On Stability Enhancement of AC/DC Power Systems through Multi-terminal HVDC Controllers

Abstract

Due to the increasing share of renewable energy sources in modern power systems and electricity market deregulation, heavy inter-regional and cross-border power flows are becoming a commonplace in system operation. Moreover, largescale integration of renewable energy sources is expected to pace up, therefore new solutions have to be developed to integrate these intermittent sources, which are also characterized by being distributed over large geographical areas, such as offshore wind farms. Multi-Terminal High Voltage Direct Current (MTDC) networks are expected to form a solution for the integration of renewable energy sources to the existing interconnected AC grid. The type of converters used in the MTDC networks is however a subject of debate, as both Line Commutated Converters (LCCs) and Voltage Source Converters (VSCs) can be used. Moreover, the coordinated control of the MTDC networks with the AC system poses a challenge to the system operators, as it requires the consideration of both AC and DC system dynamics. In response to these challenges, this thesis aims to discuss the following aspects of the MTDC networks: control of a hybrid MTDC with both LCCs and VSCs, as well as the utilization of an embedded VSC-MTDC for stability enhancement. The thesis also investigates the supply of passive AC systems using a hybrid MTDC networks. In the investigation of an AC/DC power system with a hybrid MTDC network, first, the combined AC/DC system is modeled. Next, a Small Signal Stability Analysis (SSSA) of the system is conducted, based on which the Power Oscillation Damping (POD) controllers were designed to enhance stability in the connected AC systems. In the utilization of an embedded VSC-MTDC network for stability enhancement in the AC/DC system, the operating point adjustment strategy is investigated, which is implemented through the adjustment of setpoints for the active and reactive power controllers in the network converters. Finally, the design and placement of a Multi-Input Single Output (MISO) controller is investigated, where the control strategy is based on Modal Linear Quadratic Gaussian (MLQG) control using Wide Area Measurement Systems (WAMS) signals.

På grund av den ökande andelen förnybara energikällor i moderna energisystem och avreglering av elmarknaden blir stora interregionala och gränsöverskridande strömflöden ett vanligt systemarbete. Dessutom förväntas storskalig integrering av förnybara energikällor öka, varför nya lösningar måste utvecklas för att integrera dessa intermittenta källor, vilka också kännetecknas av att de distribueras över stora geografiska områden, till exempel vindkraftparker. Multi-Terminal High Voltage Direct Current (MTDC) -nätverk förväntas bilda en lösning för integration av förnybara energikällor till det nuvarande sammankopplade nätnätet. Den typ av omvandlare som används i MTDC-näten är emellertid föremål för debatt, eftersom både Line Commutated Converters (LCCs) och Voltage Source Converters (VSCs) kan användas. Dessutom innebär den samordnade kontrollen av MTDC-näten med växelsystemet en utmaning för systemoperatörerna, eftersom det krävs att både ACoch DC-systemdynamik beaktas. Som svar på dessa utmaningar syftar denna avhandling att diskutera följande aspekter av MTDC-nätverken: kontroll av en hybrid MTDC med både LCC och VSC, samt utnyttjandet av en inbyggd VSC-MTDC för stabilitetsförbättring. Avhandlingen undersöker också utbudet av passiva växelsystem med hjälp av ett hybrid MTDC-nätverk. Vid utredningen av ett AC / DC-strömsystem med ett hybrid MTDC-nätverk, först, är det kombinerade AC / DC-systemet modellerat. Därefter genomförs ett system med liten signalstabilitet (SSSA), baserat på vilken POD-styrenheterna (Power Oscillation Damping) utformades för att förbättra stabiliteten i de anslutna växelsystemen. Vid användning av ett inbyggt VSC-MTDC-nätverk för stabilitetsförbättring i AC / DC-systemet undersöks driftspunktsstrategin, vilken genomförs genom justering av börvärden för de aktiva och reaktiva effektregulatorerna i nätverksomvandlarna. Slutligen undersöks designen och placeringen av en MISO-regulator (Multi- Input Single Output), där kontrollstrategin är baserad på modellinjär kvadratisk gaussisk (MLQG) -kontroll med WAMS-signaler (Wide Area Measurement Systems).

Vanwege het toenemende aandel van hernieuwbare energiebronnen in moderne energiesystemen en deregulering van de elektriciteitsmarkt, worden zware interregionale en grensoverschrijdende stroomstromen een geemenplaats in de werking van het systeem. Bovendien zal naar verwachting de grootschalige integratie van hernieuwbare energiebronnen op gang komen, daarom moeten er nieuwe oplossingen worden ontwikkeld om deze intermitterende bronnen te integreren, die ook worden gekenmerkt door de spreiding over grote geografische gebieden, zoals offshore windparken. Naar verwachting zullen Multi-Terminal High Voltage Direct Current (MTDC)-netwerken een oplossing vormen voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen in het gebruikt in de MTDC-netwerken is echter een onderwerp van discussie, omdat zowel Line Commutated Converter (LCCs) en spanningsbronconvertors (VSCs) kunnen worden gebruikt. Bovendien vormt de gecordineerde besturing van de MTDC-netwerken met het AC systeem een uitdaging voor de systeembeheerders, omdat det zowel de AC als DC systeemdynamiek in overweging moet nemen. In antwoord op deze uitdagingen beoogt dit proefschrift de volgende aspecten van de MTDC-netwerken te bespreken: controle van een hybride MTDC met zowel LCCs als VSCs, evenals het gebruik van een ingebedde VSC-MTDC voor stabiliteitsverbetering. Het proefschrift onderzoekt ook de toevoer van passieve AC-systemen met behulp van hybride MTDC-netwerken. Bij het onderzoek van een AC/DC-voedingssysteem met een hybride MTDCnetwerk, wordt eerst het gecombineerde AC / DC-systeem gemodelleerd. Vervolgens wordt een Small Signal Stability Analysis (SSSA) van het systeem uitgevoerd, op basis waarvan de Power Oscillation Damping (POD)-controllers zijn ontworpen om de stabiliteit in de aangesloten AC-systemen te verbeteren. Bij het gebruik van een ingebed VSC-MTDC-netwerk voor stabiliteitsverbetering in het AC/DC-systeem, wordt de werkpuntaanpassingsstrategie onderzocht, die wordt geïmplementeerd door het aanpassen van setpoints voor de actieve en reactieve vermogensregelaars in de netwerkomzetters. Tenslotte wordt het ontwerp en de plaatsing van een Multi-Input Single Output (MISO)-controller onderzocht, waarbij de besturingsstrategie gebaseerd is op Modal Linear Quadratic Gaussian (MLQG)-regeling met behulp van Wide Area Measurement Systems (WAMS)- signalen.