Impedance-compensated grid synchronisation for extending the stability range of weak grids with voltage source converters

This paper demonstrates how the range of stable power transfer in weak grids with voltage source converters (VSCs) can be extended by modifying the grid synchronisation mechanism of a conventional synchronous reference frame phase locked loop (PLL). By introducing an impedance-conditioning term in the PLL, the VSC control system can be virtually synchronised to a stronger point in the grid to counteract the instability effects caused by high grid impedance. To verify the effectiveness of the proposed approach, the maximum static power transfer capability and the small-signal stability range of a system with a VSC HVDC terminal connected to a weak grid are calculated from an analytical model with different levels of impedance-conditioning in the PLL. Such calculations are presented for two different configurations of the VSC control system, showing how both the static power transfer capability and the small-signal stability range can be significantly improved. The validity of the stability assessment is verified by time-domain simulations in the Matlab/Simulink environment.Peer ReviewedPostprint (published version

Multi-terminal HVDC grids with inertia mimicry capability

The high-voltage multi-terminal dc (MTDC) systems are foreseen to experience an important development in the next years. Currently, they have appeared to be a prevailing technical and economical solution for harvesting offshore wind energy. In this study, inertia mimicry capability is added to a voltage-source converter-HVDC grid-side station in an MTDC grid connected to a weak ac grid, which can have low inertia or even operate as an islanded grid. The presented inertia mimicry control is integrated in the generalised voltage droop strategy implemented at the primary level of a two-layer hierarchical control structure of the MTDC grid to provide higher flexibility, and thus controllability to the network. Besides, complete control framework from the operational point of view is developed to integrate the low-level control of the converter stations in the supervisory control centre of the MTDC grid. A scaled laboratory test results considering the international council on large electric systems (CIGRE) B4 MTDC grid demonstrate the good performance of the converter station when it is connected to a weak islanded ac grid.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

DC Admittance Model of VSCs for Stability Studies in VSC-HVDC Systems

High-voltage direct current (HVDC) systems linked to AC grids with converters are promising energy transmission systems. These systems present complex AC- and DC-side dynamic interactions. Impedance-based stability studies have recently been proposed to assess DC-side dynamics from DC-side characterization of voltage source converters (VSCs) considering AC-side dynamics. However, the existing approaches used for stability studies in VSC-HVDC systems do not completely model VSCs because they do not consider together the VSC delay, the grid voltage feedforward filter, and all the d- and q-reference current controls. Moreover, these approaches are analytically characterized from dq-real space vectors (less related to circuit theory than dq-complex space vectors), and some work with simple AC grids. The main contribution of this paper is a detailed and complete DC admittance model of VSCs from dq-complex space vectors, which considers the VSC delay, feedforward filter, and d- and q-reference current controls, and also a general AC grid. The proposed model can be used for DC-side stability studies in VSC-HVDC systems considering AC grid dynamics. The capabilities and drawbacks of impedance-based stability methods for DC-side stability assessment were analyzed, and the positive-net-damping criterion was validated as a robust approach. The model was validated by PSCAD/EMTDC simulations and applied to a stability study in a VSC-HVDC system.info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2021-2023/PID2021-123633OB-C33/ES/Estabilidad de microrredes formadas por agrupaciones de clustersObjectius de Desenvolupament Sostenible::7 - Energia Assequible i No ContaminantObjectius de Desenvolupament Sostenible::7 - Energia Assequible i No Contaminant::7.2 - Per a 2030, augmentar substancialment el percentatge d’energia renovable en el con­junt de fonts d’energiaObjectius de Desenvolupament Sostenible::7 - Energia Assequible i No Contaminant::7.b - Per a 2030, ampliar la infraestructura i millorar la tecnologia per tal d’oferir serveis d’energia moderns i sos­tenibles per a tots els països en desenvolupament, en particular els països menys avançats, els petits estats insulars en desenvolupament i els països en desenvolupament sense litoral, d’acord amb els programes de suport respectiusObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i Infraestructura::9.4 - Per a 2030, modernitzar les infraestructures i reconvertir les indústries perquè siguin sostenibles, usant els recursos amb més eficàcia i promovent l’adopció de tecnologies i processos industrials nets i racionals ambiental­ment, i aconseguint que tots els països adoptin mesures d’acord amb les capacitats respectivesPostprint (published version

