Comparison of calculation methods for HVDC fault currents

Abstract

El crecimiento de las fuentes de energía renovables y la creciente demanda de electricidad presentan un desafío para el sistema de suministro de energía eléctrica. Estas nuevas fuentes de energía a menudo están lejos de los puntos de consumo. En estas situaciones, el transporte de larga distancia de la energía, basado en la tecnología HVAC, deja de ser técnica o económicamente razonable. En estas situaciones, la tecnología HVDC se presenta como una buena alternativa, ofreciendo también una buena controlabilidad. El diseño de estas redes debe tener en cuenta varios aspectos, siendo las corrientes de cortocircuito esperadas un factor crucial. Por el momento, a diferencia de los sistemas HVAC, los sistemas HVDC no tienen un método estándar para el cálculo de dichas corrientes, aunque existen varios estudios y métodos propuestos. Ser capaz de determinar qué método funciona mejor en cada situación sería muy beneficioso en términos de aprovechar siempre las mejores características de los métodos.. El objetivo principal de la tesis es el estudio profundo de los métodos actuales de cálculo de cortocircuitos para sistemas HVDC y la comparación de los resultados obtenidos por ellos. Por el momento, los métodos existentes solo se han estudiado de forma independiente. La tesis será responsable de comparar dos de los métodos propuestos (doctorado de ETH y la disertación de la TU Darmstadt). Para ello, se seguirán los siguientes pasos: • Estudio de literatura sobre métodos de cálculo existentes • Implementación de métodos de cálculo relevantes • Selección de escenarios de cortocircuito y creación de redes de prueba • Comparación de los métodos de cálculo entre sí y con los resultados de la simulación Las ecuaciones propuestas se implementarán en Matlab y se adoptará una red común para ambos métodos. El objetivo es comparar los resultados obtenidos en una amplia gama de configuraciones. Se estudiarán los sistemas punto a punto y las redes multiterminal (MT). Los valores esperados de corriente de cortocircuito se obtendrán de simulaciones obtenidas con PSCAD. Una vez realizada esta comparación, se obtendrán conclusiones con respecto a la elección del método y la precisión del resultado esperado. Este puede ser un paso muy importante para finalmente desarrollar un estándar que pueda ser utilizado para todas las redes HVDC. Como ambos métodos provienen de diferentes autores y diferentes universidades (lo que implica diferentes metodologías de trabajo), el primer paso es implementar una red única, en la que las ecuaciones de ambos métodos sean válidas. Ser capaz de adaptar ambos métodos a una configuración común es la única forma de compararlos. Una vez que ambos métodos se adaptan a un diseño común, este diseño debe implementarse en PSCAD. Las simulaciones de PSCAD podrán dar los resultados esperados y actuar como una referencia con la que comparar. Una vez que se ha llevado a cabo la implementación, los parámetros del sistema (longitud de línea, valor del condensador de CC, etc.) que ya se han demostrado que son relevantes en el resultado de la simulación variarán y se discutirá la consistencia de ambos métodos. Este análisis servirá para ver qué situación es más favorable para cada uno de los métodos. Posteriormente, los errores se compararán en todas las situaciones para las cuales haya datos disponibles y se tomará una decisión sobre la precisión de los métodos. Con los resultados obtenidos, se puede decir que las mejores estimaciones en las configuraciones punto a punto se obtienen con el método de Darmstadt, mientras que cuando las configuraciones son MT, el mejor método es el del doctorado.

The growth of renewable energy sources and the increasing electricity demand introduce a challenge for the electrical power supply system. These new energy sources are often far from the consumption points. In these situations, long distance transport of the energy, based on HVAC technology becomes no longer technically nor economically reasonable. As a good alternative, HVDC technology presents itself suitable, offering also good controllability. The design of these grids has to take into account several aspects, being the knowledge of the expected short-circuit currents a crucial one. At the moment, unlike HVAC systems, HVDC systems do not have a standard for the calculation of short-circuit currents. Being able to determine which method performs better in each situation would be very beneficial in terms of always taking advantage of the best characteristics of them. However, there is currently no standard for the calculation of these currents in HVDC networks. The main objective of the thesis is the in-depth study of the current short circuit calculation methods for HVDC systems and the comparison of the results obtained by them. For the time being, existing methods have only been studied independently. The thesis is responsible for the proposed methods (ETH PhD and the dissertation of the TU Darmstadt). For this, the following steps will be followed: • Literature study on existing calculation methods • Implementation of calculation methods • Selection of short circuit scenarios and creation of test networks • Comparison of calculation methods with each other and with the results of the simulation The proposed equations will be implemented in Matlab and a common network will be adopted for both methods. The objective is to compare the results obtained in a wide range of configurations. Point-to-point systems and multiterminal networks (MT) will be studied. The expected short circuit values will be obtained from simulations obtained with PSCAD. Once this comparison is made, conclusions will be obtained with respect to the choice of method and the precision of the expected result. This can be a very important step to finally develop a standard that can be used for all HVDC networks. As both methods come from different authors and different universities (which implies different work methodologies), the first step is to implement a single network, in which the equations of both methods are valid. Being able to adapt both methods to a common configuration is the only way to compare them. Once both methods are adapted to a common design, this design should be implemented in PSCAD. The PSCAD simulations will be able to give the expected results and act as a reference with which to compare. Once the implementation has been carried out, the system parameters (line length, DC capacitor value, etc.) that have already been shown to be relevant in the simulation result will vary and the consistency of the both methods will be studied. This analysis will serve to see which situation is more favorable for each of the methods. Subsequently, errors will be compared in all situations for which data are available and a decision on the accuracy of the methods will be made. With the results obtained, it can be said that the best estimations in the point-to-point configurations are obtained with the Darmstadt method, whereas when the configurations are MT, the best method is the PhD one.