Transient stability analysis in Multi-terminal VSC-HVDC grids

A novel approach to transient stability analysis in multi-terminal high voltage direct current (MTDC) grids is presented in this paper. A symmetrical three-phase fault in an ac grid connected to a rectifier terminal of the MTDC grid causes the power injected into the dc grid to decrease, which in turn leads to a lower dc voltage in the MTDC grid. If dc voltage drops below a critical voltage limit before the ac fault is cleared, then the dc grid becomes unstable and its operation is disrupted. An analytical approach is proposed in this paper to calculate the critical clearing time of a fault in an ac grid behind a rectifier terminal beyond which dc voltage collapse occurs. A five-terminal MTDC grid modeled in EMTDC/PSCAD is used to validate the results obtained with the analytical method

Impact of Meshed HVDC Grid Operation and Control on the Dynamics of AC/DC Systems

IEEE The efficacy of long-distance and bulk power transmission largely depends on the efficient control and reliable operation of a multiterminal high-voltage direct current (MT-HVdc) grid, more precisely, a meshed HVdc grid. The capability of enduring the dc grid fault eventually enhances the reliability and improves the dynamic performance of the grid. This article investigates the operation and control of an AC/multiterminal dc (MTDC) system with bipolar topology incorporating the dc grid protection schemes. Based on the scale of a circuit breaker's operating time, the performance of three different protection strategies is compared and analyzed using DIgSILENT PowerFactory. Simulation results explicitly reveal that the dynamic performance of the MTDC grid significantly deteriorates with the slow functioning of the protection schemes, followed by a dc grid fault. Besides, prolonged recovery time causes a substantial loss of power infeed and affects the ac/dc grid's stability. Finally, to assess the frailty of the MTDC grid, a transient energy stability index is proposed considering the voltage variation in the prestate and poststate fault clearing interval. Relevant case studies are performed on the MTDC grid using an analytical approach and nonlinear simulation studies to validate the effectiveness of the proposed index

