Control of VSC-HVDC multi-terminal systems to improve angle stability in hybrid HVAC/HVDC ...

264 Pages·2017·13.36 MB·English

Universidad Ponti(cid:28)cia Comillas de Madrid
Escuela TØcnica Superior de Ingenier(cid:237)a (ICAI)
Instituto de Investigaci(cid:243)n Tecnol(cid:243)gica (IIT)
Control of VSC-HVDC multi-terminal
systems to improve angle stability in hybrid
HVAC/HVDC electrical transmission
systems
Thesis submitted for the Degree of Doctor of
Philosophy (Modelling of Engineering Systems)
Author: Francisco Javier Renedo Anglada
Supervisors: Prof. Dr. Aurelio Garc(cid:237)a Cerrada
Prof. Dr. Luis Rouco Rodr(cid:237)guez
March 5, 2018
Madrid, Spain

i
ii
Summary
The aim of this doctoral thesis was to investigate control strategies in Volt-
age Source Converter - High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) multi-
terminal systems (VSC-MTDC, for short) to improve angle stability in hy-
brid HVAC/HVDC grids (under large and small disturbances).
The work was motivated by the growing interest of transmission system
operators (TSOs) in various parts of the world on this technology. Elec-
trical systems tend to be operated in increasingly stressed conditions (AC
lines closer to their stability limits, transmission of large amount of power
over long distances and less inertia, among others), which make angle sta-
bility a key limiting factor. Meanwhile, future electrical systems are ex-
pected to have an ever-increasing number of electronic power converters,
such as renewable generators interfaced by power converters, FACTS devices
and point-to-point and multi-terminal HVDC systems. Furthermore, hybrid
HVAC/VSC-HVDC transmission systems are being considered to facilitate
the integration of a large amount of renewable generation and to intercon-
nect di(cid:27)erent countries in di(cid:27)erent parts of the world. The main application
of any VSC-HVDC system will be power transmission. Nevertheless, due
to the fast control of the active and reactive power injections of the VSCs
stations, VSC-HVDC multi-terminal systems, when installed, seem to be an
attractive alternative to help improving angle stability.
Previous work has shown that, indeed, VSC-MTDC systems can improve
angle stability of electrical power systems signi(cid:28)cantly using suitable control
strategies. All those strategies had in common the use of global-but-di(cid:30)cult-
to-implement measurements, namely, the speed of all the generators of the
system and the speed of the centre of inertia (COI). This thesis investigates
control strategies based on (cid:16)global-but-practical" measurements for (a) tran-
sient stability improvement and for (b) power-oscillation damping.
First of all, control strategies for P and the Q injections of the VSCs
using the weighted-average frequency (WAF) of the converter stations of the
iii
VSC-MTDC system have been proposed to improve transient stability. The
results presented in this thesis have shown that large and small-signal angle
stability can be improved signi(cid:28)cantly using the proposed control strategies
and their implementation is easier than previous approaches that require a
WideAreMeasurementSystem(WAMS)withthemasurementsofthespeeds
of all the generators of the system in real time.
Due to the promising results obtained for transient stability, supplemen-
tarycontrollersforpower-oscillationdamping(POD),usingthesamesignals,
were also investigated, showing that the WAF could also be useful for this
purpose. A coordinated-design algorithm based on eigenvalue sensitivities
was used to design the POD controllers of the VSC-MTDC system.
The following conclusions have been obtained from the results of this
thesis:
(cid:136)
The proposed strategy P-WAF (for P injections of the VSCs) improves
transient stability signi(cid:28)cantly. It uses the weighted-average frequency
of the AC terminals of the VSC-MTDC system.
(cid:136)
The proposed strategy Q-WAF (for Q injections of the VSCs) also
improves transient stability signi(cid:28)cantly. It uses the weighted-average
frequency of the AC terminals of the VSC-MTDC system.
(cid:136)
The proposed local strategy Q-LWAF (for Q injections of the VSCs)
improves transient stability signi(cid:28)cantly. It behaves very much like
strategy Q-WAF, but it requires local measurements, only.
