Modeling MMC Energy Dynamics in Offshore HVDC Systems Using OpenModelica

Abstract

Mengden installert havvind har steget kraftig de siste 10 årene. Med fortsatt vekst vil havvind gi betydelig bidrag til at vi kan nå internasjonale klimamål om ren, fornybar energi. Som følge av maritim plassplanlegging og høyere vindhastigheter bygges havvind lengre og lengre fra kysten. Store avstander stiller krav til systemene for krafttransport til land. For å oppnå effektiv krafttransport benyttes derfor høyspent likestrøm (HVDC) systemer i kombinasjon med modulære flernivå omformere, såkalte MMC-topologier. For å forstå hvordan disse komplekse systemene påvirkes av ulike variabler, er nøyaktige simuleringer uhyre viktig. Slike analyser krever bruk av spesialiserte dataprogrammer, som gir mulighet for detaljert modellering av systemets dynamiske egenskaper. I denne avhandlingen er OpenModelica, som er en åpen-kildekode programvare blitt benyttet for å simulere effektdynamikk knyttet til MMC’ene i et HVDC system. Det blir demonstrert at OpenModelica er et velgenet verktøy for slike studier, gjennom tester av to avgjørende egenskaper ved programvaren. Det første omhandler programvarens evne til å presist simulere system preget av relativt høyfrekvent dynamikk. For å oppnå dette ble en to-nivå omformer med en bryterfrekvens på 10 kHz simulert i OpenModelica. Den produserte dynamikken ble sammenlignet med data fra tilsvarende analyser med den veletablerte programvaren MATLAB Simulink. Det viste seg at dynamikken produsert i OpenModelica var meget lik den observert i MATLAB Simulink. OpenModelicas pålitelighet og robusthet i slike analyser ble også undersøkt. Den andre vesentlige egenskapen ved OpenModelica som ble undersøkt, var i hvilken grad modeller utviklet i programvaren lot seg integrere i systemer simulert av sanntidsstimulatorer. For å demonstrere dette ble to modeller utviklet i OpenModelica integrert i system simulert ved simuleringsystemet OP5700 ved bruk av sanntidsimulatoren ePHASORsim. I avhandlingen gis en nøyaktig beskrivelse av hvordan slik integrering kan oppnås. Ved å bruke OpenModelica er der undersøkt hvordan MMCens energilagringsevne kan forbedre effektdynamikken i et HVDC system. Denne undersøkelsen ble gjort ved å studere to scenario som var særlig forskjellig i varighet og energikrav. Ved å velge scenario på en slik måte ble det forsøk å demonstrere hvilke egenskaper som preger MMCen for å legge et beslutningsgrunnlag for hva denne energien bør brukes til. Det første scenariet undersøker MMCens evne til å utjevne effektvariasjoner som følge av turbinakselerasjon når vindhastigheten overstiger nominell verdi. Her vises det at påvirkningen av MMCen kan ignoreres for de fleste dynamikker, men at den relative påvirkningen øker jo kortere effektutslagene er, og at varigheten helst begrenses til to sekunder. I det andre scenariet ble det forsøkt å redusere responstiden til et HVDC system ved et steg i effektreferansen ved bruk av energien lagret i en MMC. Det ble vist at responstiden kunne reduseres med en faktor 32 ned til et par millisekund. Disse karakteristikkene demonstrerer at MMCens energilagringskapasitet best benyttes til å jevne ut effektvariasjoner hvis varighet spenner fra millisekund til 2 sekund. Videre ble det undersøkt om koblingen mellom DC-spenningen og energien lagret i omformeren kan reduseres ved bruk av et feed-forward signal. Det ble vist at utvidelsen av regulatoren til å inkludere et slikt singal reduserte stegresponstiden med en faktor 3 og at oscillasjoner nærmest forsvant helt for både DC-spenningen og MMC-energien. Med håp om felles akademisk fremgang uten sosioøkonomiske grenser har alle modeller utviklet i denne avhandlingen blitt gjort tilgjengelig for alle [1].

Our need for clean, renewable energy causes offshore wind to constitute an increasing fraction of our energy mix. Due to considerations of maritime spatial planning and higher wind speeds, the distance to shore increases. This makes modular multilevel converter (MMC) based HVDC systems the superior transmission choice. Because these transmission systems are often large and complex, analyses of the dynamics characterizing them are necessary. Such analyses must be conducted by the use of specialized software that can reproduce the system behavior with sufficient precision. This thesis uses the open source OpenModelica tool to investigate the power dynamics related to the MMC in offshore HVDC systems. The thesis also demonstrates the suitability of the software for such purposes in two regards. Firstly, it is shown that the software can accurately model systems that are characterized by relatively high-frequency dynamics. This is done by modeling a 10kHz two-level voltage source converter (2L-VSC) in OpenModelica and a benchmark software, MATLAB Simulink. The comparison showed that OpenModelica accurately captured all dynamics of interest as well as provide insight into its trustworthiness and computational resilience. Secondly, it is demonstrated that models developed in OpenModelica can be integrated into systems which are modeled using real-time simulation software (ePHASORsim) and real-time simulation hardware (OP5700). How this integration must be executed is described in this thesis. Using OpenModelica, the thesis aims to investigate how the energy storage capability of the MMC can improve the power dynamics of an HVDC system. This is investigated in two scenarios that differ in duration and energy requirement. In doing so, it is attempted to demonstrate the characteristics of the MMC’s storage capability, which might provide guidelines for determining how this energy should be appropriately used. The first scenario studies the MMC’s impact on turbine dynamics caused by wind speed fluctuations around the turbines rated wind speed. It is attempted to smoothen out power fluctuations that arise from the acceleration and deceleration of the turbine rotor upon crossing the rated wind speed. It is demonstrated that the improving impact of the MMC in this regard is almost always negligible, but that the relative impact improves with fluctuation brevity, ideally lasting no longer than two seconds. In the second scenario, it is attempted to reduce the response time of the HVDC system to a step in power reference by utilizing the stored MMC energy. Here, it is shown that the response time is reduced (by a factor of 32) down to a couple of milliseconds. These characteristics demonstrate that the MMC’s energy storage capability is best used to counteract power fluctuations in the range of milliseconds to two seconds when the magnitude of the variations are in percent of the rated MMC power. Moreover, because of the coupling between the stored energy in the converter and the DC voltage, a controller is developed to reduce this coupling by using a feed-forward term in the voltage controller. It is showed that when this control is implemented, the step response time of both the DC voltage and the zero-sequence energy sum is reduced by a factor 3 and that oscillations are almost perfectly removed. In the spirit of joint academic and industrial progress without socioeconomic borders, all models developed in this thesis have been made publicly available [1].