Beitrag zur Systemsicherheit durch kurative Maßnahmen von HGÜ-Systemen

In der heutigen Betriebsführung von elektrischen Energiesystemen stellt der Redispatch von konventionellen Kraftwerken ein wesentliches Werkzeug zur Wahrung der durch das (n-1)-Kriterium geprägten Systemsicherheit dar. Im Zuge des gegenwärtigen Zubaus erneuerbarer Energieträger gepaart mit einer Verzögerung des Netzausbaus, nehmen die Häufigkeit und das Volumen dieser kostenintensiven Eingriffe zu. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, stellt der Einsatz kurativer Maßnahmen innerhalb der Netzbetriebsführung derzeit einen relevanten Untersuchungsgegenstand dar. Zeitgleich wird der Einsatz selbstgeführter HGÜ-Systeme innerhalb Deutschlands zur Unterstützung des bestehenden Transportnetzes forciert. Diese Technologie bietet neue Freiheitsgrade im Netzbetrieb, die sich auch zur Erbringung kurativer Maßnahmen eignen. Der Autor liefert eine Einordnung möglicher kurativer Beiträge von selbstgeführten HGÜ-Systemen zu stationären und dynamischen Aspekten der Systemsicherheit. In einem nächsten Schritt wird ein Verfahren entworfen, das eine automatisierte Anpassung der Wirk- und Blindleistungsarbeitspunkte der Umrichter im Falle von Betriebsmittelausfällen ermöglicht. Verletzungen der Systemsicherheit, in diesem Fall Betriebsmittelauslastungen und Knotenspannungen, kann somit kurativ begegnet werden. Das als HGÜ-RAS bezeichnete Verfahren gliedert sich in eine lokale Identifikation von Störungen, eine systemweite Koordination der Arbeitspunktanpassungen, sowie deren netzverträgliche Aktivierung. Die Eignung der beschriebenen Module, sowie die Zulässigkeit des gesamten HGÜ-RAS Ansatzes werden mittels quasi-stationärer und dynamischer Simulationen bewiesen. Die beschriebenen Untersuchungen erfolgen mittels eines für diese Arbeit entwickelten AC-HGÜ-Benchmarknetzes, welches eine Abbildung realitätsrelevanter Phänomene sicherstellt. Das HGÜ-RAS eignet sich sowohl für den Einsatz für vermaschte HGÜ-Netzen, als auch für einzelne HGÜ-Verbindungen. Durch die Berücksichtigung von für Übertragungsnetzbetreiber relevanten Aspekten wird ein direkter Bezug zur Praxis gewährleistet.Europe's electrical energy system is currently undergoing a structural change which is triggered by the increased expansion of renewable energy sources and a decline in the use of conventional power plants close to consumers. Future grid expansion measures include the use of high-voltage direct current (HVDC) transmission based on VSC technology. Due to the slow network expansion cannot be realized in due time, some network sections achieve a high load factor. To prevent congestions, a violation of system security and threats to the security of supply, transmission system operators increasingly have to apply cost-intensive redispatch measures as part of congestion management. Coordinated use of curative measures within the network operation is currently a relevant object of investigation since curative measures promise a reducing effect on the redispatch effort. The future existence of VSC-based HVDC systems Ð initially as individual connections, in the future also as a network Ð offers new degrees of freedom that can also be used to provide curative measures. Possible contributions are assigned to the different phenomena of system security is taken up in this work. The main contribution lies in the design of a method for the execution of event-based curative operating point adjustments of a VSC-HVDC system to eliminate impermissible AC equipment loading and node voltages. The proposed HVDC-RAS method is considered a novelty in transmission system operation. The implementation requires the identification of critical events, system-wide coordination of operating point adaptation, and a suitable approach for their execution regarding system stability. The requirements are implemented by three components (identification, calculation, and execution), which can also be used outside of HVDC-RAS in similar problems. The method design is carried out under constant consideration of relevant aspects for the transmission system operators to enable a possible integration into the existing grid operation. The feasibility of the individual components, as well as the entire HVDC-RAS, is proven by stationary and dynamic considerations. For this purpose, a suitable AC HVDC benchmark network is designed. The presented method is suitable for the provision of curative measures and represents a tool for the extension of the existing system operation.Das europäische Energiesystem unterliegt derzeit einem strukturellen Wandel. Auslöser sind der verstärkte Zubau erneuerbarer Energieträger und ein sinkender Einsatz der konventionellen verbrauchernahen Kraftwerke. Um den steigenden Leistungstransiten begegnen zu können, sind Netzausbaumaßnahmen geplant, die auch den Einsatz von selbstgeführten HGÜ-Systemen umfassen. Um die Systemsicherheit trotz verzögertem Netzausbau zu gewährleisten, greifen die Übertragungsnetzbetreiber zunehmend auf kostenintensive Redispatch-Maßnahmen zurück. Ein koordinierter Einsatz kurativer Maßnahmen innerhalb des Netzbetriebs stellt derzeit einen relevanten Untersuchungsgegenstand dar, da kurative Maßnahmen eine senkende Wirkung auf den Redispatch-Aufwand versprechen. Die zukünftigen HGÜ-Systeme bieten neue Freiheitsgrade innerhalb der Netzbetriebsführung, die auch zur Erbringung kurativer Maßnahmen genutzt werden können. Wie diese den unterschiedlichen Phänomenen der Systemsicherheit zugeordnet werden können, wird in dieser Arbeit beschrieben. Der Hauptbeitrag liegt im Entwurf eines Verfahrens zur automatisierten Ausführung eventbasierter kurativer Anpassungen der Umrichter-Arbeitspunkte zur Beseitigung von Verletzungen der Systemsicherheit. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren wird als HGÜ-RAS bezeichnet. Die Umsetzung erfordert eine Identifikation kritischer Events, eine systemweite Koordination der Arbeitspunktänderungen, sowie einen geeigneten Ansatz zur netzverträglichen Ausführung dieser. Die Anforderungen werden durch drei Komponenten (Identifikation, Berechnung und Aktivierung) umgesetzt, die auch außerhalb des HGÜ-RAS in ähnlichen Problemstellungen Anwendung finden können. Der Methodenentwurf erfolgt unter stetiger Berücksichtigung von – aus Sicht der Übertragungsnetzbetreiber – interessanten Aspekten, um eine mögliche Einbindung in den bestehenden Netzbetrieb zu ermöglichen. Die Realisierbarkeit und Umsetzung der einzelnen Komponenten, sowie des gesamten HGÜ-RAS werden durch stationäre und dynamische Betrachtungen bewiesen. Dazu wird ein geeignetes AC-HGÜ-Benchmarknetz entworfen. Alle Betrachtungen erfolgen zunächst für ein vermaschtes HGÜ-Netz, können aber, wie in einem zusätzlichen Fallbeispiel gezeigt, auf einzelne HGÜ-Verbindungen übertragen werden. Die vorgestellte Methode schafft ein Werkzeug zur Erweiterung der bestehenden Netzbetriebsführung