Experimental verification of control methods for series connected VSCs applied to a modular HVDC power train for offshore wind

Abstract

I denne avhandlingen har strømkontroll og spenningsbalanseringskontroll av serie koblede modulære spenningskildeomformere (VSC) blitt testet eksperimentelt og gjennom simuleringer. Forskingen gjort i sammenheng med denne avhandlingen er en fortsettelse av tidligere forskning utført på et HVDC-krafttogs konsept for offshore vindturbiner. Dette konseptet har fått kallenavnet ModHVDC og er basert på en høyspennings generator med isolerte stator segmenter som hver er koblet til en individuell spenningsomformer. Spenningsomformerne er så koblet i serie på DC siden for å skape høy spenning for HVDC transmisjon. Det foreslåtte kontrollsystemet er basert på feltorientert vektorkontroll i dq0 planet, med en kaskade struktur som inneholder en indreløkke med strømkontroll og ytre løkke spennings balanserings kontroll. Hver modul har en modulnivåkontroller, som er identisk i alle moduler for å opprettholde modularitetsprinsippet.

Målet med denne avhandlingen er å verifisere gjennomførbarheten av den foreslåtte DC spenningsbalanseringskontrollalgoritmen, mens man benytter forskjellige strategier for å begrense spenningskontrollerens handlingsrom i forhold til systemets maksimale strømtoleranse. Simuleringer av et to-modul-system er utført i Simulink med en modell som inneholder både modul(slave)-nivå kontroll og turbin(master)-nivå kontroll. For den eksperimentelle verifiseringen av modulnivå kontrollsystemet, ble et småskala to-modul laboratorieoppsett utviklet som en del av arbeidet gjort i denne avhandlingen. Laboratorieoppsettet etterligner de segmenterte statorviklingene til generatoren ved bruk av to trefasetransformatorer. Transformatorene er matet av hver sin nett-tilkoblede variable transformator. De to spenningsomformerne er styrt av et embedded-system som er basert på mikrokontrollere fra Texas Instruments. Simuleringer av laboratorieoppsettet ble utført parallelt med utviklingen av lab oppsettet.

Resultatene fra både simulering og den eksperimentelle verifiseringen demonstrerte nøyaktig referansesporing fra både den indreløkke strømkontrolleren og den ytreløkke spenningsbalanserings kontrolleren. Det var imidlertid umulig å implementere master-nivå-settpunkt spenningsreferansekontroll i laboratoriet. Derfor ble det observert en liten stasjonær feil i DC spenningen relativt til referansen. Dette er kritisk på grunn av integraloppbygging over tid. Alle spenningsbalanseringsstrategiene som ble utforsket viste seg å være gjennomførbare når det gjelder stabilitet og nøyaktig referansesporing. Men det må utføres mer forskning for å fastslå om strategiene er økonomisk og praktisk gjennomførbare i et fullskala system.

In this thesis, current control and voltage balancing control of series-connected modular voltage source converters applied to a generator with isolated three-phase segments have been verified experimentally and through simulations. The research done in this thesis is a continuation of previous research done on an HVDC power train concept for offshore wind turbines called ModHVDC. The proposed control method is based on vector field-oriented control in the dq0 plane. The control system has a cascade structure with inner loop current control and outer loop voltage control. Each module has its own module-level controller, which is identical in all modules to uphold the modularity principle.

The objective of this thesis is to verify the feasibility of the proposed DC voltage balancing control algorithm while employing different strategies for saturating the voltage controller output in relation to the system ratings. Simulations on a two-module system have been performed in Simulink. Firstly on a simulation model containing both module(slave)-level control and turbine(master)-level control, in order to verify appropriate interaction between the two control levels. For the experimental verification, a small-scale two-module lab setup was developed. The lab setup emulates the segmented stator windings of the generator through two three-phase transformers, each connected in series with its own grid-connected variable transformer. The VSCs are controlled by a microcontroller-based embedded system. Additionally, simulations of the physical lab setup were conducted in parallel with the development of the lab in order to verify the obtained experimental results.

The results from both simulation and experimental verification showed accurate reference tracking by the inner loop current controller and the outer loop voltage balancing. However, in the lab having a master-level set point voltage reference controller was impossible, therefore, a fixed reference was used instead. This resulted in a small steady-state error which is detrimental over time due to integral windup. The voltage balancing strategies explored were all shown to be feasible in terms of stability and accurate reference tracking, however, more research has to be done in order to ascertain whether the strategies are economically and practically viable in a full-scale system.