Addressing intra-area oscillations and frequency stability after DC segmentation of a large AC power system

Abstract

En las últimas décadas, diversos acontecimientos han puesto de manifiesto que las oscilaciones electromecánicas constituyen un grave problema para los grandes sistemas eléctricos de corriente alterna (CA) interconectados. La segmentación de los sistemas de alimentación de CA con sistemas de corriente continua de alta tensión (HVDC) (segmentación de CC, para abreviar) es un método que consiste en convertir las grandes redes de CA en un conjunto de agrupaciones de CA asíncronas conectadas por enlaces HVDC. Es una solución prometedora para mitigar las oscilaciones electromecánicas y otros problemas. En concreto, una segmentación de CC colocada adecuadamente puede detener un modo de oscilación electromecánica interárea seleccionado. Sin embargo, sin controladores suplementarios, la segmentación de CC no contribuirá a amortiguar los modos de oscilación intraárea en los restantes grupos de CA y deteriorará la estabilidad de frecuencia del sistema eléctrico. Este artículo pretende cubrir este vacío y propone el uso de la segmentación de CC con sistemas HVDC basados en convertidores de fuente de tensión (VSC-HVDC) con controladores suplementarios en las estaciones convertidoras: (a) controladores suplementarios de potencia activa para el soporte de frecuencia entre los grupos de CA asíncronos y (b) controladores suplementarios de potencia reactiva para el amortiguamiento de la oscilación de potencia (POD-Q), con el fin de amortiguar los modos de oscilación intraárea. Se presentarán los controladores suplementarios propuestos y su diseño, y se demostrará su eficacia en el sistema de prueba Nordic 44 con segmentación de CC mediante simulación no lineal en el dominio del tiempo y análisis de estabilidad de pequeña señal.

In the last decades, various events have shown that electromechanical oscillations are a major concern for large interconnected Alternating Current (AC) power systems. Segmentation of AC power systems with High Voltage Direct Current (HVDC) systems (DC segmentation, for short) is a method that consists in turning large AC grids into a set of asynchronous AC clusters linked by HVDC links. It is a promising solution to mitigate electromechanical oscillations and other issues. In particular, an appropriately placed DC segmentation can stop a selected inter-area electromechanical oscillation mode. However, without supplementary controllers, DC segmentation will not contribute to the damping of the intra-area oscillation modes in the remaining AC clusters and will deteriorate the frequency stability of the power system. This paper aims at filling this gap and proposes the use of DC segmentation with HVDC systems based on Voltage Source Converters (VSC-HVDC) with supplementary controllers in the converter stations: (a) active-power supplementary controllers for frequency support among the asynchronous AC clusters and (b) a reactive-power supplementary controllers for Power Oscillation Damping (POD-Q), in order to damp the intra-area oscillation modes. The proposed supplementary controllers and their design will be presented, and their efficiency will be demonstrated on the Nordic 44 test system with DC segmentation by means of non-linear time-domain simulation and small-signal stability analysis.