Harmonic Resonance Analysis of Offshore Wind Farm utilizing Type-IV Wind Turbines

Utnyttelse av fornybare energikilder er av største betydning for å oppnå de bærekraftige utviklings- målene som er satt av FN. Av disse energikildene har havvind et betydelig potensiale. For å utnytte dette potensialet må vindparker til havs øke i størrelse. Med en utvidelse av offshore kollektornettet øker lengden på havkabler og antall transformatorer og kraftelektroniske enheter. Dette gir systemoperatører to sammenvevde utfordringer. Den første utfordringen er det faktum at kraftelektroniske enheter, som omformere, påvirker kraftsystemets dynamikk og stabilitet. Den andre er at kabler, transformatorer og vindturbingeneratorer introduserer mer kapasitans og induktans til et system, noe som senker resonansfrekvensen til det respektive systemet. Dynamikken mellom senket resonansfrekvens og økt antall kraftelektroniske enheter kan forårsake stabilitetsproblemer i svake AC-nett, for eksempel offshore-kollektor-nett. Dette legger grunnlaget for Harmonisk Resonansanalyse som kan brukes til å undersøke impedansinteraksjonen mellom de installerte omformerne og nettet. Dog, en betydelig utfordring knyttet til harmonisk resonansanalyse er behovet for impedansrepresentasjoner for nettet og omformeren. Kontrollstrukturen og parameterverdiene til omformerne påvirker frekvensresponsen. Derfor, for å få en nøyaktig impedansmodell for de respektive omformerne, er full innsikt i kontrolleren nødvendig. Dog, dette er ikke utlevert informasjon fra produsentene av omformerne på grunn av etterretningseiendom. Denne avhandlingen beskriver forskjellige metoder interessenter i kraftsystemet kan bruke for å utføre Harmonisk Resonansanalyse. En av disse metodene, nemlig Voltage/Current Perturbation Technique, blir vellykket brukt på en offshore vindparkmodell, modellert med Type-IV turbiner, i PSCAD. Teknikken muliggjør utledning av frekvensresponsen til omformeren uten å ha kjennskap til kontrollerstrukturen. Når omformer- og nettimpedansene er utledet, blir samspillet mellom de to analysert. Det er avdekket at, avhengig av forskjellen i fasevinkler, skjæringspunktet mellom størrelsen på omformer- og nettimpedansene resulterer i en ekvivalent resonansfrekvens. I tillegg er det funnet, ved å sammenligne en enkeltstrenget vindpark med en 100-strenget vindpark, at utvidelsen av kollektornettet reduserer den første ekvivalente parallelle resonansen mellom omformer- og nettimpedansene. For en enstrengs vindpark er den første ekvivalente parallelle resonansfrekvensen funnet å forekomme ved 710 Hz. Om antall strenger økes til 100, forekommer den korresponderende resonansfrekvensen ved 280 Hz. Dette tilsier at stabilitetsregionene til et system er sterkt avhengig av systemtopologien. De mulige samspillene mellom omformerimpedanser og forskjellige systemtopologier blir derfor diskutert. Denne oppgaven understreker dermed behovet for Harmonisk Resonansanalyse. Virkningen av kontrollparametere på omformerens frekvensrespons blir deretter undersøkt. Dette forsøkes ved å innføre tidsforsinkelser i strøm-kontrolleren på omformeren som ligger på nett-siden. Dessverre er ingen endring i impedanse registrert. Tidsforsinkelsen skulle ha resultert i frekvensområder der omformeren viser negativ demping. Hvis en resonansfrekvens sammenfaller med et negativt dempet frekvensområde, vil systemstabiliteten bli ytterligere forverret. Den mest sannsynlige årsaken til det mislykkede forsøket er bruken av en allerede eksisterende kontrollermodell laget av PSCAD. Når ustabile frekvensområder avdekkes for en systemoperatør, kan det være av interesse å redusere de oppdagede resonansene og potensielle negative dempningseffektene. Som en konsekvens presenteres mulige implementerbare tiltak, som passive og aktive filtre, i denne oppgaven, og fordelene ved hvert alternativ blir diskutert