On converter control interoperability in multi-terminal HVDC networks

Loku, Fisnik; Monti, Antonello; Norrga, Staffan

doi:10.18154/RWTH-2022-04910

On converter control interoperability in multi-terminal HVDC networks

Loku, Fisnik^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Fisnik Loku, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Norrga, Staffan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-04-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-04910
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/846854/files/846854.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HVDC (frei) ; MMC control (frei) ; MTDC interoperability (frei) ; converter-driven stability (frei) ; dc-side converter control interactions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
HGÜ-Verbindungen werden hauptsächlich als Verbindungsleitungen zwischen asynchronen Wechselstromübertragungssystemen und für die Integration erneuerbarer Energiequellen eingesetzt. Um die Integration von HGÜ-Verbindungen in großem Maßstab zu ermöglichen, sollen die heute dominierenden Punkt-zu-Punkt-HGÜ-Verbindungen zu Multi-Terminal-HGÜ- (MTDC) Netzen ausgebaut werden. In Anbetracht der Tatsache, dass MTDC Netzen aus schnellen und aktiven Komponenten bestehen, sind die möglichen Wechselwirkungen zwischen den Umrichterregelungen eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von MTDC-Netzen, da sie zu Systeminstabilitäten und möglicherweise zu einer Abschaltung des Netzes führen können. Zur Bewältigung dieser potenziellen Interoperabilitätsprobleme zwischen den Umrichterregelungen wurden mehrere Ansätze vorgeschlagen, die auf analytischen Modellen der Umrichter beruhen und detaillierte Informationen über die an einem MTDC-Netz beteiligten Umrichterregelungen erfordern. In Anbetracht der europäischen Marktstruktur und ihres Rechtsrahmens ist jedoch davon auszugehen, dass MTDC-Netze nur unter Beteiligung verschiedener Umrichterhersteller aufgebaut werden können. In diesen so genannten Multi-Vendor-MTDC-Netzen ist die Offenlegung der erforderlichen Informationen über die Umrichterregelungen zwischen den verschiedenen Herstellern aus proprietären Gründen jedoch nicht durchsetzbar. Um die Interoperabilität einer Umrichterregelung in Multivendor-MTDC-Netzen zu untersuchen, werden in dieser Dissertation das Nyquist- und das impedanzbasierte Stabilitätskriterium verwendet. Nach der Ermittlung der erforderlichen Umrichterimpedanzen durch eine frequenzabhängige Impedanzmessmethode wird ein modularer, analytischer Ansatz zur Ableitung der äquivalenten DC-Netzimpedanz vorgeschlagen. Der vorgeschlagene Ansatz ist für Black-Box-Umrichtermodelle geeignet und ermöglicht die Berechnung verschiedener DC-Netzimpedanzen in kurzer Zeit mit ausreichender Genauigkeit. Darüber hinaus ermöglicht dieser eine Analyse zahlreicher Netztopologiekombinationen, Betriebspunkte und Regelungsarten der Umrichter. Anschließend werden die worst-case-Szenarien für einen Netzerweiterungsfall zu einer vermaschten Vier-Terminal-Netzkonfiguration ermittelt. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein Black-Box-Optimierungsansatz für die Regelungseinstellung vorgeschlagen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Struktur und die Einstellung der bereits in einem bestimmten Netz installierten Regler nicht bekannt sind, sondern dass ein bestehendes (Black-Box-) Netzmodell mit den Umrichtern und ihrem Regelungssystem verfügbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode die Stabilitätsmarge des DC-Netzes an den kritischen Interaktionspunkten in den identifizierten worst-case-Szenarien erhöht. Schließlich werden die vorgeschlagenen Methoden anhand eines HGÜ-Demonstrators demonstriert.

High-voltage DC links are mainly utilized as interconnectors between asynchronous AC transmission systems and for the integration of renewable energy sources. In order to enable their large-scale integration, today’s predominating point-to-point HVDC links are envisioned to develop into multi-terminal HVDC (MTDC) networks. Considering that they comprise of fast and active components, one of the major challenges in the development of MTDC networks are potential converter control interactions, which can lead to system instabilities and possibly a shutdown of the network. To address these potential converter control interoperability issues, several approaches have been proposed that are based on analytical models of the converters and require detailed information on the converter controls involved in a MTDC network. However, considering the European market structure and its regulatory framework, it is expected that MTDC networks can only be established with the involvement of different converter vendors. In these so-called multi-vendor MTDC networks, the disclosure of the required converter control information between the different vendors is not feasible due to proprietary reasons. To investigate converter control interoperability issues in multi-vendor MTDC networks, this dissertation utilizes the Nyquist and the impedance-based stability criterion. After obtaining the required converter impedances via a frequency-sweep impedance measurement method, a modular analytical approach to derive the equivalent DC network impedance is proposed. The proposed approach is suitable for black-box converter models and allows the calculation of various DC network impedances in a short time with sufficient accuracy. Furthermore, it enables an analysis of numerous network topology combinations, operating points and control modes of the converters. Following this, the worst-case scenarios are identified for a network extension case to a meshed four-terminal network configuration. Moreover, a black-box control tuning optimization approach is proposed in this thesis, under the assumption that the structure and tuning of the controllers already installed in a given network are not known, but that an existing (black-box) network model including the converters and their control system is available. The results show that the proposed method increases the stability margin of the DC network at the critical interaction points in the identified worst-case scenarios. Finally, the proposed methods are demonstrated via laboratory-scaled HVDC demonstrator.

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