RT Dissertation/Thesis
T1 Analysis of heterogeneously configured converter stations in HVDC grids under asymmetrical DC operation
A1 Serrano Sillero, Jesús
AB Additional technologies different from classical high voltage alternating current (HVAC)transmission are necessary to deal with the higher renewable energy integration in thecurrent energetic framework. High voltage direct current (HVDC) transmission based onmodular multilevel voltage source converters (MMC-VSC) is a promising alternative forsome applications. Thus, the number of HVDC projects is increasing worldwide. Thismakes possible their future gradual interconnection to constitute an overlay DC grid thatoffers numerous additional advantages but still many challenges.Even if the development of the HVDC technology overcomes all the present challengesin the future, the lack of standardisation will lead to a DC grid integrated by differentHVDC station topologies, grounding schemes, DC-DC converters, or control strategies.During normal operation, the DC grid is assumed to work symmetrically, and someaspects, such as the topology or the grounding scheme, do not intervene in the systemresponse. However, in case of working asymmetrically due to a fault or outage affectinga single pole of the DC network, all the aspects mentioned above affect the systemoperation.However, such a heterogeneous DC grid under asymmetrical DC operation has yet to beaddressed in the literature. Thus, it constitutes the general objective of this thesis. Toachieve this objective, the asymmetrical DC operation in different heterogeneous DCsystems is studied using load flow, dynamic EMT simulation, and small-signal stabilityanalysis. The analysis of a system of these characteristics under asymmetrical DCoperation is an original contribution of the thesis.First, a DC grid connecting different AC zones and formed by different HVDC stationtopologies and DC-DC converters is modelled to perform the load-flow assessment. Theasymmetrical DC operation is examined by causing an asymmetrical contingency in theDC network. The analysis is carried out considering different grounding resistances,control strategies, control parameters, and galvanic isolation ability of the DC-DCconverters. The results obtained regarding DC current and voltage asymmetry, which arerelated to the overloading of elements and excessive voltage deviation, allow forassessing the impact of the asymmetrical operation under different circumstances.Second, the dynamic assessment aims to identify the main aspects involved in thetransient response during asymmetrical DC operation. The connection of a symmetricalmonopolar station to a bipolar system is modelled, and the outage of one of the convertersof a bipolar station is simulated. The effect of the grounding impedance and the controlstrategy on the dynamic response of the system is assessed. Therefore, the main systemparameters and issues that may appear are identified. Furthermore, the effect of theconnection of the symmetrical monopole station over the existing protections of thebipolar system is assessed by considering different grounding impedances in themonopolar station. Finally, the small-signal analysis of a system composed of different topologies focuseson the asymmetrical DC operation. A new suitable model is developed and validatedagainst EMT simulations. The small-signal analysis is carried out, and the main aspectsthat impact the small-signal stability during asymmetrical operation are identified.Furthermore, a new controller that enhances the system stability during asymmetrical DCoperation is developed.
AB Para hacer frente a la mayor integración de energías renovables en el marco energéticoactual se necesitan tecnologías adicionales distintas de la transmisión clásica en corrientealterna en alta tensión (HVAC). La transmisión de corriente continua en alta tensión(HVDC) basada en convertidores multinivel modulares de fuente de tensión (MMCVSC)es una alternativa prometedora para algunas aplicaciones. Por tanto, el número deproyectos HVDC está aumentando en todo el mundo. Esto hace posible que seinterconecten gradualmente en el futuro para formar una red de corriente continua (CC)que ofrece numerosas ventajas adicionales, pero todavía muchos retos.Aunque el desarrollo de la tecnología HVDC supere todos los retos actuales en el futuro,la falta de normalización dará lugar a una red de CC integrada por diferentes topologíasde estaciones HVDC, esquemas de puesta a tierra, convertidores CC-CC o estrategias decontrol. Durante el funcionamiento normal, la red de CC funciona simétricamente yalgunos aspectos, como la topología o el esquema de puesta a tierra, no intervienen en larespuesta del sistema. Sin embargo, en caso de funcionamiento asimétrico, debido a unafalta o desconexión que afecte a un solo polo de la red de CC, todos los aspectosmencionados anteriormente afectan al funcionamiento del sistema.Este tipo de red de CC heterogénea en funcionamiento asimétrico aún no se ha abordadoen el estado del arte. Por ello, constituye el objetivo general de esta tesis. Para lograr esteobjetivo, se estudia el funcionamiento asimétrico de CC en diferentes sistemasheterogéneos de CC utilizando diferentes enfoques como el flujo de cargas, la simulacióndinámica EMT y el análisis de estabilidad de pequeña señal. El análisis de un sistema deestas características en funcionamiento asimétrico en CC constituye la principalcontribución de la tesis.Para realizar la evaluación del flujo de cargas, se modela una red de CC que conectadiferentes zonas de CA y está formada por diferentes topologías de estaciones HVDC yconvertidores CC-CC. A continuación, se examina el funcionamiento asimétrico de CCprovocando una contingencia asimétrica en la red de CC. El análisis se lleva a caboconsiderando diferentes resistencias de puesta a tierra, estrategias de control, parámetrosde control y capacidad de aislamiento galvánico de los convertidores CC-CC. Losresultados obtenidos sobre la asimetría de corriente y tensión en CC, relacionados con lasobrecarga de los elementos y la desviación excesiva de la tensión, permiten evaluar elimpacto del funcionamiento asimétrico en distintas circunstancias.La evaluación dinámica pretende identificar los principales aspectos que intervienen enla respuesta transitoria durante el funcionamiento asimétrico en CC. En primer lugar, semodela la conexión de una estación monopolar simétrica a un sistema bipolar. Acontinuación, se simula la interrupción de uno de los convertidores de una estaciónbipolar y se evalúa el efecto de la impedancia de puesta a tierra y de la estrategia decontrol en la respuesta dinámica del sistema. Por último, se identifican los principales parámetros del sistema y los problemas que pueden aparecer. Además, se evalúa el efectode la conexión de la estación monopolar simétrica sobre las protecciones existentes delsistema bipolar, considerando diferentes impedancias de puesta a tierra en la estaciónmonopolar.Por último, se realiza el análisis de pequeña señal de un sistema compuesto por diferentestopologías centrándose en el funcionamiento asimétrico en CC. Para ello, primero sedesarrolla un nuevo modelo adecuado para este análisis y se valida con simulacionesEMT. A continuación, se lleva a cabo el análisis de pequeña señal y se identifican losprincipales aspectos que afectan a la estabilidad de pequeña señal durante elfuncionamiento asimétrico. Además, se desarrolla un nuevo controlador que mejora laestabilidad del sistema durante el funcionamiento asimétrico en CC.
YR 2023
FD 2023-05
LK https://hdl.handle.net/10016/37526
UL https://hdl.handle.net/10016/37526
LA eng
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024