| dc.description.abstract | Utnyttelse av fornybare energikilder er av største betydning for å oppnå de bærekraftige utviklings- målene som er satt av FN. Av disse energikildene har havvind et betydelig potensiale. For å utnytte dette potensialet må vindparker til havs øke i størrelse. Med en utvidelse av offshore kollektornettet øker lengden på havkabler og antall transformatorer og kraftelektroniske enheter. Dette gir systemoperatører to sammenvevde utfordringer. Den første utfordringen er det faktum at kraftelektroniske enheter, som omformere, påvirker kraftsystemets dynamikk og stabilitet. Den andre er at kabler, transformatorer og vindturbingeneratorer introduserer mer kapasitans og induktans til et system, noe som senker resonansfrekvensen til det respektive systemet.
Dynamikken mellom senket resonansfrekvens og økt antall kraftelektroniske enheter kan forårsake stabilitetsproblemer i svake AC-nett, for eksempel offshore-kollektor-nett. Dette legger grunnlaget for Harmonisk Resonansanalyse som kan brukes til å undersøke impedansinteraksjonen mellom de installerte omformerne og nettet. Dog, en betydelig utfordring knyttet til harmonisk resonansanalyse er behovet for impedansrepresentasjoner for nettet og omformeren. Kontrollstrukturen og parameterverdiene til omformerne påvirker frekvensresponsen. Derfor, for å få en nøyaktig impedansmodell for de respektive omformerne, er full innsikt i kontrolleren nødvendig. Dog, dette er ikke utlevert informasjon fra produsentene av omformerne på grunn av etterretningseiendom.
Denne avhandlingen beskriver forskjellige metoder interessenter i kraftsystemet kan bruke for å utføre Harmonisk Resonansanalyse. En av disse metodene, nemlig Voltage/Current Perturbation Technique, blir vellykket brukt på en offshore vindparkmodell, modellert med Type-IV turbiner, i PSCAD. Teknikken muliggjør utledning av frekvensresponsen til omformeren uten å ha kjennskap til kontrollerstrukturen.
Når omformer- og nettimpedansene er utledet, blir samspillet mellom de to analysert. Det er avdekket at, avhengig av forskjellen i fasevinkler, skjæringspunktet mellom størrelsen på omformer- og nettimpedansene resulterer i en ekvivalent resonansfrekvens. I tillegg er det funnet, ved å sammenligne en enkeltstrenget vindpark med en 100-strenget vindpark, at utvidelsen av kollektornettet reduserer den første ekvivalente parallelle resonansen mellom omformer- og nettimpedansene. For en enstrengs vindpark er den første ekvivalente parallelle resonansfrekvensen funnet å forekomme ved 710 Hz. Om antall strenger økes til 100, forekommer den korresponderende resonansfrekvensen ved 280 Hz. Dette tilsier at stabilitetsregionene til et system er sterkt avhengig av systemtopologien. De mulige samspillene mellom omformerimpedanser og forskjellige systemtopologier blir derfor diskutert. Denne oppgaven understreker dermed behovet for Harmonisk Resonansanalyse.
Virkningen av kontrollparametere på omformerens frekvensrespons blir deretter undersøkt. Dette forsøkes ved å innføre tidsforsinkelser i strøm-kontrolleren på omformeren som ligger på nett-siden. Dessverre er ingen endring i impedanse registrert. Tidsforsinkelsen skulle ha resultert i frekvensområder der omformeren viser negativ demping. Hvis en resonansfrekvens sammenfaller med et negativt dempet frekvensområde, vil systemstabiliteten bli ytterligere forverret. Den mest sannsynlige årsaken til det mislykkede forsøket er bruken av en allerede eksisterende kontrollermodell laget av PSCAD.
Når ustabile frekvensområder avdekkes for en systemoperatør, kan det være av interesse å redusere de oppdagede resonansene og potensielle negative dempningseffektene. Som en konsekvens presenteres mulige implementerbare tiltak, som passive og aktive filtre, i denne oppgaven, og fordelene ved hvert alternativ blir diskutert. | |
| dc.description.abstract | To achieve the sustainable development goals set by the UN, the utilization of renewable energy sources are of paramount importance. Of these energy sources, offshore wind has a substantial potential. To utilize this potential, offshore wind farms have to increase in size. With an expansion of the offshore collector grid, the length of subsea cables and the number of transformers and power electronic devices increase. This presents system operators with two interweaved challenges. The first is the fact that power electronic devices, such as converters, affect the power system dynamics and stability. The other challenge is that cables, transformers and wind turbine generators introduce more capacitance and inductance to a system, which lowers the resonance frequency of the respective system.
The dynamic between a lowered resonance frequency and increased number of power electronic devices may cause stability issues in weak AC grids, such as offshore collector grids. This lays the foundation for Harmonic Resonance Analysis, which can be used to investigate the impedance interaction between the installed converters and the grid. Although, a substantial challenge related to Harmonic Resonance Analysis is the need for impedance representations of the grid and converter. The control structure and parameter values of the converters affect its frequency response. Therefore, in order to get an accurate impedance model of the respective converters, full insight into the controller is necessary. Although, this is not disclosed information by the manufacturers of the converters due to intelligence property.
In this thesis, the Harmonic Resonance Analysis technique named Current/Voltage Perturbation Technique is successfully used on an offshore wind farm model, utilizing Type-IV turbines, in PSCAD. This technique reveals the frequency response of the collector grid and the grid-side converter. The technique enables inclusion of the dynamic behavior of the converter, without having the knowledge of the controller structure. The issue related to converter manufacturers not revealing intelligence property can therefore be resolved by implementing this Harmonic Resonance Analysis technique.
Once the converter- and grid impedances are derived, the interaction between the two are analyzed. It is revealed that, depending on the difference in phase angles, the intersection between the magnitudes of the converter- and grid impedances results in an equivalent resonance frequency. In addition, by comparing a single-string wind farm to that of a 100-string wind farm, it is found that the expansion of the collector grid reduces the first equivalent parallel resonance between the converter- and grid impedances. For the single-string wind farm, the first equivalent parallel resonance frequency is found to occur at 710 Hz. Although, when the number of strings are increased to 100, the corresponding resonance frequency occurs at 280 Hz. This implies that the stability regions of a system is heavily dependent on the system topology. The possible interactions between converter impedances and different system topologies is therefore discussed. Consequently, this thesis fortifies the need for Harmonic Resonance Analysis.
The impact of control parameters on the converter frequency response is then examined. This is attempted by introducing time delays into the current controller on the grid-side converter. Unfortunately, no change in impedance is registered. The time delay should have resulted in frequency ranges where negative damping is exhibited by the converter. If a resonance frequency coincides with a negatively damped frequency range, the system stability would be further worsened. The most probable reason for the failed attempt is the use of an already existing controller model made by PSCAD.
When unstable frequency ranges are revealed to a system operator, it may be of interest to mitigate the discovered resonances and potential negative damping effects. As a consequence, possible implementable measures, such as passive and active filters, are presented in this thesis and the merits of each option is discussed. | |