Small signal stability analysis of proportional resonant controlled VSCs connected to AC grids with variable X/R characteristic

Capítuos 2,3 y 4 confidenciales por patente.-- Tesis completa 237.p. Tesis censurada 120 p.Para garantizar un futuro energético sostenible, es fundamental la incorporación de energías renovables en la red eléctrica. Sin embargo, con su creciente integración, las redes eléctricas AC se están volviendo cada vez más débiles, más complejas y caóticas. Por ello, se hace imprescindible el estudio de los retos técnicos que dicha integración plantea. Fenómenos como la desconexión de líneas AC, el bloqueo de convertidores, o variaciones de carga debidas a las intermitencias de la generación renovable, están comenzando a producir cambios en los valores de impedancia y en las características inductivo-resistivas de incluso las redes fuertes. Conforme una red AC se debilita su impedancia equivalente aumenta, y esto provoca cambios indeseados en las magnitudes de potencia activa y reactiva, que derivan en variaciones repentinas de tensión en diferentes puntos de la red AC. Esto también conlleva el deterioro de los convertidores y empeoramiento de la calidad de onda. Una solución parcial a este problema es limitar la potencia allí donde se genera, en perjuicio de aumentar las pérdidas locales. Otra solución es introducir controles de convertidores más robustos, para que sean capaces de sortear estos escenarios cada vez más frecuentes. En este contexto, los convertidores de fuente de tensión (VSC), y en especial los convertidores modulares multinivel, presentan una serie de prestaciones que los hacen idóneos para esta clase de escenarios, dado su mejor comportamiento dinámico frente a los convertidores de fuente de corriente, al operar a una frecuencia de conmutación mayor, y presentando capacidades LVRT y control desacoplado de potencia activa y reactiva. Entre los controles internos de corriente de los VSCs, los controladores proporcional resonantes han aparecido como alternativa a los proporcional integrales, debido a su capacidad de manejar operación tanto equilibrada como desequilibrada y a que eliminan lanecesidad de utilizar un phase-locked loop y las transformadas de Park. Muy pocos estudios se han realizado con VSCs con control proporcional resonante sujetos a cambios en la fortaleza de la red AC, y menos aun considerando la variación de su característica inductivo-resistiva. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se propone una metodología de parametrización del control proporcional resonante de un VSC conectado a una red AC con fortaleza y característica inductivo-resistiva variables, que asegure su estabilidad en pequeña señal. Con el objetivo de caracterizar dicha estabilidad, se construye un modelo de pequeña señal del sistema compuesto por el VSC conectado a red AC. Posteriormente se valida con simulaciones EMT y se procede con el análisis de escenarios. Los resultados del análisis demuestran que tan solo una desviación del 20% en el ratio X/R de la red AC con respecto a su valor habitual puede hacer perder al sistema su estabilidad en pequeña señal cuando la red AC es débil. La metodología propone nuevas parametrizaciones del control proporcional resonante del VSC que devuelven la estabilidad al sistema en estos escenarios. La validación y verificación de la metodología se realiza a través de un caso de estudio en DIgSILENT PF: una planta de generación eólica marina que evacúa energía a la red AC por medio de un enlace de alta tensión en continua

Nyquist Stability Analysis of an AC-Grid Connected VSC-HVDC System Using a Distributed Parameter DC Cable Model

In this paper, a two-terminal VSC-HVDC system embedded in a weak grid ac environment is considered, emphasizing modeling, controller design, and small-signal stability analysis. Traditionally, the dc cable is modeled by \Pi -sections, implying that care has to be taken when using the model for higher frequencies or in cases of higher cable impedance density, such as submarine cables. Here, a distributed parameter cable model is used to overcome this problem. The VSC-HVDC system can be described as two cascaded blocks. The first block is a transfer function that will differ depending on what input and output variables are considered, but which is in all realistic cases stable. The second block is a feedback loop, where the forward path is a rational function and the return path is a dissipative infinite dimensional function, remaining the same in all cases. The stability is then analyzed, using the Nyquist criterion, in a straightforward manner. Numerical examples are given by the use of MATLAB. The result is that if the VSC-HVDC system using a single \Pi -section cable model is stable, so is the VSC-HVDC system using a distributed parameter cable model