع، فإن القوس الكھربائي للتیار المستمر لا سیما تلك الناتجة عن مجموعات الخلایا الشمسیة، لا تزال غیر مفھومة بشكل جید ولم تحظ بالقدر الكافي من البحث. وعلى عكس البحوث المتعلقة بالقوس الكھربائي في أنظمة التیار المتردد، تعتبر البحوث المرتبطة بالقوس الكھربائي للتیار المستمر لأنظمة الخلایا الشمسیة شحیحة ونادرة. كما تشیر الكثیر من البحوث والدراسات التجریبیة الحدیثة إلى أن النماذج المتاحة لتقییم طاقة القوس للتیار المستمر لا تتمتع بالدقة اللازمة عند تطبیقھا على محطات الطاقة الشمسیة وأنھا تتطلب مزیدا من التحسین. ھذه الرسالة محاولة للمساھمة في تطویر نموذج لتقییم وحساب طاقة القوس الكھربائي للتیار المستمر. استخدمت الھیدرودینامیكیة المغناطیسیةّ في ھذه الرسالة لمحاكاة القوس الكھربائي في مجموعات الخلایا الشمسیة. . Ansys تم تنفیذ محاكاة الھیدرودینامیكیة المغناطیسیةّ من خلال برنامج لحل معادلات الكھرومغناطیسیة. Ansys Maxwell لدینامیكا الموائع بالتزامن مع Ansys Fluent استخدم تم تقدیم وبناء النموذج المحاكي لمجموعة الخلایا الشمسیة لحالتین من الاختبار المنشورة مؤخرًا من قبل معھد بحوث الطاقة كما تمت مناقشة الجوانب الفیزیائیة للقوس الكھربائي في أنظمة الخلایا الشمسیة في ھذه الرسالة، مع .(EPRI) الكھربائیة الأخذ في الاعتبار الافتراضات وسیناریوھات المحاكاة اللازمة لفھم النموذج الھیدرودینامیكیة المغناطیسیةّ بشكل كامل. تمت لحساب طاقة القوس بنتائج المحاكاة (EPRI) مقارنة النموذج التجریبي الذي اقترحھ معھد بحوث الطاقة الكھربائیة الھیدرودینامیكیة المغناطیسیةّ ومقارنتھا ببعض النماذج المتاحة الأخرى. لخصت ھذه الرسالة منھجیة لمحاكاة وتقیم القوس الكھربائي لتركیبات للتیار المستمر في مجموعات الخلایا الشمسیة الكھروضوئیة باستخدام الھیدرودینامیكیة المغناطیسیةّ. كما خلصت ھذه الرسالة على ان المنھجیة المقترحة دقیقة بشكل معقول أو جمعیة الحمایة من الحرائق الوطنیة (IEEE) وبأن استخدامھا یمكن أن یسھم في مبادرة معھد المھندسین الكھربائیین التي تھدف إلى إنشاء نموذج قیاسي لتقیم طاقة القوس الكھربائي لتركیبات للتیار المستمر في مجموعات الخلایا (NFPA) الشمسیة الكھروضوئیة.

English Abstract

In the light of recent global expansion of solar photovoltaic (PV) arrays, and its corresponding Direct Current (DC) installations, the risk of DC arc flash on photovoltaic plants has raised a safety preoccupation. It is necessary to develop a realistic and precise criterion to evaluate the arc flash levels in DC equipment which combines several solar photovoltaic circuits with considerable fault current available. Electrical safety standards committees are currently tackling arc flash in many different DC systems. They encourage industry professionals to participate in the development and refinement of various models that need to be vetted and verified to ensure that they are applicable and accurate. Alternate Current (AC) arc flash risk analyses are getting more and more well known. However, the risks of DC arc flash particularly those resulting from photovoltaic arrays, are less well understood. In contrast to arc flash of AC systems, few research and industry standards have quantified the risk associated with DC arc flash on photovoltaic systems. Much of the recent literature and empirical studies indicated that the models available in the industry for the incident energy evaluation of DC arc flash lack accuracy when applied for photovoltaic plants and improvement is required. This work is an attempt to contribute toward the aforementioned model development. A magnetohydrodynamic (MHD) is applied in this thesis to perform arc flash simulation for photovoltaic arrays. The MHD simulation is performed through Ansys® software, ANSYS Fluent®, for fluid mechanic equations in conjunction with Ansys® Maxwell® for electromagnetic equations. The simulated model, configuration and photovoltaic array built to emulate the testing setup of two cases out of the recently published test results by Electric Power Research Institute (EPRI). The physical aspects of electric arcs in photovoltaic systems are presented in this thesis. Then, the DC electric model of the magnetohydrodynamic (MHD) method is described in this thesis. The author lays forth the assumptions, computational and the necessary simulation scenarios to fully comprehend the MHD model. The empirical model which has been proposed by EPRI for incident energy calculation on photovoltaic arrays is compared to the resultant MHD simulation results and compared to some other available industry models. MHD simulation results are concluded to reasonably accurate for the simulated cases. For arc flash calculations, IEEE and NFPA want to launch arc testing and create a standard photovoltaic model. The MHD simulation technique proposed in this study has been found to be relevant for future standardized model development and may contribute to an IEEE or NFPA initiative aiming to build a theoretical and/or empirical combination photovoltaic arc model.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	AlMuhaini, Mohammad Mustafa
Committee Members:	Abido, M. A. and Kassas, Mahmoud
Depositing User:	MOHAMMED A SALIM (g201539610)
Date Deposited:	28 Dec 2023 06:17
Last Modified:	28 Dec 2023 06:17
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142692