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.
Tesis Doctoral
On Stability Enhancement of AC/DC Power Systems through Multi-terminal HVDC ControllersTitulación / Programa
Programa de Doctorado Erasmus Mundus en Tecnologías y Estrategias Energéticas Sostenibles / Erasmus Mundus Joint Doctorate in Sustainable Energy Technologies and StrategiesMaterias/ UNESCO
33 Ciencias tecnológicas3306 Ingeniería y tecnología eléctrica
330601 Utilización de la corriente contínua
330609 Transmisión y distribución
Palabras Clave
AC/DC power system, Hybrid MTDC, Multi-terminal HVDC, Small signal stability, VSC-MTDCAC/DC elkraftsystem, Hybrid MTDC, Fler-terminal HVDC, Små signalstabilitet, VSC-MTDC
AC/DC power system, Hybrid MTDC, Aantal posten HVDC, Kleine signaalstabiliteit, VSC-MTDC
Collections
The following license files are associated with this item: