Analysis of heterogeneously configured converter stations in HVDC grids under asymmetrical DC operation

Additional technologies different from classical high voltage alternating current (HVAC) transmission are necessary to deal with the higher renewable energy integration in the current energetic framework. High voltage direct current (HVDC) transmission based on modular multilevel voltage source converters (MMC-VSC) is a promising alternative for some applications. Thus, the number of HVDC projects is increasing worldwide. This makes possible their future gradual interconnection to constitute an overlay DC grid that offers numerous additional advantages but still many challenges. Even if the development of the HVDC technology overcomes all the present challenges in the future, the lack of standardisation will lead to a DC grid integrated by different HVDC station topologies, grounding schemes, DC-DC converters, or control strategies. During normal operation, the DC grid is assumed to work symmetrically, and some aspects, such as the topology or the grounding scheme, do not intervene in the system response. However, in case of working asymmetrically due to a fault or outage affecting a single pole of the DC network, all the aspects mentioned above affect the system operation. However, such a heterogeneous DC grid under asymmetrical DC operation has yet to be addressed in the literature. Thus, it constitutes the general objective of this thesis. To achieve this objective, the asymmetrical DC operation in different heterogeneous DC systems is studied using load flow, dynamic EMT simulation, and small-signal stability analysis. The analysis of a system of these characteristics under asymmetrical DC operation is an original contribution of the thesis. First, a DC grid connecting different AC zones and formed by different HVDC station topologies and DC-DC converters is modelled to perform the load-flow assessment. The asymmetrical DC operation is examined by causing an asymmetrical contingency in the DC network. The analysis is carried out considering different grounding resistances, control strategies, control parameters, and galvanic isolation ability of the DC-DC converters. The results obtained regarding DC current and voltage asymmetry, which are related to the overloading of elements and excessive voltage deviation, allow for assessing the impact of the asymmetrical operation under different circumstances. Second, the dynamic assessment aims to identify the main aspects involved in the transient response during asymmetrical DC operation. The connection of a symmetrical monopolar station to a bipolar system is modelled, and the outage of one of the converters of a bipolar station is simulated. The effect of the grounding impedance and the control strategy on the dynamic response of the system is assessed. Therefore, the main system parameters and issues that may appear are identified. Furthermore, the effect of the connection of the symmetrical monopole station over the existing protections of the bipolar system is assessed by considering different grounding impedances in the monopolar station. Finally, the small-signal analysis of a system composed of different topologies focuses on the asymmetrical DC operation. A new suitable model is developed and validated against EMT simulations. The small-signal analysis is carried out, and the main aspects that impact the small-signal stability during asymmetrical operation are identified. Furthermore, a new controller that enhances the system stability during asymmetrical DC operation is developed.Para hacer frente a la mayor integración de energías renovables en el marco energético actual se necesitan tecnologías adicionales distintas de la transmisión clásica en corriente alterna en alta tensión (HVAC). La transmisión de corriente continua en alta tensión (HVDC) basada en convertidores multinivel modulares de fuente de tensión (MMCVSC) es una alternativa prometedora para algunas aplicaciones. Por tanto, el número de proyectos HVDC está aumentando en todo el mundo. Esto hace posible que se interconecten gradualmente en el futuro para formar una red de corriente continua (CC) que ofrece numerosas ventajas adicionales, pero todavía muchos retos. Aunque el desarrollo de la tecnología HVDC supere todos los retos actuales en el futuro, la falta de normalización dará lugar a una red de CC integrada por diferentes topologías de estaciones HVDC, esquemas de puesta a tierra, convertidores CC-CC o estrategias de control. Durante el funcionamiento normal, la red de CC funciona simétricamente y algunos aspectos, como la topología o el esquema de puesta a tierra, no intervienen en la respuesta del sistema. Sin embargo, en caso de funcionamiento asimétrico, debido a una falta o desconexión que afecte a un solo polo de la red de CC, todos los aspectos mencionados anteriormente afectan al funcionamiento del sistema. Este tipo de red de CC heterogénea en funcionamiento asimétrico aún no se ha abordado en el estado del arte. Por ello, constituye el objetivo general de esta tesis. Para lograr este objetivo, se estudia el funcionamiento asimétrico de CC en diferentes sistemas heterogéneos de CC utilizando diferentes enfoques como el flujo de cargas, la simulación dinámica EMT y el análisis de estabilidad de pequeña señal. El análisis de un sistema de estas características en funcionamiento asimétrico en CC constituye la principal contribución de la tesis. Para realizar la evaluación del flujo de cargas, se modela una red de CC que conecta diferentes zonas de CA y está formada por diferentes topologías de estaciones HVDC y convertidores CC-CC. A continuación, se examina el funcionamiento asimétrico de CC provocando una contingencia asimétrica en la red de CC. El análisis se lleva a cabo considerando diferentes resistencias de puesta a tierra, estrategias de control, parámetros de control y capacidad de aislamiento galvánico de los convertidores CC-CC. Los resultados obtenidos sobre la asimetría de corriente y tensión en CC, relacionados con la sobrecarga de los elementos y la desviación excesiva de la tensión, permiten evaluar el impacto del funcionamiento asimétrico en distintas circunstancias. La evaluación dinámica pretende identificar los principales aspectos que intervienen en la respuesta transitoria durante el funcionamiento asimétrico en CC. En primer lugar, se modela la conexión de una estación monopolar simétrica a un sistema bipolar. A continuación, se simula la interrupción de uno de los convertidores de una estación bipolar y se evalúa el efecto de la impedancia de puesta a tierra y de la estrategia de control en la respuesta dinámica del sistema. Por último, se identifican los principales parámetros del sistema y los problemas que pueden aparecer. Además, se evalúa el efecto de la conexión de la estación monopolar simétrica sobre las protecciones existentes del sistema bipolar, considerando diferentes impedancias de puesta a tierra en la estación monopolar. Por último, se realiza el análisis de pequeña señal de un sistema compuesto por diferentes topologías centrándose en el funcionamiento asimétrico en CC. Para ello, primero se desarrolla un nuevo modelo adecuado para este análisis y se valida con simulaciones EMT. A continuación, se lleva a cabo el análisis de pequeña señal y se identifican los principales aspectos que afectan a la estabilidad de pequeña señal durante el funcionamiento asimétrico. Además, se desarrolla un nuevo controlador que mejora la estabilidad del sistema durante el funcionamiento asimétrico en CC.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: José Luis Rodríguez Amenedo.- Secretario: Eduardo Prieto Araujo.- Vocal: Dunixe Marene Larruskain Escoba

