Offshore grid control of voltage source converters for integrating offshore wind power plants

Abstract

The offshore grid in North and Baltic Sea can help Europe to achieve 2020 and 2030 renewable energy target to counter climate changes . The formation of offshore grid requires the interconnection between several offshore wind power plants with multiple onshore grids. A voltage source converter based high voltage direct current transmission system is suitable to operate such an integrated offshore network. The offshore grid will enhance the trade between countries, provide better infrastructure for offshore wind power plants integration, and improve the energy market.

This thesis presents the control system design of voltage source converter to operate an offshore grid. The offshore grid is built gradually , starting from the integration of a single offshore wind power plan! till combined offshore AC and OC network in arder to perform the power system analysis associated with the networks such as steady-state power flow, dynamic behavior, network stability, and short circuit response. The research presents the method of determining control parameters with respect of power distribution and network stability requirements.

The research presents the frequency and voltage droop schemes to enhance the grid-forming mode of voltage source converter to operate in parallel in the offshore grid. A multi-objectives optimal power flow algorithm is proposed to determine the frequency and voltage droop gains in order to control the active and reactive power distribution among converters. Later, the impact of these droop gains on network dynamics and stability are analyzed. The study shows that the converter performance influences the offshore AC network stability in conjunction with the droops control loop.

Furthermore, a short circuit and frequency coordinated control schemes are presented for both offshore wind generation units and grid-forming converters . The frequency coordinated control scheme reduces !he wind power up to the maximum available export capacity after the disturbance in the offshore grid. lt is suggested that !he coordination control mus! have both frequency and over voltage control for improved transient response.

In the end, converter control of mullí-terminal OC network and its integration with the offshore AC network has been presentad. The research demonstrate the converter ability to control the distribution of power among the transmission system while ensuring the network stability. The finding of the research can be applied to derive the information and recommendation for the future wind power plants projects.

Las redes eléctricas marítimas en el Norte y en el Mar Báltico pueden ayudar a Europa a conseguir los objetivos para 2020 y 2030 de combatir el cambio climático. La formación de la red eléctrica marítima requiere la interconexión entre varios parques eólicos marinos con múltiples redes eléctricas en tierra. Un convertidor de la fuente de voltaje basado en el sistema de transmisión de corriente directa de alto voltaje es el apropiado para poder operar una red marítima integrada. Las redes eléctricas marítimas aumentarán el comercio entre países, proveerán una mejor infraestructura para la integración de los parques eólicos marinos y mejorarán el mercado energético. Esta tesis presenta el diseño del sistema de control del convertidor de las fuentes de voltaje para operar una red eléctrica marítima. La red eléctrica marítima se construye gradualmente, empezando por la integración de un solo parque eólico marino hasta la combinación de redes eléctricas marítima en CA y CD, esto para mejorar el análisis del sistema de potencia asociado con las redes, tales como el flujo de potencia en estado estacionario, el comportamiento dinámico, la estabilidad de la red y la respuesta en corto circuito. La investigación presenta el método de determinación de parámetros de control con respecto a la distribución de potencia y los requerimientos de estabilidad de la red. La investigación presenta los esquemas de frecuencia y la caída de voltaje para mejorar el método de formación de red del convertidor de la fuente de voltaje y operar en paralelo con la red eléctrica marítima. Se propone un algoritmo de múltiples objetivos para lograr un flujo de potencia óptimo, determinar las ganancias en la frecuencia y en la caída de voltaje y así lograr controlar la distribución de potencia activa y reactiva entre los convertidores. Después, se analiza el impacto de estas ganancias en la dinámica y estabilidad de la red. El estudio nos muestra que el desempeño del convertidor influencia la estabilidad de la red eléctrica marítima en CA en conjunto con el lazo de control de la caída. Así mismo, se presentan los esquemas de control coordinado de frecuencia y corto circuito, aplicados para las unidades de generación eólica marítima y los convertidores en red. El esquema de control coordinado de frecuencia reduce la potencia eólica hasta la máxima capacidad de exportación disponible después de las perturbaciones en la red eléctrica marítima. Se sugiere que la coordinación del control debe de tener control sobre la frecuencia y el sobre voltaje para mejorar la respuesta en transitorios. Por último, se presenta el control del convertidor de las multiterminales en la red CD y su integración con la red eléctrica marítima en CA. La investigación demuestra la habilidad que posee el convertidor para controlar la distribución de potencia, junto con el sistema de transmisión, mientras se asegura la estabilidad de la red. Los hallazgos de esta investigación pueden ser aplicados para obtener información y recomendaciones en los futuros proyectos de parques eólicos.