Design, operation and control of novel electrical concepts for offshore wind power plants

Abstract

Offshore wind is an emerging energy sector with a huge potential to be tapped in the near future. Offshore Wind Power Plants (OWPPs) are becoming increasingly relevant in Europe and worldwide mainly because the wind speeds are potentially higher and smoother than their onshore counterpart, which leads to higher wind power generation. Moreover, OWPPs have less space limitations constraints, so that it allows the possibility of using larger wind turbines. Nowadays, environmental and social aspects are forcing OWPPs to be constructed further from shore, (which usually leads to deeper waters) and the trend is expected to continue in the coming years. Several studies have demonstrated that if the distance between an OWPP and its grid connection point at the Point of Common Coupling (PCC) exceeds a certain critical distance (approximately 55-70 km), HVDC transmission becomes a more interesting solution than HVAC, since reduce cable energy losses and decrease reactive power requirements. This trend towards larger OWPPs located further away from shore is posing some technical, economic and political challenges that must be overcome to be fully competitive in the longer term compared to other energy sources. Today, there is an important concern about reducing the current Levelised Cost Of Energy (LCOE) of offshore wind projects by improving system reliability and availability, reducing O&M costs and/or increasing energy generation. This thesis aims to propose novel electrical WPP concepts more cost-effective than the existing ones and to comprehensive analyse their technical and economic feasibility. Specific challenges related to the design, optimisation, modelling, operation and control of these new concepts will be addressed in the study. All the concepts presented throughout this thesis, are focused on the collector grid of an OWPP, which encompasses all the necessary equipment to collect the power generated by the wind turbines and to export it to the offshore transmission HVDC platform. The first novel WPP concept assessed can be applied to either an onshore or offshore WPP with a MVAC collection grid connected to the grid through either an HVAC or HVDC transmission link, whilst the rest of the OWPP configurations analysed are motivated by the presence of HVDC technology and its ability to electrically decouple the OWPP from the onshore power system. Thus, the first wind power plant concept evaluated consists in properly derating some specific wind turbines in order to reduce the wake effect within the collection grid and, therefore, to maximise the energy yield by the whole wind power plant during its lifetime of the installation. The following three OWPP concepts analysed arise thanks to the opportunity provided by HVDC technology to operate the collection grid at variable frequency. Thus, the second proposed OWPP concept investigated is based on removing the individual power converter of each wind turbine and connecting a synchronous generator-based OWPP (or a wind turbine cluster) to a single large power converter which operates at variable frequency. Likewise, the third OWPP configuration assessed deals with the optimisation of this aforementioned concept and with the proposal of an hybrid MVAC/MVDC OWPP concept for the offshore collection grid. Regarding the fourth OWPP design, it consists of a DFIG-based OWPP with reduced power converters (approximately 5% of rated slip) connected to a single HVDC substation. This proposal is analysed both static and dynamically by means of simulations. Finally, the last novel OWPP concept presented in this thesis deals with the analysis of an entire offshore wind power plant in DC, with the aim of reducing the losses both in the inter-array and the export cable(s). In general terms, all the novel OWPP concepts analysed suggest a good potential to be applied to future offshore wind power plants by reducing in all the cases the LCOE in comparison with the existing OWPPs.

