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Investigating converter control interactions in the transmission grid = Untersuchung von regelungsinduzierten Wechselwirkungen von Umrichtern im Übertragungsnetz
2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05940
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820931/files/820931.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HVDC (frei) ; MMC (frei) ; converter-driven stability (frei) ; harmonic stability (frei) ; impedance-based analysis (frei) ; interactions (frei) ; transmission system (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die zunehmende Integration von HGÜ-Systemen in das Übertragungsnetz hat zur Folge, dass durch die ansteigende Anzahl an HGÜ-Umrichtern diese auch die Systemstabilität beeinflussen. So wurde gesehen, dass Umrichter und ihre Regelungssysteme mit dem angebundenen Drehstromnetz in Wechselwirkung treten können mit der Folge, dass Strom und Spannung Oszillationen mit hoher Amplitude abseits der Netzfrequenz aufweisen. Um Systemausfälle zu verhindern, müssen diese Wechselwirkungen bereits in der Planungsphase von HGÜ-Systemen identifiziert werden. Ein vielversprechender Ansatz ist hierzu die Untersuchung im Frequenzbereich mittels Impedanzmodellen. Hierfür werden oft analytische Modelle herangezogen. Da diese jedoch ein vollumfängliches Wissen des Umrichters und insbesondere des Regelungssystems voraussetzen, können diese aus Sicht eines Netzbetreibers nicht herangezogen werden, um Herstellerumrichter abzubilden. Aufgrund dessen wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die auch auf Blackbox-Systeme und aufgrund der Echtzeitsimulationsfähigkeit auch potentiell auf Umrichterreplikasysteme angewendet werden kann. Die Methode wird eingesetzt, um frequenzabhängige Impedanzen von Zeitbereichsumrichtermodellen und physischen Laborumrichtern herzuleiten. Mittels Störsignaleinspeisungen werden die Impedanzen während der Messung bestimmt, sodass eine hohe Genauigkeit erreicht und zugleich Messdatengrößen minimiert werden können. Der Impedanzvergleich eines Umrichtermodells mit einem Laborumrichter veranschaulicht, dass ein vereinfachtes Umrichtermodell angewendet werden kann, wenn Wechselwirkungen untersucht werden, die Oszillationen zwischen 30 Hz und 3 kHz verursachen. Der Vergleich zeigt zudem, dass der Umrichtertransformator im subsynchronen Frequenzbereich Abweichungen verursacht, die das Zeitbereichsmodell nicht abbilden kann. Mit Hilfe der hergeleiteten Impedanzen wird untersucht, in welchen Netzsituationen Wechselwirkungen instabile Systeme verursachen. Die Ergebnisse zeigen, dass für moderate Kurzschlussleistungsverhältnisse abhängig von Leistungsflüssen und dem Umrichterregelungssystem instabile Netzzustände auftreten können.The progressive integration of HVDC systems into the transmission grid has led to an increase in HVDC converters that impact system stability. It has been seen that the converters and their control system can interact with the connected AC system, causing high oscillations in the grid current and voltage. To prevent outages resulting from the oscillations, system operators need to identify interactions in the planning stage of HVDC systems. A promising method is to investigate the interactions in the frequency domain using impedance models. However, relying on full-system knowledge, often-applied analytical models cannot represent manufacturer converters, particularly their control system. Thus, this work develops a method that is also applicable for black-boxed systems. Frequency-dependent impedances of time-domain converter models and physical laboratory converters are derived without full system knowledge. Running on a real-time simulator, the method can also be applied to converter control replica systems. Based on an online perturbation approach, the method directly determines the impedance during the measurements, ensuring high accuracy while keeping data requirements to a minimum. Comparing the impedance of a small-scale laboratory converter to the impedance obtained from time-domain average value models shows that a simplified model can be used to represent the electrical structure of the converter when interactions are assessed that cause oscillations between 30 Hz and 3 kHz. The comparison further reveals that the converter transformer causes a deviating frequency behavior at sub-synchronous frequencies that cannot be seen in the time-domain model. Using the derived impedance models of the converter, several test cases demonstrate in which grid situations interactions might cause unstable systems. The results show that interactions can cause an unstable system for moderate short-circuit power ratios depending on the converter's control system and the power flow.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020976120
Interne Identnummern
RWTH-2021-05940
Datensatz-ID: 820931
Beteiligte Länder
Germany
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