Διερεύνηση Συμβατότητας με Κώδικες Συστήματος Θαλάσσιων Αιολικών Πάρκων Διασυνδεδεμένων μέσω Συνδέσμων HVDC

Abstract

Η μεταφορά σημαντικών ποσοτήτων ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις με γραμμές υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος (High Voltage direct current, HVdc) γίνεται όλο και πιο δελεαστική τα τελευταία χρόνια λόγω του μειωμένου κόστους και απωλειών και της αυξημένης ελεγξιμότητας που προσφέρει. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η χρήση γραμμών HVdc για τη διασύνδεση υπεράκτιων αιολικών πάρκων με το ηπειρωτικό ηλεκτρικό σύστημα. Στην περίπτωση αυτή, το αιολικό πάρκο οφείλει να ικανοποιεί συγκεκριμένες απαιτήσεις στο σημείο σύνδεσης με το ηπειρωτικό δίκτυο, οι οποίες σκιαγραφούνται από τους κώδικες συστήματος κάθε περιοχής.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αρχικά τα βασικά πλεονεκτήματα, τα είδη και οι προβλεπόμενες μελλοντικές κατευθύνσεις της τεχνολογίας HVdc. Στη συνέχεια, περιγράφεται ο τρόπος ελέγχου ενός δικτύου HVdc βασισμένου σε μετατροπείς πηγής τάσης (VSC-HVdc). Συγκεκριμένα, περιγράφονται οι τρόποι συγχρονισμού των μετατροπέων της γραμμής με το δίκτυο και οι διάφοροι ελεγκτές των μετατροπέων, οι οποίοι στηρίζονται στις αρχές του διανυσματικού ελέγχου. Παρουσιάζονται οι επιπρόσθετες δυσκολίες του ελέγχου για διασύνδεση σε αδύναμα ηπειρωτικά δίκτυα καθώς και δύο παραλλαγές ελέγχου από τη βιβλιογραφία, εκ των οποίων η πρώτη προτείνει την τροποποίηση του συμβατικού ελεγκτή ρεύματος και η δεύτερη αντιμετωπίζει κάποια προβλήματα συγχρονισμού με το δίκτυο.

Στη συνέχεια, αναφέρονται οι βασικές απαιτήσεις σύνδεσης υπεράκτιων αιολικών πάρκων με το ηπειρωτικό σύστημα, όπως αυτές αποτυπώνονται στο Γερμανικό κώδικα συστήματος. Ακολούθως, περιγράφεται ο τρόπος μοντελοποίησης μιας ανεμογεννήτριας μονίμων μαγνητών με πλήρη μετατροπέα ισχύος και τα διάφορα συστήματα ελέγχου της. Η ανεμογεννήτρια εφοδιάζεται με ικανότητα απόκρισης συχνότητας και αντοχής σε βυθίσεις τάσης. Το μοντέλο της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιείται για την προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου.

Τέλος, το πλήρες σύστημα ενός αιολικού πάρκου διασυνδεδεμένου μέσω γραμμής HVdc με το ηπειρωτικό δίκτυο εξετάζεται για τη δυνατότητα ικανοποίησης των απαιτήσεων του κώδικα συστήματος. Η ικανότητα αντοχής σε βυθίσεις τάσης οδηγεί σε ανάγκη μείωσης της παραγόμενης ενεργού ισχύος του πάρκου και αντιμετωπίζεται με δυο τρόπους, χωρίς την ύπαρξη συστήματος επικοινωνίας για το σκοπό αυτό. Ο πρώτος είναι η πρόκληση τεχνητής βύθισης της τάσης του υπεράκτιου δικτύου με την ανίχνευση αυξημένης τάσης dc, ώστε το αιολικό πάρκο που συνδέεται σε αυτό να μειώσει την ισχύ του. Ένα απλουστευμένο μαθηματικό μοντέλο αναπτύσσεται για τη διερεύνηση της επίδρασης του ελέγχου σε βασικά ηλεκτρικά μεγέθη που ενδιαφέρουν. Προτείνεται η τροποποίηση του συμβατικού ελεγκτή με την προσθήκη διαφορικής απόκρισης και εκτιμάται η διαφοροποίηση που θα επιφέρει στην απόκριση. Ο δεύτερος τρόπος είναι η πρόκληση τεχνητής αύξησης της συχνότητας του υπεράκτιου δικτύου με την ανίχνευση αυξημένης τάσης dc, προκειμένου ο ελεγκτής απόκρισης συχνότητας του πάρκου να δώσει εντολή μείωσης ισχύος. Με βάση πάλι ένα απλουστευμένο μαθηματικό μοντέλο, μελετάται ο ρόλος των διαφόρων παραμέτρων στην ικανότητα επιτυχούς ανάρρωσης από τη βύθιση τάσης με έμφαση στο ρόλο της αδρανειακής απόκρισης του αιολικού πάρκου. Τέλος, η δυνατότητα ικανοποίησης των απαιτήσεων του δικτύου σε διαταραχές συχνότητας εξετάζεται και μια ανάλυση παρόμοια με τις προηγούμενες πραγματοποιείται.

