Modeling and control of VSC-HVDC systems

Other Title(s)

التحكم بأنظمة الجهد العالي المباشر متعددة الأطراف المبنية على أساس محولات مصدر الجهد، و نمذجتها

Dissertant

al-Zahlan, Mustafa Walid Ali

Thesis advisor

al-Awasa, Khalid Muhammad
al-Majali, Husayn Diyab

University

Princess Sumaya University for Technology

Faculty

King Abdullah II Faculty of Engineering

Department

Department of Electrical Engineering

University Country

Jordan

Degree

Master

Degree Date

2019

Arabic Abstract

مع تزايد قدرات أنظمة الطاقة المتجددة المرتبطة بالشبكة الكهربائية المزيد من التحديات الجديدة تفرض نفسها.

تعد محطات الطاقة البحرية من بين أكثر أنواع مصادر الطاقة المتجددة شيوعا و أهمية في دول غرب أوروبا، حيث تتميز طاقة الرياح البحرية في تلك المناطق بكثرة توافرها و ثباتها و استقرارها.

إن الربط المباشر لهذه المحطات المتجددة بالشبكة الكهربائية يشتمل على العديد من التحديات من بينها ضرورة الأخذ بعين الاعتبار موقع هذه المحطات و آلية نقل الطاقة من تلك المواقع بالاضافة إلى ضرورة مزامنة ترددات الطاقات المولدة مع بعضها البعض و مع الشبكة المرتبط بها.

تشكل أنظمة نقل الجهد العالي المباشر متعددة الأطراف المبنية على أساس محولات مصدر الجهد طريقة واعدة لربط مختلف أنواع الطاقات المتجددة مع الشبكة الكهربائية في الجزء الأول من هذه الرسالة، تم تقديم و اشتقاق نمذجة شاملة لأنظمة نقل الجهد العالي المباشر متعددة الأطراف المبنية على أساس محولات مصدر الجهد ثنائية مستوى الجهد المتردد أيضا تم دراسة و تحليل وتصنيف المعادلات الديناميكية المرتبط بهذا النمذجة تبعا لمدى تأثيرها على الشكل الديناميكي العام للنظام النقل.

يختص الجزء الثاني من هذه الرسالة بتحليل و تصميم و ضبط و اختبار أنظمة التحكم الخاصة بنظام النقل المذكور.

إن تصميم مثل أنظمة التحكم هذه يشتمل على تصميم كلا من المتحكمات الداخلية الخاصة بالتيار و كذلك المتحكمات الخارجية.

ثلاثة أنواع من متحكمات التيار الداخلية تم بناؤها.

و هي المتحكمات التناسبية التكاملية في الإطار المرجعي التزامني الدوار ( DQ) و المتحكمات التناسبية الرئينية في الإطار المرجعي الثابت ( ap) و كذلك المتحكمات التخلفية في الإطار المرجعي الثابت ( abc).

تم تقييم أداء المتحكمات الثلاثة بناة على استجابة محول مصدر الجهد المرتبط بشبكة كهربائية ضعيفة وذلك بعد ضبط معاملات المتحكمات باستخدام طرق و نماذج تحليلية مثالية و كذلك باستخدام خوارزميات البحث العشوائي التطورية عملية تقييم أداء المتحكمات تمت وفقا لأربعة معايير أساسية هي زمني الصعود و الاستقرار و نسيتي التجاوز و التذبذب عند الوصول الوضع الاستقرار.

اشتمل العمل في هذه الرسالة أيضا على تصميم و تحليل الأداء الديناميكي للمتحكمات الخارجية الخاصة بمحول مصدر الجهد مع الأخذ بعين الاعتبار كلا من اختلاف نوع الشبكة المرتبطة بالمحول و كذلك تأثير وجود مواسعة نظام الترشيح تمت مقارنة نتائج محاكاة النظام و مخططات التحكم الخاصة به على منصة Simulink التابعة لبرمجية Matlab مع نتائج دراسات سابقة.

بينت هذه النتائج أن الطرق التحليلية التقليدية المستخدمة في ضبط معاملات المتحكمات تؤدي الاستجابة ذات تذبذبات عالية خصيصا عند ارتباط المحول بشبكة كهربائية ضعيفة.

بالإضافة لما سبق تم إثبات القدرة على تقليل و إخماد التذبذبات في الاستجابة الديناميكية عن طريق إعادة ضبط معاملات المتحكمات.

English Abstract

With the ever-increased installed capacity of renewable energy power plants, new challenges come to the front.

Among the most popular renewable resources in Western Europe countries is the offshore wind energy.

The offshore wind energy is characterized by its availability, stability, and its lower intermittency.

The integration of such renewable plants directly to the grid faces many challenges; among them the location of these power plants, the difficulty in synchronizing a large number of wind turbines together, and the higher cost of connecting cables.

Multi-terminal VSC-HVDC transmission system represents the promising architecture that permits the integration of such renewable power plants as well as the unsynchronized electric grids.

The complete dynamic model of the multi-terminal VSC-HVDC transmission system, based on the two-level voltage source converter, is derived in the first part of the thesis.

The model’s dynamic equations have been analyzed and classified based on their roles in shaping the overall dynamic behavior of the system.

The second part is dedicated to designing, analyzing, tuning, and testing of the control system that governs the operation of the VSC-HVDC systems.

The designed control system includes the design of the inner current controller and the outer control loops.

Three types of current controllers have been built— frame PI, frame PR, and frame hysteresis controllers.

The performance of each of the controllers mentioned above is evaluated in the case of connecting the VSC to weak AC grid.

The current controllers have been optimally tuned using both analytical and evolutionary stochastic algorithms, and the results were assessed based on four metrics criteria; these include the rising time, the settling time, the percentage overshoot and the steady-state fluctuations.

The outer control loops, of various types of AC grids, performance has been analyzed, and the effect of the filtration capacitance on the dynamic behavior of the outer controllers is examined and explained.

The simulation tests have been conducted on Matlab/Simulink platform and the simulation results are compared with their counterparts in the literature.

The results show that the traditionally used analytical methods for tuning the controllers yield to responses that suffer from high steady-state fluctuations.

In addition to that, the ability to retune these controllers in a manner to suppress these fluctuations has been proved.

Main Subjects

Electronic engineering

Topics

• Hegemonism
• High voltages

No. of Pages

192

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-890496