Control and operation of multi-terminal VSC-DC networks

Abstract

For the past century, ac networks have been established as the standard technology for electrical power transmission system s. However, the de technology has not disappeared completely from this picture. The capability of de systems to transmit higher power over longer distances, the possibility of interconnecting asynchronous networks, and their high efficiency has maintained the interest of both industry and academia. Historically, systems based on dc-generators and mercury valves were used for de power transmission applications, but, by the 90's, all installations were thyrsi tor-based line commutated converters (LCC). In 1999, the first system based on voltage source converters (VSC) was installed in Gotland, Sweden, marking the beginning of a new era for de transmission. Over the past 15 years, the power rating of VSC-based de transmission systems has increased from 50 to 700 MVV, the operating voltage from 120 to 500 kV, meanwhile , the covered distances have become as long as 950 km (ABB's HVDC-light installation in Namibia in 2010). The work presented in this thesis is oriented towards the control and operation of multi-terminal VSC de (MTDC) networks. The proposed approach is a hierarchical control architecture, inspired by the well-established automatic generation control strategy applied to ac networks. In the proposed architecture, the primary control of the MTDC system is decentralized and implemented using a generalized droop strategy More than analyzing the behavior of the primary control, this thesis provides a methodology for designing the various parameters that influence this behavior. The importance of correctly dimensioning the VSC's output capacitor is underlined as this element, when set in the context of a MTDC network, becomes the inertial element of the grid and it has a direct impact on the voltage overs hoots that appear during transients. Further on, an improved droop control strategy that attenuates the voltage oscillations during transients is proposed. Also part of the proposed hierarchical control, the secondary control is centralized and it regulates the operating point of the network so that optimal power flow (OPF) is achieved . Compared to other works, this thesis elaborates, both analytically and through simulations, on the coordination between the primary and secondary control layers.

Durante el siglo pasado, las redes de corriente alterna se han consolidado como la tecnología estándar para los sistemas de transmisión de energía eléctrica. Sin embargo, los sistemas de transmisión en continua se han seguido utilizando en algunas aplicaciones. La capacidad de estos para transmitir mayores potencias a distancias más largas, la posibilidad de interconectar redes asincrónicas, y su alta eficiencia han propiciado que se mantuviera el interés académico, de investigación e industrial en esta tecnología . Aunque históricamente se utilizaron sistemas basados en generadores de continua y válvulas de mercurio para las redes de transmisión, en la década de los 90 todas las instalaciones ya contaban con convertidores conmutados basados en tiristores (LCC). En 1999, se instaló el primer sistema basado en convertidores en fuente de tensión (VSC) en Gotland, Suecia, marcando el comienzo de una nueva era para la transmisión en corriente continua. En los últimos 15 años, la potencia de los sistemas de transmisión en continua basados en VSC ha aumentado desde los 50 hasta los 700 MN, la tensión de servicio de 120 a 500 kV y las distancias recorridas han llegado a ser, en algunos casos, de hasta 950 kilómetros (HVDC-light de ABB en Namibia en 201 O). El trabajo presentado en esta tesis se centra en el control y operación de redes de corriente continua VSC multi-terminal (MTDC). El enfoque propuesto se basa en una arquitectura de control jerárquico, inspirada en la estrategia de control de generación automática aplicada a redes de corriente alterna. En la arquitectura propuesta, el control primario del sistema MTDC está descentralizado e implementado mediante una estrategia de 'droop' generalizada. Más allá del análisis del comportamiento del control primario, esta tesis presenta una metodología para el diseño de los diferentes parámetros que influyen en el mismo. Se destaca la importancia de dimensionar correctamente condensador de salida del VSC, ya que este elemento, cuando se encuentra en el contexto de una red MTDC, se convierte en el elemento inercial de la red y tiene un impacto directo en el comportamiento transitorio de las tensiones. Asimismo, se propone una estrategia de control de 'droop' mejorada que atenúa las oscilaciones de tensión durante los transitorios. En el marco del control jerárquico propuesto, el control secundario está centralizado y regula el punto de funcionamiento de la red de manera que se consigue un flujo de potencia óptimo (OPF). En comparación con otros trabajos, esta tesis lleva a cabo, tanto de forma analítica como a través de simulaciones, un estudio detallado sobre la coordinación entre las capas de control primario y secundario en redes MTDC.