Όλα τα προαναφερθέντα μοντέλα υλοποιούνται και τα συμπεράσματα επαληθεύονται μέσα από την πραγματοποίηση προσομοιώσεων στο πρόγραμμα DIgSILENT PowerFactory. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε επίσης το πρόγραμμα Matlab/Simulink για προσομοιώσεις μικρού μεγέθους και μορφοποίηση των αποτελεσμάτων, η γλώσσα LaTeX για τη συγγραφή της εργασίας, τα προγράμματα Microsoft Visio και Inkscape για την παραγωγή όλων των σχημάτων της εργασίας και το πρόγραμμα Wolfram Mathematica για την εκτέλεση των διάφορων υπολογισμών.

High Voltage direct current (HVdc) transmission is nowadays an increasingly attractive choice for transmission of large amounts of power over long distances, due to the decreased cost and losses and the enhanced system stability it guarantees. A typical example is the use of HVdc transmission for connecting remote offshore wind farms to the main grid. In that case, each wind farm is obliged to fulfill the grid code requirements of the respective region.

This thesis initially presents the basic advantages, the various types and the expected future development of HVdc transmission. Subsequently, the control strategy for an HVdc system based on Voltage Source Converters (VSC-HVdc) is presented. More specifically, the synchronization of a power converter with the grid and the various control levels of a power converter are described, based on vector control. Additional difficulties caused by the connection to weak ac grids are illustrated and two control variations proposed in literature are described: the first one modifies the conventional current controller, whereas the second one deals with grid synchronization problems.

Next, the basic grid code requirements of the German grid code for offshore wind farms are presented. Subsequently, the modelling of a wind turbine based on a permanent magnet synchronous generator with a full converter is described, along with its various control systems. The wind turbine is equipped with low-voltage ride-through capability and frequency response. The presented wind turbine model is used as a basis for an aggregated model of a wind farm.

Finally, the complete wind farm system connected through a VSC-HVdc line with the main ac grid is tested in order to verify its compatibility with grid codes. The low-voltage ride-through capability indirectly demands an active power reduction from the wind farm, which can be satisfied in two ways without the use of any dedicated communication systems. Firstly, a controlled ac voltage dip in the offshore grid can be generated in order to cause a wind farm power reduction, when abnormal dc voltage is detected. A simplified mathematical model is introduced in order to examine the effects of the control parameters to the various electrical quantities during the event. A modification of the standard controller based on differential control is proposed and its impact to the system response is estimated. Secondly, an increase in the offshore frequency can be produced upon detection of abnormal dc voltage, aiming to trigger a wind farm power reduction due to the frequency response of the wind farm. Based on a simplified mathematical model, the role of various parameters in the system behaviour is examined, with emphasis on the wind farm inertial response. Finally, the fulfillment of grid code requirements in case of abnormal frequency is tested and an analysis similar to the aforementioned ones is presented.

Simulations of all the previous models are implemented in DIgSILENT PowerFactory in order to examine the system behaviour and verify the theoretical results. Other software that was used includes Matlab/Simulink for some simulations and processing of the results, Microsoft Visio and Inkscape for the creation of figures and Wolfram Mathematica for intricate calculations. This thesis was written using LaTeX.