Modelling and control strategies for hybrid AC/DC grids

Abstract

The proposals for large-scale deployment of renewable energy sources is leading to the need for more cross-border interconnections creating a pan-European power system, at the EU level. Such interconnections may take advantage of existing AC systems, but also of the DC links or DC grids under development; hence, hybrid AC/DC grids. Although hybrid AC/DC transmission grids are far from being truly large-scale, they are beginning to evolve as key components of future transmission infrastructures. By hybrid AC/DC grids, power electronic interfaces are invariably implied. As a consequence, several challenges are beginning to emerge at the network level due to the increasing adoption of these devices. The dynamics and interactions that may appear in such integrated systems are relatively unknown since they will interconnect at least two subnetworks of AC and DC characteristics. Understanding how several classes of interaction could occur is key to proper design of controllers to mitigate them. Further, changes to how subnetworks should be securely operated in unison is required. Therefore, a rethought is necessary in the presence of these devices. Nevertheless, the answer to the question of how to detect detrimental behaviours? Is central to any proposed solution.

Currently, traditional methods for modelling and analysis are showing inadequacies. Lack of consistent methods to model and analyse the phenomena often result to complicated solutions as existing literature suggests. Even more important are models that are tractable, flexible, and technology agnostic to allow abstraction of the underlying challenges. Hence, methods to better understand and assess the mechanism of interactions at system level, that may impact secure operation are required. In addition, methods that are intuitive and efficient to detect sources of interactions, and isolate them as rapidly as possible are preferred. This goes to the heart of flexibility and tractability. Therefore, this thesis presents methodologies and strategies for modelling and control of large-scale hybrid AC/DC transmission grids from a systematic perspective, with the consideration of the controllable devices.

This thesis employs several potent high-level methodologies that possess physical connotation, are technology agnostic, and provide tractability for control. Subsequently, recommended control strategies are easy to adopt as their physical significance can be established. The principal findings of this thesis are that, system interactions between subnetworks are dependent on the broad characteristics of the each subnetwork. Thus, manipulating any of these characteristics subject to considerations, improves the overall behaviour. Within each subnetwork, interactions depend mainly on the dynamics of existing controllers, and the interconnection between several devices. Then, questions on how to detect and mitigate interactions as efficiently as possible, while incorporating the most relevant behaviour is answered. Furthermore, the conflict of control requirements of each subnetwork of the hybrid AC/DC network is highlighted. Thus, information about these requirements are leveraged to achieve overall compromises without jeopardizing minimum performance. To conclude, following the assessment of detrimental interactions and their corresponding mechanism, control strategies that take these into consideration are proposed and demonstrated.

Per complir amb l'objectiu del gran desplegament de les energies renovables cal ampliar les interconnexions entre diferents països creant una xarxa elèctrica de transmissió a nivell Europeu. Aquestes interconexions poden aprofitar els sistemes en corrent altern (CA) ja existents però també de Links en corrent continu (CC) or xarxes en CC. Tot i que les xarxes de transmissió hibrides CA i CC son encara lliuny de ser una realitat, s'estan començant a posicionar como una component principal de les infrastructures de transmissió del futur. A les xarxes CA i CC, electronica de potencia n'és part fortament implicada. Com a conseqüència de l'ús d'aquests elements, varis reptes comencen a emergir degut a la seva complexitat innerent i la seva gran utilització. Les dinàmiques i les interaccions que poden apareixer en aquest sistema integrat són desconegudes doncs, aquest interconnectarà com a minim dos sub xarxes amb diferents caracteristiques com son la CA i la CC. Entendre com diferents interaccions poden succeir es clau per a poder dissenyar de manera adequada els control·ladors i mitigar-les. A més a més, canvis en la operació coordinada de les subxarxes és requerit. Aleshores, repensar com resoldre el problema és necessari quan ens trovem en presencia d'aquestes components. Però, la responsta a la pregunta; Com detectem comportaments negatius? es rellevant per a qualsevol soluciió que es vulgui propossar. Els mètodes tradicionals de modelització i anàlisi mostren insuficiències. La manca de mètodes coherents per modelar i analitzar els fenòmens sovint es tradueix en solucions complicades com suggereix la literatura existent. Encara són més importants els models tractables, flexibles i agnòstics que permetin la abstracció dels reptes subjacents. Per tant, es requereixen mètodes per comprendre i valorar millor el mecanisme dinteraccions a nivell del sistema que puguin afectar un funcionament segur. A més, es prefereixen mètodes intuïtius i eficients per detectar fonts dinteraccions i aïllar-les el més ràpidament possible. Això arriba al cor de la flexibilitat i la traçabilitat. Per tant, aquesta tesi discuteix les estratègies de modelatge i control de les xarxes de transmissió híbrides CA / CC a gran escala des d'una perspectiva sistemàtica, tenint en compte els dispositius controlables. Aquesta tesi utilitza una potent metodologia dalt nivell que té una connotació física, és tecnologia agnòstica i tractable. Posteriorment, les estratègies de control recomanades són fàcils dadoptar ja que es pot establir la seva significació física. Els principals resultats d'aquesta tesi són que, les interaccions del sistema entre subxarxes depenen de les àmplies característiques de cada subxarxa. Per tant, la manipulació daquestes característiques subjectes a consideracions millora el comportament general. Dins de cada subxarxa, les interaccions depenen principalment de la dinàmica dels controladors existents en dispositius controlables i de la interconnexió entre diversos dispositius. A continuació, es responen preguntes sobre com detectar i mitigar les interaccions de la manera més eficaç possible, alhora que incorporar el comportament més rellevant. A més, es posa de manifest el conflicte de requisits de control de cada subxarxa de la xarxa híbrida CA / CC. Així, es pot aprofitar la informació sobre aquests requisits per aconseguir compromisos generals sense posar en perill el rendiment mínim. Validar i demostrar aquests models i estratègies de control ha estat una contribució clau en aquesta tesi.