(cid:136)
The proposed POD controllers (for P and/or Q injections of the VSCs)
damp inter-area oscillations successfully. The coordinated-design al-
gorithm allows the POD controllers to damp a required set of modes,
obtaining the required damping ratios.
iv
Agradecimientos
Esta tesis doctoral ha sido posible gracias a la colaboraci(cid:243)n de muchas per-
sonas que merecen su agradecimiento.
En primer lugar, a mis supervisores, Aurelio Garc(cid:237)a Cerrada y Luis
Rouco, por su con(cid:28)anza, apoyo, la direcci(cid:243)n de la tesis y sus enseæanzas
en sistemas elØctricos, sistemas HVDC y estabilidad de sistemas elØctricos.
Muchas gracias a Aurelio Garc(cid:237)a Cerrada por haberme dado la opor-
tunidad de trabajar en el Instituto de Investigaci(cid:243)n Tecnol(cid:243)gica (IIT), por
haberme transmitido sus conocimientos en sistemas HVDC y modelado de
este tipo de sistemas. Por haberme guiado, por haberme enseæado rigurosi-
dad y a perseguir los problemas; y por su con(cid:28)anza en mi.
Muchas gracias a Luis Rouco por los conocimientos que me transmiti(cid:243)
en sistemas elØctricos y en estabilidad, por su supervisi(cid:243)n, por ayudarme a
mejorar constantemente, por enseæarme a distinguir los temas importantes;
y por su con(cid:28)anza en mi.
A Lukas Sigrist e Ignacio Egido, por su ayuda y colaboraci(cid:243)n en el de-
sarrollo del modelo de PSS/E, por compartir sus conocimientos de sistemas
elØctricos conmigo y por haberme ayudado cuando lo he necesitado.
A Luis D(cid:237)ez Maroto, por su ayuda en sistemas elØctricos y por compartir
las ideas de su tesis relacionadas con el uso de medidas globales de la veloci-
dad del centro de inercia, que motivaron el uso de la frequencia media en
las estaciones convertidoras de un sistema VSC-MTDC para los controles de
estabilidad transitoria propuestos en esta tesis.
A Javier RoldÆn y Miguel Ochoa, por sus enseæanzas en sistemas de
control y electr(cid:243)nica de potencia, y por su ayuda en general.
APacoEchavarren,porayudarmeentemasdesistemaselØctricossiempre
que acud(cid:237) a su puerta.
A Silvia Sanz Verdugo, de Red ElØctrica de Espaæa (REE), por su colab-
oraci(cid:243)n en el desarrollo del modelo de PSS/E y en el proyecto ESP-LIDER.
A Behzad Kazemtabrizi, por haberme acogido en el departamento de
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ingenier(cid:237)adelaUniversidaddeDurham(ReinoUnido)durantemiestanciade
investigaci(cid:243)n y por la fruct(cid:237)fera colaboraci(cid:243)n en la investigaci(cid:243)n desarrollada
all(cid:237).
A Elena Saiz, Inmaculada Saboya, Laura Casado, Quanyu Zhao, Mar(cid:237)a
Antol(cid:237)n, Kai Doenges, Jose Mar(cid:237)a Bobadilla y Javier Garc(cid:237)a GonzÆlez, por
su ayuda/colaboraci(cid:243)n cuando lo he necesitado.
AAhmadBin-Ibrahim, CarlosFerrand(cid:243)nyOmarKobt, porhabertenido
discusiones interesantes y œtiles de ingenier(cid:237)a con ellos.
A Isabel Tamudo, Marisa SÆnchez, Cristina Ruiz y JuliÆn Mart(cid:237)n, ya que
su trabajo siempre ha facilitado el m(cid:237)o.
A TomÆs G(cid:243)mez San RomÆn, Enrique Lobato y Fidel FernÆndez Bernal,
por su con(cid:28)anza en mi.
AJuanLuisZamorayRam(cid:243)nRodr(cid:237)guezPecharromÆn,porlosconocimien-
tos de control que me enseæaron hace aæos.
A Javier Muæoz Garc(cid:237)a, Mario Castro, Rodolfo Cuerno, Esteban Moro,
JosØ Cuesta y FroilÆn Mart(cid:237)nez Dopico por sus enseæanzas en matemÆticas
aplicadas. En particular, a Javier por la supervisi(cid:243)n de mi tesis de master.
