Steady-state analysis of multiterminal VSC AC/DC power systems

Abstract

Para abordar los desafíos futuros del suministro energético, los sistemas eléctricos de alta tensión evolucionarán probablemente hacia una mayor integración a gran escala. Un esquema general para dicha integración consistiría en la conexión de varios nudos de los actuales sistemas eléctricos en corriente alterna (alternating current, AC) con nuevas redes superpuestas en corriente continua (direct current, DC), formando así Superredes AC/DC multiterminales, también llamadas Autopistas Eléctricas. Se espera que las Superredes se basen en convertidores de fuente de tensión (VSC), ya que esta tecnología de conversión es más adecuada para aplicaciones multiterminales.

El análisis de flujos de potencia, también conocido como el problema del “flujo de cargas”, es una herramienta clave para la planificación, operación y control de sistemas de energía eléctrica. Con las futuras Superredes en mente, en los últimos años la aplicación de este análisis a sistemas multiterminales AC/DC utilizando tecnología VSC se ha abordado en la literatura y se han propuesto una amplia variedad de métodos. Se han sugerido diferentes modelos para la representación de la interfaz AC/DC. Las ecuaciones no lineales se han resuelto mediante dos estrategias, la unificada y la secuencial. En el enfoque unificado, las ecuaciones de los sistemas AC y DC se tratan simultáneamente como un solo problema. En el enfoque secuencial, los sistemas se resuelven por separado mediante un proceso iterativo. Se ha demostrado que ambas formulaciones pueden converger en la misma solución. Sin embargo, se ha prestado poca atención al impacto que puede tener la limitación de la precisión de las soluciones provisionales dentro del enfoque secuencial en el esfuerzo total de cálculo. Esta tesis propone un nuevo algoritmo secuencial de flujo de potencia para sistemas multiterminales VSC AC/DC y define un factor de convergencia que permite reducir el esfuerzo computacional requerido para lograr una solución. También se presenta una formulación unificada alternativa que aplica las mismas hipótesis que el algoritmo secuencial propuesto.

A pesar de la precisión de estas formulaciones, su naturaleza no lineal supone un reto para su uso en sistemas eléctricos reales. En herramientas avanzadas para el estudio de redes de corriente alterna, se utilizan con frecuencia aproximaciones lineales para acelerar el análisis de estado estacionario en múltiples escenarios. El mismo razonamiento aplicará en el futuro a los sistemas eléctricos híbridos AC/DC. Sin embargo, hasta ahora, la linealización del problema del flujo de potencia en tales redes ha recibido poca atención en la literatura. Esta tesis cubre ese vacío formulando un modelo linealizado del problema de flujo de cargas, considerando únicamente potencia activa, para sistemas VSC AC/DC multiterminales, lo que permite expandir a redes híbridas las aplicaciones del flujo de potencia lineal tradicional. El algoritmo propuesto proporciona una estimación coherente de las pérdidas de los convertidores y permite modelar todas las ramas dentro de las estaciones conversoras. Además, se proponen dos esquemas novedosos para la inclusión de pérdidas en el lado DC. También se sugiere un circuito equivalente lineal que esquematiza el flujo de potencia en sistemas híbridos.

En resumen, esta tesis muestra que las herramientas existentes para el análisis y control de estado estacionario de sistemas de energía en corriente alterna pueden extenderse a redes híbridas AC/DC. Esta extensión es necesaria porque el cambio de paradigma que implica el enfoque AC/DC plantea desafíos en, entre otros, la planificación, construcción, gestión y operación de sistemas de energía eléctrica en alta tensión. Abordar estos desafíos mucho antes de la implementación de las nuevas configuraciones híbridas es clave para tomar decisiones eficientes. Para ello es preciso disponer cuanto antes de las herramientas correspondientes. La tesis contribuye a esta necesidad proporcionando un conjunto sólido de herramientas para el análisis de estado estacionario que se adaptan a las características de las futuras redes eléctricas AC/DC de alta tensión.

High-voltage power systems are likely to evolve towards further large-scale integration to address the forthcoming challenges of energy supply. A general scheme for such integration would consist of the connection of several nodes of the existing alternating current (AC) power systems with new direct current (DC) overlay grids, thus conforming multiterminal AC/DC Supergrids, also called Electricity Highways. Supergrids are expected to be based on Voltage-Source Converters (VSC), as this conversion technology is more suitable for multiterminal applications.

Power flow analysis is a key tool for planning, operation and control of power systems. With future Supergrids in mind, in recent years the power flow problem for multiterminal VSC AC/DC systems has been addressed in the literature and a wide variety of methods have been proposed. Different models have been suggested for the representation of the AC/DC interface. Non-linear equations have been solved by means of two strategies, the unified and the sequential approach. In the unified approach, the AC and DC equations are dealt with simultaneously as one single problem. In the sequential approach, the AC and DC systems are solved separately through an iterative process. It has been proved that both formulations can converge to the same solution. However, little attention has been paid to the impact that limiting the accuracy of interim solutions within the sequential approach may have on the overall calculation effort. This thesis proposes a new sequential power flow algorithm for multiterminal VSC AC/DC systems and defines a convergence factor that allows reducing the computational effort required to achieve a solution. An alternative unified formulation which applies the same hypothesis as the proposed sequential algorithm is also presented.

Despite the accuracy of these formulations, their nonlinear nature represents a challenge for its use in real power systems. In advanced tools for the study of AC networks, linear approximations are frequently utilized to speed up the steady-state analysis in multiple scenarios. The same rationale will certainly hold true in a future with hybrid AC/DC power systems. However, so far, the linearization of the power flow problem in such networks has received little attention in the literature. This thesis fills that gap by formulating a linear, MW-only, power flow for multiterminal VSC AC/DC systems, thus allowing to expand the applications of the traditional linear power flow to hybrid grids. The proposed algorithm provides a consistent estimation of converters’ losses and allows to model all branches within the converter stations. Moreover, two novel schemes for the inclusion of losses on the DC side are proposed. A circuit-equivalent to the power flow problem for hybrid systems is also suggested.

In summary, this thesis shows that the existing tools for the steady-state analysis and control of AC power systems can be extended to hybrid AC/DC networks. This extension is needed because the change of paradigm that the AC/DC approach implies poses a variety of challenges in, among others, planning, construction, management, and operation of high voltage power systems. Addressing these challenges well ahead of the deployment of the new hybrid configurations is key to take efficient decisions. For that purpose, the early availability of the corresponding tools is required. The thesis contributes to this need by providing a solid set of steady-state analysis tools which are adapted to the characteristics of the future high voltage AC/DC grids.