CONTROL SUPLEMENTARIO POD EN ESTACIONES HVDC VSC PARA AMORTIGUAMIENTO DE OSCILACIONES ELECTROMECÁNICAS (LÍNEAS PUNTO A PUNTO Y LÍNEAS EMBEBIDAS) Juan Sebastián Laverde Daniel Felipe Santos Mario Alberto Ríos
Contenido
2 Tecnología HVDC
Metodología para el diseño de control suplementario Linealización del sistema
Diseño de Control POD
Resultados Conclusiones y Trabajos Futuros
3
HVAC vs HVDC
Sistemas Conversión de Voltaje Protecciones Distancia de Transmisión Costos del Sistema
HVAC vs HVDC AC
Transformadores Corriente y voltaje caen a cero dos veces por ciclo Limitación de potencia reactiva
DC
Electrónica de Potencia Interruptores complejos No requiere de compensación reactiva
Bajo costo en estaciones, Alto Alto costo en estaciones, Bajo costo costo en líneas por milla en líneas por milla
Espacio Requerido
Requiere bastante espacio para las líneas
No requiere de mucho espacio para líneas
Interconexión de Sistemas
Deben tener misma frecuencia y fase
Conexiones asincrónicas
Fuente: M. Barnes, "Voltage Source HVDC ‐ Overview", England: The university of Manchester, 2012.
4
Comparación tecnologías VSC-LCC
Tecnología HVDC-LCC
Tecnología HVDC-VSC
Tecnología basada en tiristores
Tecnología basada en IGBT
Control basado en ángulo de encendido
Estrategias de control PWM o vectorial
Genera distorsión armónica
Bajo contenido armónico
Pérdidas en estaciones de conversión de 0,5 % Pérdidas en estaciones de conversión de 1 % Requiere compensación Reactiva
Puede consumir e inyectar potencia reactiva
Menor costo de inversión
Costo de equipos elevado
Permite el Control de potencia activa
Control de potencia activa y reactiva
Fuente: O. Lennerhag, V. Traff, “ Modelling of VSC-HVDC for Slow Dynamic Studies.” Master’s Thesis, Chalmers University of Techonology, Gothenburg, Sweden, 2013.
5
Topología de la conexión HVDC Conexión Monopolar
Conexión Back to Back
Conexión Bipolar
Conexión Multiterminal
Fuente: O. Lennerhag, V. Traff, “ Modelling of VSC-HVDC for Slow Dynamic Studies.” Master’s Thesis, Chalmers University of Techonology, Gothenburg, Sweden, 2013.
Metodología
6
Linealización
Modelamiento sistema Kundur en Neplan
Sintonización controladores en estaciones de conversión
Diseño control suplementario POD
Sistemas de prueba
7
Conexión HVDC-VSC punto a punto.
Conexión HVDC-VSC embebida.
Fuente: R. Preece, Improving the Stability of Meshed Power Networks: A Probabilistic Approach Using Embedded HVDC Lines, University of Manchester: Springer Theses, 2013.
8
Sistemas implementados en Neplan
Conexión embebida
Conexión punto a punto
Apertura de las líneas 7-8A y 8-9A
Metodología
9
Linealización
Modelamiento sistema Kundur en Neplan
Sintonización controladores en estaciones de conversión
Diseño control suplementario POD
N4SID
10
Es un método inspirado en la derivación de modelos de estado para sistemas MIMO usando solo datos de entrada/salida
Para una representación de estado dada como: 𝑥 𝑘 + 1 = 𝐴𝑥 𝑘 + 𝐵𝑢 𝑘 𝑦 𝑘 = 𝐶𝑥 𝑘 + 𝐷𝑢(𝑘) 1. Definir datos de entrada y salida 2. Representar los datos I/O como un vector de estado de secuencia de la forma 𝑌ℎ1 = Γ𝑖1 𝑋1 + 𝐻𝑡1 ∙ 𝑈ℎ1 𝑌ℎ2 = Γ𝑖2 𝑋2 + 𝐻𝑡2 ∙ 𝑈ℎ2 3. Resolver el conjunto de ecuaciones lineales obtenido a partir del calculo de la SVD de H 𝒙[𝒌 + 𝒊 + 𝟏] ⋯ 𝒙[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟏] 𝑨 𝑩 𝒙[𝒌 + 𝒊] ⋯ 𝒙[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟐] = 𝒚[𝒌 + 𝟏] ⋯ 𝒚[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟐] 𝑪 𝑫 𝒖[𝒌 + 𝒊] ⋯ 𝒖[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟐] M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 Mario-Alberto Rios. Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC. Energie electrique. Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. Francais.
N4SID
11 Start Inject probing signal into system
Inject a Pseudorandom signal at the inverter station VSC-HVDC
Measure system responses, y(k)
Collect Measurements data such as tie-line flow and speed deviation
System Identification (N4SID)
N4SID is applied using Matlab’s System Identification Toolbox to obtain a state space linear model
Compare the oscillation frequency of electromechanical modes with the modes obtained.
Validate Model
No
Accurate Model Identifie d?
End
Yes
M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 Mario-Alberto Rios. Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC. Energie electrique. Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. Francais.
