Control Design of a Low-Cost Hybrid Converter for HVDC Connection of Offshore Wind Farms

Abstract

Havvind er sett på som en av de mest lovende teknologiene for å øke produksjonen fra fornybare energikilder, men så langt har utviklingen vært begrenset av høye kostnader. I det siste har nye havvindprosjekter blitt større og er ofte lokalisert lengre fra kysten. På grunn av dette har det blitt mer lønnsomt og relevant å bruke HVDC overføring med VSC- omformere. Denne masteroppgaven tar for seg en ny omformer-topologi som kombinerer en VSC med en diode likeretterbro (DR). Det er ønsket å se om denne kombinasjonen kan utnytte den lave kostnaden og høye effektiviteten fra diode likeretteren og samtidig beholde kontrollegenskapene fra VSCen. Hybrid omformeren består av en 12-puls diode likeretter som er seriekoblet med en VSC på DC siden. Denne hybridomformeren vil bli brukt på offshore siden, mens en vanlig VSC blir brukt på landsiden.

Hovedutfordringen med dette systemet er at VSCen på offshore siden må utføre flere kontrolloppgaver samtidig: den skal forme offshore AC nettet, regulere effektbalansen mel- lom omformerene i hybrid-konfigurasjonen, filtrere karakteristiske harmonsiske fra diode- likeretteren og kompensere for reaktivt effekttap i diode-likeretteren. Her er det foreslått et reguleringssytem hvor VSCen bruker en dobbel løkke regulering av AC spenningen i dq-roterende referansesystem. VSCen brukes også som et aktivt effektfilter (APF) for å filtrere harmoniske komponenter i strømmen. Transformatorer som er koblet til hver av omformerene brukes til å bestemme effektbalansen mellom omformerkomponentene, med å utnytte at AC og DC spenningen for en diode likeretter er proporsjonale. Kompenseringen av reaktiv effekt skjer automatisk fra enten VSCen eller VSCer i turbinene dersom ingen andre kilder til reaktiv effekt er tilkoblet. På landsiden kontrollerer VSCen DC spenningen i HVDC linken og den reaktive effekten som leveres til strømnettet.

Reguleringssystemet var først laget og implementert der VSCen var satt til å være 1/2 av den totale aktive merkeeffekten til hybridomformeren. Simuleringer i PSCAD/EMTDC har verifisert at denne omformeren kan oppfylle kontrollmålene. Det aktive filteret klarte å fullstendig eliminere de filtrerede komonentene, den 11th og den 13th, fra strømmen offshore. Det ble deretter testet om det var mulig å minke den relative størrelsen på VSCen for å redusere kostnaden ytterligere. Gjennom simuleringer ble det vist at størrelsen på VSCen kunne reduseres til 1/4 av den totale merkespenningen og systemet forble stabilt. Dette er en mindre VSC enn hva som har blitt brukt i tidligere studeier, hvor den minste størrelsen har vært 1/3 av total merkespenning.

Det trengs fremdeles mer arbeid for å bestemme stabilitetsgrensene og den optimale størrelsen av VSCen. Alt i alt viser resultatene, både fra kontrollsystemet, fra det aktive filteret og fra den reduserte størrelsen av VSCen, gode indikasjoner på at den foreslåtte topologien kan redusere kostnadene og effekttapene i HVDC, og fremdeles oppfylle alle de definerte kontrolkravene.

Offshore wind is considered one of the most promising technologies to increase the en- ergy production from renewable energy sources, but one main limitation is the high cost. Recently, HVDC connections with voltage source converters (VSCs) have become more relevant for offshore wind as the wind farms are increasing in size and are moved further offshore. In this master thesis a new converter topology combining a VSC with a diode rectifier (DR) is studied. This combination aims to combine the low cost and high efficiency of the DR with the flexible operation of the VSC. The hybrid topology consist of a VSC connected in series with a 12-pulse VSC on the DC side. The hybrid VSC-DR will be used on the offshore side, while a conventional VSC is used on the onshore side of the HVDC-link.

The main challenge of this system is to control the offshore VSC to manage several tasks simultaneously: forming the AC grid, balance the active power between the converter types, cancel characteristic harmonics from the DR and deliver reactive power compensation to the DR. In this thesis, a control system is proposed where the offshore VSC has a cascaded control of the AC voltage in synchronous reference frame. The VSC is also controlled to have active power filter control loops to filter harmonics for the DR. The design of the transformer ratios is used to determine the power sharing between the VSC and the DR. The reactive power compensation is automatically fulfilled from either the turbine converter or the VSC if no other reactive power source is added. The onshore VSC controls the DC voltage in the HVDC link and the reactive power flow to the grid.

The control system was first developed and implemented when the hybrid converter consisted of 1/2 VSC and 1/2 DR of the full power rating. This rating was chosen because it is easier to develop a control system with a larger VSC. The performance was verified through simulations in PSCAD/EMTDC and fulfils the defined control objectives. The active power filter was able to completely eliminate the filtered components - the 11th and the 13th, harmonics in offshore current. It was later attempted to decrease the size of the VSC to further improve cost savings from the DR. It was shown through simulations that the size of the VSC could be reduced to 1/4 of the full power rating and still have a stable offshore AC grid. This is a smaller VSC than what have been reported in earlier studies, where the smallest have been 1/3. More work should still be carried out to examine the impact of the VSC size on the stability and performance of the system to find an optimal sizing.

All in all the results from the control system, the active power filter and the reduced size of the VSC show positive indications that the proposed topology could reduce the cost and losses of HVDC, and still perform according to the control objectives.