Small-signal stability analysis of the asymmetrical DC operation in HVDC networks

The increase in High Voltage Direct Current (HVDC) projects favors their future interconnection to form regional networks, but this interconnection can be hindered by the lack of standardization in station's configuration and converter's differing grounding schemes. Whilst other studies have studied the effect of Direct Current (DC) asymmetrical operation, they are limited in their scope. This paper proposes a more realistic perspective, considering stations with different topologies, permanent DC asymmetries and the influence of the grounding systems. This more complex point of departure requires the re-examination of the modeling methods, from time-domain to frequency-domain. This paper proposes a small-signal stability model of the system, which is validated with the electromagnetic transient (EMT) dynamic simulations using PowerFactory. This model provides guidelines for designing the grounding impedance and allows the proper design of a specific controller to dampen the asymmetrical DC operation mode.Funding for APC: Universidad Carlos III de Madrid (Read & Publish Agreement CRUE-CSIC 2022).Grant PID2019-104449RB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033

HVDC grids with heterogeneous configuration stations under DC asymmetrical operation

As a response to the future challenges that power systems will have to face, a gradual growth of present High Voltage Direct Current (HVDC) links is expected, leading to an HVDC supergrid integrating different configurations of HVDC stations. Such stations may suffer contingencies affecting just one pole (asymmetrical contingencies). The effects of these contingencies on an HVDC grid are very dependent on the configuration of the HVDC stations and their earthing system. Furthermore, when symmetrical monopolar stations exist in the DC grid, asymmetrical contingencies will also affect its healthy pole. For that reason, this paper focuses on the influence of the earthing system resistance of symmetrical monopolar stations on the performance of a heterogeneous HVDC grid during asymmetrical operation. The impact on the protection system is also investigated. The analysis concludes that an inappropriate earthing resistance magnitude may lead to a poor performance of heterogenous HVDC grids during asymmetrical operation. In addition, the study also indicates that the decisive factors for the selection of the grounding impedance of a symmetrical monopolar station are the asymmetrical operation of the whole grid and its contribution to pole-to-ground fault currents