Detection and Protection strategy for a modular HVDC generator

Abstract

Ettersom en økt del av verdens elektrisitetsproduksjon produseres av fornybare energikilder (RES), et nytt alternativ for kraftdistribusjon over lange avstander kalt supernett er foreslått av EU. Disse er basert på likestrøm med med høye spenningsnivåer (HVDC) og gjør det mulig å transportere høyere volum av RES over store avstander. Denne oppgaven vurderer et nytt konsept basert på en modulær HVDC (ModHVDC) generator som foreslår et transformatorfritt konsept med ett enkelt konverteringstrinn for å oppnå 100 kV på utgangen. Denne teknologien tar sikte på å være en løsning på et av de viktigste innovasjonshullene når det gjelder offshore vindkraft, som er å redusere kostnadene og redusere risikoen knyttet til overføring og distribusjon av elektrisitet.

Denne oppgaven tar spesielt sikte på å fylle noen av kunnskapshullene innen feil og beskyttelse med hensyn til dette nye konseptet. Den segmenterte maskinen introduserer noen nye feilsituasjoner som må undersøkes grundig før et kommersielt produkt kan oppnås. Det er lite eller ingen kjent litteratur om dette emnet, og tre valgte forskningsmål ble derfor valgt som utgangspunkt. En simuleringsmodell er laget i Simulink som modellerer modHVDC-generatoren med flere statorsegmenter og tilhørende omformermoduler. Basert på modell- og kretsanalyse blir det utført en feilanalyse av modul-til-modul- og modul-til-jord-feil for å undersøke alvorlighetsgraden av disse feilene. En oversikt over de forskjellige feilene som kan oppstå for denne maskinen og en innledende beskyttelsesstrategi presenteres. Som en del av beskyttelsesstrategien foreslås en bypass-løsning som et alternativ for å isolere defekte moduler og dermed oppnå videre drift av resterende moduler.

På grunn av sin enkle struktur bruker simuleringsmodellen en enkel to-nivå omformer topologi (2L-VSC) for hvert statorsegment. Imidlertid er denne topologien sårbar for DC-feil som stiller spørsmålet om hvilken omformertopologi som er best egnet for dette konseptet. En litteraturstudiet er gjort for å få en oversikt over forskjellige MMC-topologier med fokus på deres evne til å håndtere feil. I tillegg er noen nye eksperimentelle metoder for å oppnå håndtering av DC-feil beskrevet. Selv om disse topologiene ikke er implementert som en del av simuleringsmodellen, fungerer de som forslag til videre forskning.

Den foreslåtte strategien gir en innledende løsning basert på de undersøkte feilmodusene. Siden det er flere feil situasjoner som må utforskes, må forslaget sees på som et forslag til videre arbeid. Resultatene illustrerer imidlertid behovet for en strømbegrensende reaktor for å begrense feilstrøm for de anvendte RLC-parametrene. Skjønt på bekostning av raskere spenningsøkning på berørte DC-koblinger. Dette støtter forslaget om å bruke en hurtigvirkende solid state-bryter i bypass for å redusere varmetapet. Resultatene støtter også den foreslåtte bruken av sikringer eller brytere på de flytende DC-spenningstilkoblingene, da dette har en betydelig og positiv innvirkning på varmetap i bypass resistoren.

As an increased portion of the world's electricity production is being produced by Renewable Energy Sources (RES), an alternative for power distribution over long distances called super grids is proposed by the EU. These are based on high voltage direct current (HVDC) and allows for higher volumes of RES to be transported across large distances. This thesis considers a new concept based on a modular HVDC (ModHVDC) generator that proposes a transformer-less concept with one single conversion step to achieve 100 kV HVDC on the output. This technology aims to be a solution to one of the main innovation gaps in regards to offshore wind power, which is to drive down costs and lower risk related to the transmission and distribution of electricity.

This thesis specifically aims to fill some of the knowledge gaps within the field of faults and protection regarding this new concept. The segmented machine introduces some new failure modes that needs to be investigated before a commercial product can be achieved. There is little to no known literature on this topic and thus three predefined research objectives were chosen as a starting point. A simulation model is made in the Simulink environment that models the modHVDC generator with multiple stator segments and corresponding converter modules. Based on the model and circuit analysis, fault analysis of module-to-module and module-to-ground faults are conducted to investigate the severity of these faults. An overview of the different faults that can occur for this machine and an initial protection strategy is presented. As a part of the protection strategy, a bypass solution is proposed for isolating faulty modules and achieve redundant operation.

Due to its simple structure, the simulation model utilizes a designated two-level voltage source topology for each stator segment. However, this topology is vulnerable to DC faults which pose the question of which converter topology that is best suitable for this concept. A literature review is conducted to get an overview of different MMC topologies with a focus on their fault handling capabilities. In addition, some new experimental methods for achieving DC-fault handling capabilities are described. Although these topologies are not implemented as a part of the simulation model, they act as suggestions for further research.

The proposed protection strategy provides an initial solution based on the investigated failure modes. As there is additional failure modes that need investigation, the proposal must be seen as a suggestion for further work. However, the results illustrate the need for a current limiting reactor to limit fault current for the applied RLC parameters. Although at the expense of faster voltage rise time on the affected DC-links. This supports the suggestion of applying a fast-acting solid-state switch in the bypass in order to mitigate the heat dissipation. The results also support the proposed use of fuses or breakers on the floating DC voltage connections, as this has a considerable and positive impact on bypass heat dissipation.