Control and application of VSC-HVDC systems for grid connection

Fu, Xiao Fan (2016). Control and application of VSC-HVDC systems for grid connection. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Renewable energy sources with power generation are becoming increasingly distributed with generation facilities located far away from load centers. It is necessary to find a suitable transmission way to deliver power from power generation centers to different AC systems or between AC systems. From the technical and economical viewpoint, VSC-HVDC transmission has a number of potential advantages and applications. For example, VSCHVDC can control the active and reactive power independently and the power flow reversal happens without changing the voltage polarity; it can supply for the passive load and can operate without massive AC filters; Moreover, VSC-HVDC can be used in different locations such as large offshore or onshore wind farms and solar plants or other industrial installations.

This work focuses on the control and application of VSC-HVDC system. Firstly, in order to further exploit the benefits of VSC-HVDC system and improve its dynamic performance, three different control schemes are implemented and compared under the same conditions in the VSC-HVDC transmission system. Their advantages and disadvantages are described in detail. A two-terminal VSC-HVDC system is developed in MATLAB/SPS and the dynamic performance of the system is evaluated during system startup, grid voltage sags, and power reversal. The simulation results show that the implemented control schemes for VSC-HVDC system can improve dynamic performance during the aforementioned events. Different control schemes have different responses in the system performance. Thus, we can choose different control schemes according to the system control requirements and applications and the proposed abc-axis deadbeat control scheme provides a high performance control solution to the VSC-HVDC system.

As for the application of VSC-HVDC system to UHVDC transmission, currently most of converter stations for UHVDC operation in the existing projects are thyristor-based converter stations, which are usually constituted of series connection of two 12-pulse bridges of 400 kV each with a rated DC voltage of 800 kV per pole. Innovative solutions have been implemented to fully meet the extended requirements for ultra-high voltage bulk power transmission using thyristor-based converters. However, it has some disadvantages as well, such as facing the risk of commutation failure, power reversal taking place by reversal of current direction, reactive power, and active power being not able to be controlled independently, and requirements of costly DC-side and AC-side filters. In order to address those problems, VSC-based UHVDC technology is proposed. It examines the feasibility of connecting four voltage source converter (VSC) HVDC stations, each rated at 200 kV DC voltage, in series to form a pole UHVDC of 800 kV DC voltage. Different demanding tests such as step active and reactive power test and reversal of direction power flow test are implemented, and the feasibility is demonstrated by means of simulations using MATLAB/SPS.

Titre traduit

Contrôle et application des systèmes VSC-HVDC pour connexion au réseau électrique

Résumé traduit

Aujourd’hui, des centres de production de l’énergie électrique à partir de sources d’énergie renouvelable sont de plus en plus répandus et éloignés des centres de charge. Il est nécessaire de trouver un moyen de transmission approprié pour transmettre de la puissance des centres de production aux systèmes à courant alternatif ou entre les systèmes. Du point de vue technique et économique, la transmission VSC-HVDC comporte un certain nombre d'avantages potentiels et de multiples applications. Par exemple, le système VSC-HVDC peut contrôler la puissance active et réactive de façon indépendante et réaliser l'inversion du flux de puissance sans changer la polarité de la tension; Il peut aussi fournir la charge passive et fonctionner sans de gros filtres CA; Il peut être utilisé dans des endroits différents des centres de production de l’énergie telles que dans les grands parcs éoliens en mer ou sur terre, dans les installations solaires ou dans d'autres installations industrielles.

Ce travail traite du contrôle et de l'application des systèmes VSC-HVDC. Tout d'abord, afin d'exploiter les avantages du système VSC-HVDC et d'améliorer la performance dynamique du système, trois différents systèmes de contrôle sont mis en œuvre et comparés dans les mêmes conditions dans le système de transmission VSC-HVDC. Leurs avantages et inconvénients sont décrits en détail. Le modèle d’un système VSC-HVDC de deux bornes est développé avec MATLAB / SPS et la performance dynamique du système est évaluée au cours du démarrage du système, des chutes de tension et des évènements d'inversion de puissance. Les résultats de simulation montrent que ces trois systèmes de contrôle pour le système VSC-HVDC peuvent améliorer la performance dynamique lors des évènements cidessus. Des systèmes de contrôle différents ont des effets différents sur la performance du système. Ainsi, il est possible de choisir le système de contrôle en fonction des exigences, et des applications de contrôle du système et le projet abc axe contrôle deadbeat dans le schéma fournit une solution de contrôle de haute performance pour le système VSC-HVDC.

En ce qui concerne l'application du système VSC-HVDC transmission UHVDC, actuellement la plupart des stations de conversion pour les opérations UHVDC dans les projets existants sont des stations de conversion basées sur des thyristors, qui sont communément constitués d’une connexion série de deux ponts à 12 impulsions avec 400 kV de tension nominale chacune donnant une tension nominale de 800 kV par pôle. Des solutions innovantes ont été mises en œuvre pour répondre pleinement aux grandes exigences pour la transmission de puissance en ultra haute tension au moyen des stations de conversion à thyristors. Cependant, ce système présente quelques inconvénients tels que des risques de défaut de commutation, l'inversion de puissance exigeant l’inversion du sens du courant, la puissance réactive, la puissance active ne pouvant pas être contrôlée de façon indépendante,et l'exigence de filtres coûteux du côté CC et CA. Afin de remédier à ces problèmes, la technologie UHVDC basée sur VSC est tout d'abord proposée. Elle examine la possibilité de la connexion série de quatre stations HVDC basée sur VSC, avec une tension 200 kV DC chacune, pour former un pôle de tension de 800 kV DC. Des tests exigeants tels que ceux de puissance active et réactive et de l'inversion de direction d'écoulement de puissance sont mis en œuvre, et la faisabilité est démontrée par des simulations en utilisant le logiciel de MATLAB / SPS.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 93-100.
Mots-clés libres:	Convertisseurs électriques. Réseaux électriques d'interconnexion. Intégration des énergies renouvelables. Électricité Distribution Haute tension. Électricité Transport Courant alternatif. Convertisseurs électriques Simulation par ordinateur. HVDC, VSC, VSC-HVDC, contrôle deadbeat, performances dynamiques, UHVDC, connexion en série, tension continue égalisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dessaint, Louis-A.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 mars 2017 14:13
Dernière modification:	22 mars 2017 14:13
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1844

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