Συμβολή στην ανάπτυξη τεχνικών ελέγχου για συστήματα διασύνδεσης υψηλής τάσης, συνεχούς ρεύματος, τύπου πηγής τάσης (VSC-HVDC), θαλάσσιων αιολικών πάρκων και νησιών

Abstract

The main contribution of this PhD thesis lies in the field of modeling and control of offshore wind farms and island systems interconnected via high voltage direct current links based on voltage source converters (VSC-HVDC). The selected research topics include: (a) development of dynamic simulation models for offshore wind turbines and multilevel HVDC VSCs, (b) comparative assessment of alternative control techniques, applicable to VSC-HVDC connected offshore wind farms, in order to achieve fault ride-through and frequency response capabilities, (c) evaluation of control schemes for VSC-HVDC links connected to island systems, where a multitude of generating units might operate in parallel, such as an external ac interconnector along with conventional local generation, and (d) modeling and control of multi-terminal HVDC (MTDC) grids, under steady-state and transient conditions.In the first part of the thesis, the dynamic models and the relevant controllers are presented for VSC-HVDC links, in order to evaluate their dynamic response as well as to validate the developed average-value converter models, compared with the detailed switching models. Then, particular emphasis is placed on the ability of a VSC-HVDC connected offshore wind farm to meet present day grid code requirements, such as fault ride-through and frequency response. Conventional control techniques are tested, whereas a novel control scheme is also proposed in this thesis, particularly tailored to the offshore wind turbines and the offshore HVDC converter, which manages to achieve grid code compatibility solely via offshore frequency modulation. The analysis is then extended to island VSC-HVDC interconnectors, where the main objective is to design a suitable control scheme for the island VSC, yielding a stable response under severe contingency events, such as the sudden loss of the external ac interconnector or the local power station, which could lead from non-islanded to passive network operation.The last part of the thesis deals with optimal power flow analysis of multi-terminal HVDC grids, as well as with dynamic modeling of the MTDC grid, in order to evaluate its fault ride-through response and its contribution to frequency regulation, selecting study-cases which include the connection of the MTDC grid to a single or even to asynchronous ac grids.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή στη μεταβατική μοντελοποίηση και στην ανάπτυξη τεχνικών ελέγχου συστημάτων διασύνδεσης υψηλής τάσης, συνεχούς ρεύματος, τύπου πηγής τάσης (VSC-HVDC), για εφαρμογές διασύνδεσης θαλάσσιων αιολικών πάρκων (ΘΑΠ) και νησιωτικών συστημάτων με το ηπειρωτικό σύστημα. Η διατριβή κινήθηκε σε τέσσερις βασικούς άξονες: (α) στην ανάπτυξη δυναμικών μοντέλων προσομοίωσης υπεράκτιων ανεμογεννητριών (Α/Γ) και μετατροπέων ισχύος HVDC πολλαπλών επιπέδων, (β) στη συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών τεχνικών επίτευξης αδιάλειπτης λειτουργίας σε συνθήκες σφάλματος και απόκρισης συχνότητας σε ακτινική διασύνδεση VSC-HVDC ενός ΘΑΠ, (γ) στη διερεύνηση της ικανότητας συγχρονισμού ενός συνδέσμου VSC-HVDC που συνδέεται σε νησιωτικό σύστημα με συνύπαρξη πολλαπλών πηγών ηλεκτροδότησης, και (δ) στον έλεγχο πολυτερματικών δικτύων VSC-HVDC, τόσο σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης όσο και σε μεταβατικές συνθήκες.Αρχικά, παρουσιάζονται τα μεταβατικά μοντέλα και οι παραλλαγές ελέγχου που αναπτύχθηκαν για μετατροπείς VSC-HVDC, ανάλογα με την εξεταζόμενη εφαρμογή. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων με στόχο την αξιολόγηση της δυναμικής συμπεριφοράς ακτινικής διασύνδεσης VSC-HVDC, και την επικύρωση των απλοποιημένων μοντέλων μέσης τιμής. Ακολούθως, η ανάλυση επικεντρώνεται στη συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών τεχνικών ελέγχου υπεράκτιων Α/Γ και μετατροπέων VSC-HVDC, με στόχο την επίτευξη αδιάλειπτης λειτουργίας σε συνθήκες σφάλματος και απόκρισης συχνότητας. Εξετάζονται συμβατικές τεχνικές ελέγχου που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία, αλλά και μια νέα στρατηγική ελέγχου που προτείνεται στην παρούσα διατριβή για το σύστημα ΘΑΠ-υπεράκτιου μετατροπέα HVDC. Στη συνέχεια, η ανάλυση επικεντρώνεται στη διερεύνηση της ικανότητας συγχρονισμού ενός νησιωτικού μετατροπέα VSC-HVDC σε οποιαδήποτε πιθανή κατάσταση λειτουργίας, όπως πχ σε παράλληλη λειτουργία με εξωτερική διασύνδεση εναλλασσόμενου ρεύματος (ΕΡ) ή/και τοπική συμβατική παραγωγή, καθώς και κατά τη μετάβαση σε λειτουργία παθητικού συστήματος.Το τελευταίο μέρος της διατριβής αφορά στην ανάλυση πολυτερματικών δικτύων HVDC σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης αλλά και σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών τεχνικών ελέγχου ισχύος-τάσης με ανάλυση ροής ισχύος, και στη συνέχεια εξετάζεται η ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας του πολυτερματικού δικτύου σε συνθήκες σφάλματος, καθώς και η συμβολή του στη ρύθμιση συχνότητας του ηπειρωτικού συστήματος.