La energía eólica marina es un sector emergente que se encuentra en plena expansión. Múltiples circunstancias tales como que cada vez sea más difícil encontrar lugares propicios en tierra (principalmente en Europa) para la instalación de parques eólicos, que a medida que el parque se aleja de la costa el impacto visual y auditivo es menor y que en el mar el viento sopla con más intensidad y de una manera más constante que en tierra, lo cual posibilita obtener una mayor generación de energía eólica, han provocado que cada vez existan más parques eólicos marinos. Hoy en día, factores medioambientales y sociales están obligando a construir los parques eólicos marinos cada vez más alejados de la costa y se espera que esta tendencia continúe en los próximos años. Varios estudios han demostrado que a partir de una cierta distancia crítica entre el parque eólico y su punto de conexión a tierra (aproximadamente 55-70 km), la transmisión mediante alta tensión en corriente continua (ATCC) resulta una opción más interesante que a través de una transmisión en alta tensión de corriente alterna (ATCA), ya que las pérdidas en los cables se ven reducidas, así como los requerimientos de potencia reactiva. Esta tendencia hacia construir parques eólicos marinos cada vez mayores y a ubicarlos más alejados de la costa, supone el tener que resolver ciertos retos técnicos, económicos y políticos a fin de poder ser más competitivos en el futuro en comparación con otras fuentes de generación de energía. Hoy en día existe una importante preocupación por tratar de reducir el elevado coste actual de la energía para los proyectos de eólica marina a base de mejorar la fiabilidad y disponibilidad del sistema, reducir costes de operación y mantenimiento y/o incrementar la generación de energía. Esta tesis tiene como objetivo proponer conceptos eléctricos novedosos, aplicados a parques eólicos marinos, que resulten más rentables que los existentes actualmente. Asimismo, esta tesis pretende analizar de una manera exhaustiva la factibilidad, tanto técnica como económica, de dichos conceptos. Asuntos tales como el diseño, la optimización, el modelaje, la operación y el control son presentes en la tesis. El alcance del trabajo se focaliza en la zona colectora de un parque eólico y, por lo tanto, no se analiza, el sistema de transmisión ni su integración a la red. Dicha zona comprende todo el equipamiento necesario para recolectar la potencia generada por los aerogeneradores y transmitirla a la plataforma marina de ATCC. El primer concepto innovador de parque eólico evaluado puede ser aplicado tanto en parques situados en tierra como en el mar, que tengan una red colectora interna de corriente alterna en media tensión (MTCA) y un sistema de transmisión tanto ATCC o ATCA. Respecto al resto de configuraciones presentadas, estas vienen motivadas por la presencia de la tecnología ATCC y su capacidad para desacoplar eléctricamente la red interna del parque eólico del sistema eléctrico de potencia situado en tierra. Así pues, la primera propuesta de parque eólico a analizar consiste en operar algunas máquinas concretas por debajo de su punto óptimo de operación a fin de poder reducir el efecto estela dentro del parque y poder así maximizar la potencia total extraída por el mismo. Las tres siguientes configuraciones de parque analizadas se fundamentan en la posibilidad que ofrece la tecnología ATCC de poder operar la red interna del parque eólico a una frecuencia variable. En base a este nuevo concepto, la segunda propuesta de parque investigada consiste en prescindir de los convertidores individuales de cada turbina y conectar todos los generadores síncronos del parque eólico (o un simple grupo de máquinas) directamente al convertidor central, el cual opera a frecuencia variable. El tercer diseño de parque eólico se basa en una topología híbrida dentro del parque combinado MTCA y MTCC. Esta configuración surge de optimizar la propuesta anterior de parque eólico. Asimismo, la cuarta propuesta a analizar estudia la posibilidad de tener un parque consistente en generadores de inducción doblemente alimentados conectados a un convertidor común de tensión controlada situado en la plataforma marina, en el cual los convertidores de cada máquina sean de un tamaño menor a lo habitual (aproximadamente a un deslizamiento nominal de un 5%). Este sistema es analizado en detalle tanto estática como dinámicamente. Finalmente, el último concepto que se presenta en esta tesis analiza la posibilidad de considerar un parque eólico marino completamente (transmisión y red interna del parque) constituido mediante tecnología en CC, con el fin de poder reducir las pérdidas tanto en la red interna del parque como en el cable de exportación. En términos generales se puede concluir que todos los conceptos propuestos a lo largo de esta tesis sugieren un gran potencial para poder ser aplicados en futuros parques eólicos marinos, ya que su coste de energía se ve reducido en comparación con los parques eólicos existentes hoy en día.