Operation and control of transmission systems for offshore wind power plants

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit d’Enginyeria IndustrialThis thesis deals with grid integration of oshore wind power plants through HVDC (High Voltage Direct Current) or HVAC (High Voltage Alternating Current) transmission . The behaviour of wind farms and their transmission systems in normal operation and under faults is analyzed. On the eld of HVDC transmission , a control scheme based on an optimum voltage algorithm is proposed and compared to voltage droop control. The dierences between the proposed scheme and droop control in terms of losses are analyzed, in steady state as well as dynamically. This new control scheme is enhanced, being able to perform secondary and tertiary control strategies simultaneously for DC grids. Concerning HVAC transmission, the operation of AC connected wind power plants equipped with full power converter wind turbines is analyzed under deep voltage sags on the main AC grid. Standard control schemes, based on the strict application of grid codes, can lead to instability problems when this kind of severe disturbances occurs. A coordinated control scheme is proposed to operate the system, ensuring fault ride through capability. An index alerts of instability proximity and allows to actívate active power and reactive power regulation to guarantee safe operation during faults. For enabling the optimal operation of transmission systems, an optimal power flow tool is described for hybrid HVDC-HVAC systems, for different objective functions. This tool is tested in a scaled platform. Finally, the secure and optimal operation of these systems is analysed for a scenario with high penetration of oshore wind, proposing a methodology to evaluate the cost of operation and wind energy curtailed.La present tesi tracta la integració a xarxa de plantes eòliques marines a través de transmissió en HVDC (Alta Tensió en Corrent Continu) o HVAC (Alta Tensió en Corrent Altern). S'analitza el comportament dels parcs eòlics i del seus sistemes de transmissió en condicions normal i en situacions de pertorbacions elèctriques. En el camp de l'HVDC, es descriu un esquema de control basat en un algorisme de tensions òptimes i es compara amb el control de tensió droop. Les diferències entre l'esquema de control proposat i el droop s'analitzen, des del punt de vista de pèrdues, en estat estacionari i dinàmicament. L'esquema de control proposat es millora, oferint la possibilitat de realitzar estratègies de control secundari i terciari en xarxes DC. Dins de la transmissió en l'HVAC, s'analitza l’operació de parcs eòlics equipats amb convertidors de plena potència quan s'esdevenen sots profunds a la xarxa AC. Els esquemes de control estàndards, basats en l’aplicació estricta dels requisits de connexió, poden comportar problemes d'estabilitat transitòria quan s'esdevenen pertorbacions severes. Es proposa un esquema de control coordinat per operar el sistema, assegurant el fault ride through. Un índex alerta de a de la proximitat d'una inestabilitat i permet activar la regulació de potencia activa i reactiva per assegurar l’operació segura durant la falta. Tenint en compte que l’expansió del sistema de transmissió presenta tant enllaços HVDC com HVAC, es desenvolupa una eina per determinar fluxos de potencia òptims en xarxes híbrides HVDC-HVAC, per diferents funcions objectiu. Es realitzen proves experimentals en una plataforma de baixa tensió per comprovar el funcionament d'aquesta eina. Finalment, s'estudia l’operació òptima i segura d'aquests sistemes, per un escenari amb gran penetració d'energia eòlica, proposant una metodologia per avaluar el cost d’operació i la reducció d'energia eòlica produïda.Award-winningPostprint (published version