Control design for converters in modern power system

Abstract

(English) Dynamic behavior of modern power system is increasingly influenced by the dynamics of power converters. At the generation level, a high volume of wind and solar energy with their large-scale power converters are replacing conventional synchronous generators. At the transmission level, many High Voltage Direct Current (HVDC) projects based on Modular Multilevel Converter (MMC) technology are commissioned to transfer offshore wind to the load centers, interconnect two non-synchronous AC grids, or two different nodes of the same AC grid (as an embedded link) to enhance the security of supply. The consumption level also faces such high integration of power converters since the modern flexible loads, such as electric vehicles, industrial motor drives, and recent hydrogen electrolyzers, are connected to the power system via power converters. Such transformation in generation, transmission, and consumption levels leads to the power dynamics that have never been experienced before in the conventional power systems.

The high penetration of power converters may cause several challenges: reduction in the system total inertia and short-circuit current, excitation of undesirable interactions among control loops, reduction in stability margin, and loss of devices in the context of fault-ride through (FRT). Such challenges can be addressed by appropriate adjustments in the control systems of power converters. At the transmission level, this thesis focuses on improving the dynamic behavior of HVDC systems. A methodology is suggested to study the small-signal stability and evaluate potential interactions that may happen among control loops of two HVDC converter stations. Next, a multivariable controller based on H-inf design practice is developed to optimize the dynamic behavior of the system. As a follow-up study, mu-synthesis control approach is adopted to make HVDC control resilient against AC grid impedance variation. In the context of FRT performance, the fault operation of the HVDC system is improved by appropriate modification of the MMC control loops. Finally, a brief study on the DC voltage droop control design is conducted on a multi-terminal HVDC system.

At the generation level, this thesis investigates the dynamic behavior of grid-forming control during fault events in a low-strength power system. It investigates the complication related to the existing grid codes and suggests two FRT controls for AC voltage support during fault recovery.

As the last step, this thesis evaluates the feasibility of modern flexible loads to provide grid-forming services to the low-strength power grid. A hydrogen electrolyzer is used as an example and the operational constraints related to the hydrogen production are linked to the grid-forming functionalities.

(Català) El comportament dinàmic del sistema de potència modern està cada vegada més influenciat per la dinàmica dels convertidors de potència. A nivell de generació, un gran volum d'energia eòlica i solar amb els seus convertidors de potència a gran escala està substituint els generadors síncrons convencionals. A nivell de transmissió, molts projectes de corrent continu d'alta tensió (HVDC) basats en la tecnologia Modular Multilevel Converter (MMC) s'encarreguen de transferir l'eòlica marina als centres de càrrega o interconnectar dues xarxes de CA per millorar la seguretat del subministrament. El nivell de consum també s'enfronta a una integració tan alta dels convertidors de potència, ja que les càrregues flexibles modernes, com ara vehicles elèctrics, accionaments de motors industrials i electrolitzadors d'hidrogen recents, es connecten al sistema elèctric mitjançant convertidors de potència. Aquesta transformació en els nivells de generació, transmissió i consum condueix a una dinàmica de potència que mai s'havia experimentat abans en els sistemes de potència convencionals.

L'elevada penetració dels convertidors de potència pot provocar diversos reptes: reducció de la inèrcia total del sistema i de la potència de curtcircuit, excitació d'interaccions indesitjables entre llaços de control, reducció del marge d'estabilitat i pèrdua de dispositius en el context de fallada (FRT). Aquests reptes es poden abordar mitjançant ajustos adequats en els sistemes de control dels convertidors de potència.

