Control of a grid of multiple AC and DC sub-systems interconnected with power converters

Abstract

(English) High Voltage Direct Current (HVDC) offers clear advantages for long distance electrical transmission. This is why its implementation is rising in the interconnection of remote renewable energy and interconnection between islanded Alternating Current (AC) grids, as is the case in Europe. The majority of these systems are currently developed as point-to-point systems. However, Multiterminal High Voltage Direct Current (MT-HVDC) systems will be built shortly. The critical elements in these systems are the Interconnecting Power Converters (IPCs) that enable the transformation between AC and DC. These converters mainly use the Modular Multilevel Converter (MMC) technology, which can be controlled by leveraging the energy stored inside its cells to achieve its control objectives. The control strategy of these converters is diverse, and different control objectives can be implemented. Two subgroups exist: grid-forming (GFM) and grid-following (GFL) strategies. The main aim of the first one is to form the grid (AC and/or DC), while the second assumes a stable grid (AC and/or DC) with which to interchange power. The control strategy applied to be grid-forming or grid-following is not unique, and different control architectures are already proposed in the literature. Thus, studying the effect of combining these control architectures on the same system’s stability and performance is crucial. The main objective is to solve the question of how to properly assign and combine these roles in the emerging MT-HVDC grids to ensure stability and proper system response. Firstly, the stability of point-to-point links is studied. This includes a study on the interaction between AC and DC sides when AC-GFM and AC-GFL converters are in the same point-to-point link. It is seen how the different levels of energy buffering capability affect the level of interactions between AC and DC sides. Then, the extension of point-to-point links to MT-HVDC systems is studied. A crucial role in this case is the DC-GFM control. Thus, the stability of HVDC systems is studied when two different DC-GFM control strategies are applied. Secondly, MT-HVDC systems are studied. These systems introduce additional complexities. A key challenge in these systems is the optimal assignment of control roles to IPCs. One of the studies presents a novel methodology to optimize the control role assignment of IPCs by considering both small-signal stability and control performance. This methodology accounts for multiple power flow scenarios and analyzes the steady-state deviations and small-signal stability following selected events. The results of this study highlight the importance of control role assignment in enhancing system stability and performance. From the results extracted from the previously mentioned study, a dynamic control role assignment is proposed to solve the problems previously identified. Traditionally, the control role of IPCs has been static, with little consideration given to dynamically changing the control mode of these converters in real-time operations. However, this study advocates for a dynamic approach to IPC control role assignment, suggesting that allowing transmission system operators to adjust the control roles in response to varying conditions can lead to improved system performance, enhanced stability, and greater operational flexibility. Finally, the research also addresses the advantages of dual-port GFM control in hybrid AC/DC systems. Unlike traditional GFM and GFL controls, which must be carefully assigned to individual IPC terminals, dual-port GFM control imposes a stable voltage on both AC and DC terminals, making it suitable for deployment across all IPCs regardless of network configuration. The findings of this study indicate that dual-port GFM control offers several significant benefits, making it a promising solution for enhancing HVDC systems’ stability and dynamic performance.

(Català) L’Alta Tensió de Corrent Continu (HVDC) ofereix avantatges clars per a la transmissió elèctrica a llargues dist`ancies. Per això, la seva implementació està augmentant en la interconnexió d’energies renovables remotes i en la interconnexió entre xarxes de corrent altern (AC) aïllades, com és el cas d’Europa. La majoria d’aquests sistemes actualment es desenvolupen com a sistemes punt a punt. Tanmateix, s’espera que aviat es despleguin sistemes Multiterminal d’Alta Tensió de Corrent Continu (MT-HVDC). L’element crític en aquests sistemes són els Convertidors de Potència d’Interconnexió (IPC) que permeten la transformació entre AC i DC. Aquests convertidors utilitzen principalment la tecnologia Modular Multilevel Converter (MMC), que es pot controlar aprofitant l’energia emmagatzemada dins de les seves cel·les per assolir els seus objectius de control. L’estratègia de control d’aquests convertidors és diversa, i es poden implementar diferents objectius de control. Hi ha dos subgrups: l’estratègia grid forming (GFM) i la grid following (GFL). L’objectiu principal de la primera és generar la xarxa (AC i/o DC), mentre que la segona suposa una xarxa estable (AC i/o DC) amb la qual intercanviar energia. L’estratègia de control aplicada per ser GFM o GFL no és única, i diferents arquitectures de control ja han estat proposades a la literatura. Per tant, és crucial estudiar l’efecte de combinar aquestes arquitectures de control en l’estabilitat i el rendiment del mateix sistema. L’objectiu principal és resoldre la qüestió de com assignar i combinar adequadament aquests rols en les xarxes MT-HVDC emergents per garantir l’estabilitat i una resposta adequada del sistema. Primerament, s’estudia l’estabilitat dels enlla¸cos punt a punt. Això inclou un estudi sobre la interacci´o entre els costats AC i DC quan els convertidors AC-GFM i AC-GFL es troben en el mateix enllaç punt a punt. Es veu com els diferents nivells de capacitat d’emmagatzematge d’energia afecten el nivell d’interaccions entre els costats AC i DC. Després, s’estudia l’extensió dels enllaços punt a punt als sistemes MT-HVDC. En aquest cas, el control DC-GFM tú un paper crucial. Així, s’estudia l’estabilitat dels sistemes HVDC quan s’apliquen dues estratègies de control DC-GFM diferents. En segon lloc, s’estudien els sistemes MT-HVDC. Aquests sistemes introdueixen complexitats addicionals. Un repte clau en aquests sistemes és l’assignació òptima de rols de control als IPCs. Un dels estudis presenta una nova metodologia per optimitzar l’assignació de rols de control dels IPCs tenint en compte tant l’estabilitat en petit senyal com el rendiment de control. Aquesta metodologia considera m´ultiples escenaris de flux d’energia i analitza les desviacions en estat estacionari i l’estabilitat en petit senyal després d’esdeveniments seleccionats. Els resultats d’aquest estudi destaquen la importància de l’assignació de rols de control per millorar l’estabilitat i el rendiment del sistema. A partir dels resultats extrets de l’estudi esmentat anteriorment, es proposa una assignació dinàmica de rols de control per resoldre els problemes identificats anteriorment. Tradicionalment, el rol de control dels IPCs ha estat estàtic, amb poca consideració per canviar dinàmicament el mode de control d’aquests convertidors en operacions en temps real. Tanmateix, aquest estudi defensa un enfocament dinàmic per a l’assignació de rols de control dels IPCs, suggerint que permetre als operadors del sistema de transmissió ajustar els rols de control en resposta a condicions variables pot conduir a un millor rendiment del sistema, una major estabilitat i una flexibilitat operativa superior. Finalment, la recerca també aborda els avantatges del control dual-port GFM en sistemes híbrids AC/DC. A diferència dels controls GFM i GFL tradicionals, que han de ser assignats acuradament a terminals IPC individuals, el control dual-port GFM imposa una tensió estable als terminals AC i DC.

