Multi-terminal HVDC grids control and operation

Abstract

In recent years, there have been considerable efforts in the design and development of technologies and techniques for more efficient harvesting of renewable energy resources to meet the ever increasing electric power demand and to limit the use of fossil fuels. In this regard, offshore wind farms have emerged as a promising solution, particularly in the North Sea, due to the vast potential of offshore wind energy. Large-scale offshore wind farms in the North Sea pose grid integration challenges such as the need for long distance submarine power transmission and managing the harvested wind energy. These challenges can be properly addressed by developing of Multi terminal dc (MTDC) systems. Future MTDC grids are expected to be built overlaying the present ac grids as well as harvesting offshore wind to build so-called "Supergrid" The work presented in this dissertation is oriented to facilitate the control and operation of future MTDC grids. The proposed approaches rely on hierarchical control architecture, inspired by the well-established automatic generation control (AGC) strategy have applied to ac grids. In the inspired hierarchical control architecture, the primary control of the MTDC grid is totally decentralized and implemented using the proposed Generalized Voltage Droop (GVD) control strategy. GVD proposes an alternative to the conventional voltage droop characteristics of voltage-regulating VSC stations, providing more generic and flexible control solution that takes into account the states of the converter stations and the ac+dc grid. The GVD control strategy can perform three different control modes, including conventional voltage droop control, fixed active power control, and fixed dc voltage control, by adjusting the GVD characteristics of the voltage-regulating converters. Such adjustment is driven by the secondary layer of the proposed hierarchical control structure. The proposed strategy improves the control and power-sharing capabilities of the conventional voltage drop, and enhances its maneuverability. This dissertation also addresses the tuning of the controllers of VSC-HVDC stations, by providing a methodology for optimized tuning of the parameters that influence their behavior. Since the VSC stations are nonlinear plants in nature, the classical approaches for tuning of the control system, which are usually based on the approximate linear model of the plants, do not lead to optimal results. Refereeing to the successful application of particle swarm optimization (PSO) algorithm in the tuning of ac grids parameters, this algorithm again is used to find optimal control parameters of VSC-HVDC stations in MTDC grids. As the last part of the proposed hierarchical control structure, the secondary control is centralized and it regulates the operating point of the grid so that optimal power flow (OPF) is achieved. In the proposed approach, an OPF algorithm is executed at the secondary control level of the MTDC grid to find the optimal reference values for the dc voltages and active power of the voltage-regulating converters. Then, at the primary control level, the GVD characteristics of the voltage-regulating converters are tuned based upon the OPF results. Via this control structure, the optimally-tuned GVD controllers lead to the optimal operation of the MTDC grid. In case of variation in load or generation of the grid, a new stable operating point is achieved based on the GVD characteristics of converter stations. Then by executing a new OPF, the GVD characteristics are re-tuned for optimal operation of the MTDC grid.

En los últimos años se han dedicado considerables esfuerzos en el diseño y desarrollo de tecnologías para el transporte de electricidad a largas distancias, especialmente en el caso de sistemas de generación renovables "off-shore", los cuales han de contribuir a satisfacer la siempre creciente demanda de energía eléctrica y limitar a su vez el uso de combustibles fósiles.En este sentido, los parques off-shore se han convertido en una de las apuestas más destacadas, sobre todo en el Mar del Norte, debido al enorme potencial de la energía eólica en esa región. La instalación de grandes parques eólicos marinos en el Mar del Norte plantea desafíos en la integración a red de los mismos, tales como la necesidad de la transmisión de energía a larga distancia y el control y la gestión de la energía eólica producida. Estos desafíos pueden abordarse adecuadamente mediante haciendo uso de redes de continua multiterminales en alta tensión (MTDC).El trabajo realizado en el marco de esta tesis doctoral tiene como objetivo el realizar aportaciones que contribuyan a facilitar el control y la operación de las futuras redes MTDC. Los enfoques propuestos se basan en utilización de una arquitectura de control jerárquico,inspirada en la estrategia de control de generación automática (AGC),la cual se viene aplicando en redes de corriente alterna desde hace varios años. En la propuesta realizada el control primario de la red MTDC está descentralizado mediante la propuesta de estrategia de control generalizado de tensión Droop (GVD). La utilización del GVD propone una solución de control más genérico y flexible que tiene en cuenta los modos de funcionamiento de las estaciones de conversión y los estados de la futura red híbrido ac-dc. Tal y como se describe en la tesis, la estrategia de control GVD puede trabajar en tres modos de control diferentes, incluyendo el control de caída de tensión convencional, control de potencia activa fija,y de control de tensión continua fijo, mediante el ajuste de las características GVD de los convertidores encargados dela regulación. Este ajuste se lleva a cabo por la capa secundaria de la estructura jerárquica de control propuesta. La estrategia propuesta mejora las capacidades de control y distribución de la energía en comparación con otras anteriores,y mejora su capacidad de maniobra.Esta tesis también se ocupa de la sintonización de los controladores en las diferentes estaciones de la red MTDC, proporcionando una metodología que permite alcanzar el ajuste óptimo de los parámetros que influyen en su comportamiento. Como los convertidores electrónicos son plantas no lineales, se ha propuesto una metodología específica para su ajuste,dado que los enfoques clásicos para el ajuste del sistema de control, que se basan por lo general en el modelo lineal aproximada de las plantas, no conducen a resultados óptimos.En este caso algoritmos basados en Particle Swarm Optimization (PSO) se han utilizado para la sintonización de los sistemas conectados en los lados ac y dc.En la última parte de la estructura de control jerárquica propuesta, la capa de control secundario se ha diseñado siguiendo una estructura centralizada, la cual se encarga de regular el punto de funcionamiento de la red de manera que se consigue el flujo de potencia óptimo (OPF). En el enfoque propuesto, un algoritmo OPF se ejecuta en el nivel de control secundario de la red MTDC para encontrar los valores de referencia óptimos para las tensiones en continua y la potencia activa de los convertidores. De este modo, en el nivel de control primario, las características GVD de los convertidores están sintonizados en base a los resultados OPF. A través de esta estructura de control, los controladores GVD óptimamente sintonizados conducen a la operación óptima de la red MTDC. En caso de variación en la carga o en nivel de generación en la red, un nuevo punto de operación estable se logra a través de las características GVD de las estaciones de conversión