A nivell de transmissió, aquesta tesi se centra en la millora del comportament dinàmic dels sistemes HVDC. Es proposa una metodologia per estudiar l'estabilitat del senyal petit i avaluar les interaccions potencials que poden passar entre els bucles de control de dues estacions convertidores HVDC. A continuació, es desenvolupa un controlador multivariable basat en la pràctica de disseny H-inf per optimitzar el comportament dinàmic del sistema. Com a estudi de seguiment, s'adopta un enfocament de control de sintetització-mu per fer que el control HVDC sigui resistent a les variacions en la impedància de la xarxa de CA. En el context del rendiment FRT, el funcionament de falla del sistema HVDC es millora mitjançant les modificacions adequades als bucles de control MMC. Finalment, es realitza un breu estudi sobre el disseny de control de caiguda de tensió de CC en un sistema HVDC multiterminal. A nivell de generació, aquesta tesi investiga el comportament dinàmic del control de formació de xarxa durant esdeveniments de falla en un sistema d'energia de baixa inèrcia. Investiga la complicació relacionada amb els codis de xarxa existents i suggereix dos controls FRT per al suport de la tensió de CA durant la recuperació de fallades.

Com a darrer pas, aquesta tesi avalua la viabilitat de càrregues flexibles modernes per proporcionar serveis de formació de xarxa a la xarxa elèctrica de baixa resistència. Com a exemple s'utilitza un electrolitzador d'hidrogen i les limitacions operatives relacionades amb la producció d'hidrogen estan vinculades a les funcionalitats de formació de la xarxa.

(Español) El comportamiento dinámico de los sistemas eléctricos modernos está cada vez más influido por la dinámica de los convertidores de potencia. A nivel de generación, un gran volumen de energía eólica y solar con sus convertidores de potencia a gran escala están sustituyendo a los generadores síncronos convencionales. A nivel de transmisión, se están encargando muchos proyectos de corriente continua de alta tensión (HVDC) basados en la tecnología de convertidores multinivel modulares (MMC) para transferir la energía eólica marina a los centros de carga, interconectar dos redes de CA no síncronas o dos nodos diferentes de la misma red de CA (como enlace integrado) para mejorar la seguridad del suministro. El nivel de consumo también se enfrenta a una integración tan elevada de los convertidores de potencia, ya que las cargas flexibles modernas, como los vehículos eléctricos, los accionamientos de motores industriales y los recientes electrolizadores de hidrógeno, se conectan al sistema eléctrico a través de convertidores de potencia. Esta transformación en los niveles de generación, transmisión y consumo da lugar a una dinámica de potencia nunca antes experimentada en los sistemas eléctricos convencionales.

La alta penetración de los convertidores de potencia puede causar varios retos: reducción de la inercia total del sistema y de la corriente de cortocircuito, excitación de interacciones indeseables entre los bucles de control, reducción del margen de estabilidad y pérdida de dispositivos en el contexto de la conmutación por fallo (FRT). Estos retos pueden abordarse mediante ajustes adecuados en los sistemas de control de los convertidores de potencia.

A nivel de transmisión, esta tesis se centra en mejorar el comportamiento dinámico de los sistemas HVDC. Se propone una metodología para estudiar la estabilidad de pequeña señal y evaluar las posibles interacciones que pueden producirse entre los lazos de control de dos estaciones convertidoras HVDC. A continuación, se desarrolla un controlador multivariable basado en la práctica de diseño H-inf para optimizar el comportamiento dinámico del sistema. Como estudio complementario, se adopta un enfoque de control mu-síntesis para que el control HVDC sea resistente a la variación de la impedancia de la red de CA. En el contexto del rendimiento FRT, se mejora el funcionamiento en fallo del sistema HVDC mediante la modificación adecuada de los bucles de control MMC. Por último, se realiza un breve estudio sobre el diseño del control de droop de tensión de CC en un sistema HVDC multiterminal.

A nivel de generación, esta tesis investiga el comportamiento dinámico del control de formación de red durante eventos de fallo en un sistema eléctrico de baja tensión. Investiga la complicación relacionada con los códigos de red existentes y sugiere dos controles FRT para el soporte de tensión de CA durante la recuperación de fallos.

Como último paso, esta tesis evalúa la viabilidad de las cargas flexibles modernas para proporcionar servicios de formación de red a la red eléctrica de baja potencia. Se utiliza como ejemplo un electrolizador de hidrógeno y se relacionan las restricciones operativas relacionadas con la producción de hidrógeno con las funcionalidades de formación de red.