Understanding the Subsynchronous Oscillation Occurring in Offshore Wind Farm Converters Connected via HVDC

Abstract

Behovet for fornybar energi har ført til betydelige investeringer i offshore vindenergiteknologi. En teknologi som anses for å være et levedyktig alternativ for fremtiden, er høyspenning likestrømoverføring (HVDC). HVDC-transmisjon dreier seg om overføringskraft som likestrøm. Kommersielle vindturbiner (WT) genererer i dag likestrøm. For å sende vekselstrøm som likestrøm, må strømmen først konverteres fra vekselstrøm til likestrøm. For å konvertere strømmen fra vekselstrøm til DC kan en multimodulær omformer (MMC) brukes. En fordel med vekselstrøm er at strøm-spenningen forholdet (IV) kan endres med en transformator. Transformatorer er koblet mellom MMC og WT-ene for å redusere spenningen over WT-terminalen. Å kontrollere kraften produsert av en WT kan være en komplisert oppgave. For å forenkle kraftproduksjonen, kan WT fremstilles som en konstant likestrømskilde. For å kontrollere hvor mye strøm WT leverer til nettet, kobles en 2-nivå spenningskilde-omformer (VSC) til likestrøms-kilden. VSC er koblet til WT-terminalen. Likestrøm fra turbinen blir nå sendt gjennom omformeren, hvor den konverteres fra likestrøm til vekselstrøm. Vekselstrømmen sendes gjennom transformatorer der IV-forholdet endres. Vekselstrømmen konverteres deretter til likestrøm i MMC og leveres til nettet. Dette er en masteroppgave som vil beskrive denne operasjonen i detalj og vise hvordan strømkvaliteten varierer når strømmen som leveres av WT til nettet endres.

I denne oppgaven vises hvordan en VSC-omformer kan utformes for å kontrollere kraftutgangen og synkronisere til nettet ved hjelp av en PLL. Ved å analysere VSC i et tidsdomen observeres det harmonisk forvrengning (HD) i kontrolleren når man leverer 50 MW og 10MW til nettet. Det er også funnet at størrelsen på disse svingningene ikke er avhengig av kraftuttaket, da de forblir nesten like for 50MW og 10MW. Oppgaven viser en måte å kontrollere en MMC med og uten sirkulerende strømkontroll. Tester utført i både frekvens- og tidsdomene viser at ved å utelukke intern dynamikk ved å fjerne sirkulasjonsstrømstyringen er kontrolleren ikke i stand til å fungere i jevn tilstand i 50 MW. Ved å vurdere intern dynamikk med en sirkulerende strømkontroll er MMC i stand til å stille inn vekselstrømspenningen på WT-terminalen. Denne konklusjonen trekkes etter å ha testet MMC for 50 MW og 10MW, koblet til og koblet fra VSC. Også MMC-opplevelsen HD som påvirker stabiliteten. HD-ene kan være plassert når MMC er koblet til og koblet fra VSC. Ved å teste MMC uten å koble den til VSC, er det bevist at noe av HD stammer fra enten MMC-kontrollsystemet eller fra byttekomponentene. Når MMC og VSC blir sammenkoblet, øker THD for hele systemet, er det derfor sannsynlig at kontrollerne påvirker hverandre og gjør hverandre mer ustabile. Passive komponenter i transformatoren og transmisjonslinjen kan utformes for å filtrere ut noen HD-er.

The need for renewable energy has lead to substantial investment in offshore wind energy technology. One technology considered to be a viable option for the future is high-voltage direct current (HVDC) transmission. HVDC transmission revolves around transmitting power as direct current(dc). Commercial wind turbines (WT) today generate alienating current(ac). To send ac power as dc power the current must first be converted from ac to dc. To convert the power from ac to dc a multi modular converter (MMC) can be used. One advantage of ac power is that the current-voltage(IV) can be changed with a transformer. Transformers are connected between the MMC and the WTs to reduce the voltage across the WT terminal. To control the power produced by a WT can be a complicated task. To simplify the power production, the WT can be represented as a constant dc source. To control how much power the WT delivers to the grid, a 2-level voltage source converter (VSC) is connected to the dc source. The VSC is connected to the WT terminal. Dc power from the turbine is now sent through the converter, where it is converted from dc to ac. The ac power is sent through transformers where the IV ratio changes. The ac power is then converted to dc in the MMC and delivered to the grid. This is a master thesis that will describe this operation in detail and show how the power quality varies when power delivered by the WT to the grid change. In this thesis show how that a VSC converter can be designed to control the power output and synchronise to the grid by using a PLL. By analyzing the VSC in a time domain, it is observed harmonic distortion (HD) in the controller, when delivering 50MW and 10MW to the grid. It is also found that the magnitude of these oscillation are not dependent on the power output as they remain almost the same for 50MW and 10MW. The thesis shows a way to control an MMC with and without circulating current control. Tests performed in both frequency and time domain show that by excluding internal dynamics by removing the circulating current control is the controller unable to operate in steady state for 50MW. By considering internal dynamics with a circulating current controller is the MMC capable of setting the ac voltage at the WT terminal. This conclusion is drawn after testing the MMC for 50MW and 10MW, connected and disconnected to the VSC. Also, the MMC experience HD which influences stability. The HDs can be located when the MMC connected and disconnected to the VSC. By testing the MMC without connecting it to the VSC, it is proven that some of the HD originates at either the MMC control system or from the switching components. When the MMC and VSC become interconnected, the THD for the whole system increase, it is therefore likely that the controllers influence each other and make one another more unstable. Passive components in the transformer and the transmission line can be designed to filter out some HDs.