A Cristina SÆnchez Rebollo por el apoyo mœtuo en nuestra etapa del master
en Ingenier(cid:237)a MatemÆtica en la Universidad Carlos III de Madrid.
A los miembros del tribunal de esta tesis, por haber aceptado evaluarla:
losprofesoresJulioGarc(cid:237)aMayordomo,OriolGomisBellmunt,EnriqueAcha,
Ignacio Egido y Francisco Echavarren. TambiØn, a los profesores Behzad
Kazemtabrizi, Luis FernÆndez Beites, Joaqu(cid:237)n Pedra DurÆn y Lukas Sigrist
por el tiempo dedicado en la revisi(cid:243)n de esta tesis
A Carlos Jauregu(cid:237)zar (de NOESIS AF), Orlando Izquierdo, David Tre-
bolle y Jesœs Beloso (de Gas Natural Fenosa) y Luis Murciano (de Boslan
Ingenier(cid:237)a y Consultor(cid:237)a), por haberme hecho madurar profesionalmente en
mis dos primeros trabajos.
A mis compaæeros del IIT durante estos aæos, que trabajan en distin-
tos grupos, pero que han sido importantes: Mar(cid:237)a, Mercedes, Aurora, Eva,
Andrea, Antonio, Fer, Joªo, Diego, Rodrigo, Alessandro, Renato, `lvaro,
AdriÆn, Peyman, Luis, Alejandro y muchos mÆs.
Al Instituto de Investigaci(cid:243)n Tecnol(cid:243)gica (IIT) de la Escuela TØcnica Su-
perior de Ingenier(cid:237)a (ICAI) de la Universidad Ponti(cid:28)cia Comillas de Madrid.
Amispadres, MaiteyJavier, portodoelcariæoyapoyoentodamivida,
yporhabermeincentivadoaestudiar. Sinsusoportenohubiesellegadohasta
aqu(cid:237). A mi hermano Jaime, por haber compartido diversas a(cid:28)ciones: desde
la ingenier(cid:237)a hasta el tenis. TambiØn, muchas gracias a Iole.
A mis abuelos/as, Carmen, Ana, SebastiÆn y Jaime.
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A Joselina Fernandes y a Vini, por su cariæo y hospitalidad.
A Irene y a Marcos.
Amisamigos/asajenosaestetrabajoacadØmico(deChileydeEspaæa),
que siempre han sido un pilar importante en mi vida, siempre he podido
contar con ellos en los momentos buenos y malos y se que siempre van a
estar all(cid:237). No escribo nombres, ya que ellos saben quienes son.
A mi compaæera de vida, Camila, por estar siempre al lado en los mo-
mentosbuenosymalos; porhacermequetengailusi(cid:243)ncadad(cid:237)a; ypordarme
fuerzas para seguir adelante.
Finalmente, me gustar(cid:237)a agradecer al Ministerio de Econom(cid:237)a y Com-
petitividad del Gobierno de Espaæa y a la Comunidad de Madrid por la
(cid:28)nanciaci(cid:243)n de los proyectos de investigaci(cid:243)n que han (cid:28)nanciado esta tesis
doctoral:
(cid:136)
Electr(cid:243)nica de potencia en el sistema elØctrico para la integraci(cid:243)n de
energ(cid:237)as renovables (ESP-LIDER) (ref. IPT-2011-0844-920000), (cid:28)nan-
ciado por el Ministerio de Ciencia e Innovaci(cid:243)n y el Ministerio de
Econom(cid:237)a y Competitividad, Gobierno de Espaæa.
(cid:136)
Herramientas de simulaci(cid:243)n y anÆlisis para el estudio de la operaci(cid:243)n y
laoptimizaci(cid:243)ndesistemash(cid:237)bridosHVDC-VSCmultiterminal/HVAC
(ref. ENE2014-57760-C2-1-R),(cid:28)nanciadoporelMinisteriodeEconom(cid:237)a
y Competitividad, Gobierno de Espaæa.
(cid:136)
Programa de redes elØctricas inteligentes en la Comunidad de Madrid
(PRICAM)(ref.S2013/ICE-2933),(cid:28)nanciadoporlaComunidaddeMadrid,
Espaæa.
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