(Español) La Alta Tensión de Corriente Continua (HVDC) ofrece ventajas claras para la transmisión eléctrica a largas distancias. Por ello, su implementación está aumentando en la interconexión de energías renovables remotas y en la conexión entre redes de corriente alterna (AC) aisladas, como es el caso de Europa. La mayoría de estos sistemas se desarrollan actualmente como sistemas punto a punto. Sin embargo, se espera que pronto se desplieguen sistemas Multiterminal de Alta Tensión de Corriente Continua (MT-HVDC). El elemento crítico en estos sistemas son los Convertidores de Potencia de Interconexión (IPC), que permiten la transformación entre AC y DC. Estos convertidores utilizan principalmente la tecnología Modular Multilevel Converter (MMC), que puede ser controlada aprovechando la energía almacenada dentro de sus celdas para cumplir con sus objetivos de control. La estrategia de control de estos convertidores es diversa y permite la implementación de distintos objetivos de control. Existen dos subgrupos principales: la estrategia "grid forming" (GFM) y la "grid following" (GFL). El principal objetivo de la primera es generar la red (AC y/o DC), mientras que la segunda asume una red estable (AC y/o DC) con la cual intercambiar energía. La estrategia de control aplicada para que un convertidor sea GFM o GFL no es única, y diferentes arquitecturas de control han sido propuestas en la literatura. Por lo tanto, es crucial estudiar el efecto de combinar estas arquitecturas de control en la estabilidad y el rendimiento del propio sistema. El objetivo principal es resolver la cuestión de cómo asignar y combinar adecuadamente estos roles en las redes MT-HVDC emergentes para garantizar la estabilidad y una respuesta adecuada del sistema. Primero, se estudia la estabilidad de los enlaces punto a punto. Esto incluye un análisis de la interacción entre los lados AC y DC cuando los convertidores AC-GFM y AC-GFL se encuentran en el mismo enlace punto a punto. Se examina cómo los diferentes niveles de capacidad de almacenamiento de energía afectan el grado de interacción entre los lados AC y DC. Luego, se estudia la extensión de los enlaces punto a punto hacia los sistemas MT-HVDC. En este caso, el control DC-GFM juega un papel crucial. Así, se analiza la estabilidad de los sistemas HVDC cuando se aplican dos estrategias de control DC-GFM diferentes. En segundo lugar, se estudian los sistemas MT-HVDC. Estos sistemas introducen complejidades adicionales. Uno de los principales desafíos en estos sistemas es la asignación óptima de los roles de control a los IPCs. Uno de los estudios presenta una nueva metodología para optimizar la asignación de roles de control en los IPCs, considerando tanto la estabilidad en pequeña señal como el rendimiento del control. Esta metodología tiene en cuenta múltiples escenarios de flujo de energía y analiza las desviaciones en estado estacionario y la estabilidad en pequeña señal tras eventos seleccionados. Los resultados de este estudio destacan la importancia de la asignación de roles de control para mejorar la estabilidad y el rendimiento del sistema. A partir de los resultados obtenidos en el estudio mencionado, se propone una asignación dinámica de los roles de control para resolver los problemas identificados. Tradicionalmente, el rol de control de los IPCs ha sido estático, con poca consideración para cambiar dinámicamente el modo de control de estos convertidores durante la operación en tiempo real. Sin embargo, este estudio defiende un enfoque dinámico para la asignación de roles de control de los IPCs, sugiriendo que permitir a los operadores del sistema de transmisión ajustar los roles de control en respuesta a condiciones variables puede llevar a un mejor rendimiento del sistema, una mayor estabilidad y una flexibilidad operativa superior. Finalmente, la investigación también aborda las ventajas del control dual-port GFM que puede imponer una tensión estable a los dos terminales AC y DC.