Control of VSC-HVDC multi-terminal systems to improve angle stability in hybrid HVAC/HVDC electrical transmission systems

Abstract

El objetivo de esta tesis doctoral es la investigación de nuevas estrategias de control en sistemas de transporte en corriente continua en alta tensión con convertidores fuente de tensión (VSC-HVDC) multi-terminal (VSC-MTDC) para la mejora de la estabilidad de ángulo en sistemas híbridos HVAC/HVDC (ante grandes y pequeñas perturbaciones). El trabajo ha sido motivado por el creciente interés de los operadores del sistema de transporte de energía eléctrica en distintas partes del mundo en esta tecnología. Los sistemas eléctricos están tendiendo a ser operados más cerca de sus límites técnicos (líneas AC más cerca de sus límites de estabilidad, transporte de potencia sobre largas distancias y reducción de la inercia total del sistema, entre otros aspectos). En estas condiciones, la estabilidad de ángulo es un factor limitante clave. También, las redes eléctricas del presente y futuro están tendiendo a a incorporar cada vez más convertidores de electrónica de potencia: generadores renovables conectados a través de convertidores, dispositivos FACTS y sistemas HVDC (punto a punto y multi-terminal). En particular, sistemas de transporte híbridos HVAC/VSC-HVDC están siendo considerados para facilitar la incorporación masiva de energía renovable en el sistema y para la interconexión de distintos países. La principal aplicación cualquier sistema VSC-HVDC siempre será el transporte de mucha potencia. Sin embargo, un sistema VSC-MTDC, una vez instalado, puede ser una opción muy atractiva para ayudar a mejorar la estabilidad de ángulo del sistema, debido al control rápido de potencia activa (P) y reactiva (Q) en las estaciones convertidores. Estudios previos han mostrado que estrategias de control apropiadas en sistemas VSC-MTDC pueden mejorar significativamente la estabilidad de ángulo del sistema. Estas estrategias de control tienen en común que utilizan medidas globales del sistema que son difíciles de implementar (velocidades de todos los generadores del sistema o la velocidad del centro de inercia). En esta tesis se investigan estrategias de control usando medidas “globales pero prácticas” para (a) la mejora de la estabilidad transitoria del sistema (gran perturbación) y para (b) amortiguamiento de oscilaciones de potencia (pequeña perturbación). En primer lugar, se han propuesto estrategias de control para las inyecciones de P y Q de las estaciones convertidoras usando la frecuencia media ponderada (WAF, por sus siglas en inglés: wighted-average frequency), para la mejora de la estabilidad transitoria. Los resultados presentados en esta tesis muestran que las estrategias de control propuestas contribuyen significativamente a mejorar la estabilidad de ángulo del sistema, ante grandes y pequeñas perturbaciones, y son mucho más fáciles de implementar que propuestas previas que requieren medidas de todos los generadores del sistema en tiempo real. Debido a buenos resultados obtenidos para estabilidad transitoria, también se han investigado estrategias de control para amortiguar oscilaciones (POD, por sus siglas en inglés: power-oscillation damping), usando el mismo conjunto de medias. Los resultados muestran que el uso de la frecuencia media ponderada también es muy útil para este propósito. Se ha utilizado un algoritmo de diseño coordinado para diseñar los controles POD del VSC-MTDC. Las principales conclusiones obtenidas en esta tesis son las siguientes: • La estrategia de control propuesta P-WAF (para las inyecciones de P de los convertidores) mejora significativamente la estabilidad transitoria del sistema. Esta estrategia utiliza la frecuencia media ponderada de los terminales de alterna del sistema VSC-MTDC. • La estrategia de control propuesta Q-WAF (para las inyecciones de Q de los convertidores) mejora significativamente la estabilidad transitoria del sistema. Esta estrategia utiliza la frecuencia media ponderada de los terminales de alterna del sistema VSC-MTDC. • Las estrategia de control local propuesta Q-LWAF (para las inyecciones de Q de los convertidores) mejora significativamente la estabilidad transitoria del sistema. Se comporta como la estrategia Q-WAF, pero solo requiere medidas locales. • Las estrategias de control propuestas para amortiguamiento de oscilaciones (para las inyecciones de P y/o Q de los convertidores) son capaces de amortiguar los modos inter-área eficazmente. El algoritmo de diseño coordinado permite diseñar los controles POD para amortiguar un conjunto de modos, obteniendo los valores de amortiguamiento especificados.

The aim of this doctoral thesis was to investigate control strategies in Voltage Source Converter - High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) multi-terminal systems (VSC-MTDC, for short) to improve angle stability in hybrid HVAC/HVDC grids (under large and small disturbances).

The work was motivated by the growing interest of TSOs in various parts of the world on this technology. Electrical systems tend to be operated in increasingly stressed conditions (AC lines closer to their stability limits, transmission of large amount of power over long distances and less inertia, among others), which make angle stability a key limiting factor. Meanwhile, future electrical systems are expected to have an ever-increasing number of electronic power converters, such as renewable generators interfaced by power converters, FACTS devices and point-to-point and multi-terminal HVDC systems. Furthermore, hybrid HVAC/VSC-HVDC transmission systems are being considered to facilitate the integration of a large amount of renewable generation and to interconnect different countries in different parts of the world. Due to the fast control of the active and reactive power injections of the VSCs stations, VSC-HVDC multi-terminal systems, when installed, seem to be an attractive alternative to help improving angle stability.

Previous work has shown that, indeed, VSC-MTDC systems can improve angle stability of electrical power systems significantly using suitable control strategies. All those strategies had in common the use of global-but-difficult-to-implement measurements, namely, the speed of all the generators of the system and the speed of the centre of inertia (COI). This thesis investigates control strategies based on “global-but-practical" measurements for (a) transient stability improvement (large disturbances) and for (b) power-oscillation damping (small disturbances).

First of all, control strategies for P and the Q injections of the VSCs using the weighted-average frequency (WAF) of the converter stations of the VSC-MTDC system have been proposed to improve transient stability. The results presented in this thesis have shown that large and small-signal angle stability can be improved significantly using the proposed control strategies and their implementation is easier than previous approaches that require a Wide Are Measurement System (WAMS) to obtain the measurements of the speeds of all the generators of the system.

Due to the promising results obtained for transient stability, supplementary controllers for power-oscillation damping (POD), using the same signals, were also investigated, showing that the WAF could also be useful for this purpose. A coordinated-design algorithm based on eigenvalue sensitivities was used to design the POD controllers of the VSC-MTDC system.

The following conclusions have been obtained from the results of this thesis: • The proposed strategy P-WAF (for P injections of the VSCs) improves transient stability significantly. It uses the weighted-average frequency of the AC terminals of the VSC-MTDC system. • The proposed strategy Q-WAF (for Q injections of the VSCs) also improves transient stability significantly. It uses the weighted-average frequency of the AC terminals of the VSC-MTDC system. • The proposed local strategy Q-LWAF (for Q injections of the VSCs) improves transient stability significantly. It behaves very much like strategy Q-WAF, but it requires local measurements, only. • The proposed POD controllers (for P and/or Q injections of the VSCs) damp inter-area oscillations successfully. The coordinated-design algorithm allows the POD controllers to damp a required set of modes, obtaining the required damping ratios. Control de sistemas VSC-HVDC multi-terminal para la mejora de la estabilidad de ángulo en sistemas de transporte híbridos HVAC/HVDC