N4SID
12 Start Inject a Pseudorandom signal at the inverter station VSC-HVDC
Inject probing signal into system
Measure system responses, y(k)
Collect Measurements data such as tie-line flow and speed deviation
System Identification (N4SID)
N4SID is applied using Matlab’s System Identification Toolbox to obtain a state space linear model
No
1
2
Entrada
𝑉𝑑𝑐−𝐴 , 𝑉𝑑𝑐−𝐵
𝑉𝑑𝑐−𝐴 , 𝑉𝑑𝑐−𝐵
Salidas
𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 , 𝑊1 , 𝑊2 , 𝑊3 , 𝑊4
𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 , 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜
Compare the oscillation frequency of electromechanical modes with the modes obtained.
Validate Model
Accurate Model Identifie d?
Modelos
End
Ye s
M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 Mario-Alberto Rios. Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC. Energie electrique. Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. Francais.
N4SID
13 Start Inject probing signal into system
Inject a Pseudorandom signal at the inverter station VSC-HVDC
Measure system responses, y(k)
Collect Measurements data such as tie-line flow and speed deviation
System Identification (N4SID)
N4SID is applied using Matlab’s System Identification Toolbox to obtain a state space linear model
Compare the oscillation frequency of electromechanical modes with the modes obtained.
Validate Model
No
Accurate Model Identifie d?
End
Ye s
M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 Mario-Alberto Rios. Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC. Energie electrique. Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. Francais.
N4SID
14 Start Inject a Pseudorandom signal at the inverter station VSC-HVDC
Inject probing signal into system
Measure system responses, y(k)
Collect Measurements data such as tie-line flow and speed deviation
System Identification (N4SID)
N4SID is applied using Matlab’s System Identification Toolbox to obtain a state space linear model
Compare the oscillation frequency of electromechanical modes with the modes obtained.
Validate Model
No
Accurate Model Identifie d?
End
Ye s
Modos
Valor propio σ+jω[p.u]
Inter-área
Neplan
Frecuencia f[Hz] Neplan
N4Sid
-0,271±4,23i -0,327±4,18i
0,673
0,665
Área A
-1,731±7,52i -1,496±7,64i
1,197
1,211
Área B
-1,891±7,95i -2,02±7,89i
1,265
1,256
Modos
Valor propio σ+jω[p.u]
Inter-área
Neplan
N4Sid
N4Sid
Frecuencia f[Hz] Neplan
N4Sid
-0,127±j4.475 -0,216±j5.343
0,712
0,85
Área B
-0,733±j6.880 -0,803±j7.264
1,095
1,156
Área A
-1,100±j7.527 -1,151±j7.311
1,198
1,164
Inter-Área
-1,812±j4.864 -1,792±j5.271
0,774
0,839
M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 Mario-Alberto Rios. Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC. Energie electrique. Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. Francais.
Metodología
15
Linealización
Modelamiento sistema Kundur en Neplan
Sintonización controladores en estaciones de conversión
Diseño control suplementario POD
16
POD (Power Oscillation Damping) El objetivo del POD es amortiguar oscilaciones electromecánicas tomando como referencia la desviación de velocidad y controlando el voltaje
Tw : Filtro 𝑊𝑎𝑠ℎ𝑜𝑢𝑡. Ti : Constantes compensador adelanto − atraso. 𝑉𝑃𝑆𝑆 : 𝑆𝑒ñ𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙.
Fuente: R. Preece, Improving the Stability of Meshed Power Networks: A Probabilistic Approach Using Embedded HVDC Lines, University of Manchester: Springer Theses, 2013. P. Kundur, Power System Stability and Control, New York: McGraw- Hill, 1994
17
Diseño Control POD
𝑊𝑝𝑟𝑜𝑚
𝐾
𝑠𝑇𝑤 1 + 𝑠𝑇𝑤
1 + 𝑠𝑇1 1 + 𝑠𝑇2
∆𝑉𝑑𝑐 𝑚𝑎𝑥
𝑚
𝑉𝑑𝑐 𝑟𝑒𝑓 ∆𝑉𝑑𝑐 𝑚𝑖𝑛
Para obtener un máximo amortiguamiento en el rango de frecuencias deseado (0,2 Hz a 3 Hz) se recomienda una compensación de fase de 20° a 40°. Para el caso punto a punto se tiene lo siguiente: 𝜙 1 − sin 𝑇2 𝑚 𝛼= = 𝑇1 1 + sin 𝜙 𝑚 1 𝑇1 = , 𝑇2 = 𝛼𝑇1 𝜔𝑖 𝛼
𝐶𝑜𝑛 𝜔𝑖 = 4,18 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜙 = 40° 𝑦 𝑚 = 2 𝛼= 𝑇1 =
1 𝜔𝑖 𝛼
𝑇2 = 0,4903𝑖 𝑇1
= 𝟎, 𝟑𝟒17,
Fuente: J. Chow, Power System Coherency and Power System, New York: Springer, 2013.
𝑇2 = 𝛼𝑇1 = 𝟎, 𝟏𝟔𝟕𝟓
Diseño Control POD
18
Conexión punto a punto
Conexión embebida
19
Conclusiones y trabajo futuro
•
• • •
La técnica de identificación N4SID proporciona una aproximación adecuada y es útil al momento de limitaciones en los softwares que carecen de herramientas para linealizar. El control por POD garantiza la estabilidad del sistema únicamente para una condición de operación fija. Para trabajos futuros se puede optar por un POD adaptativo o selectivo que proporcione mayor estabilidad. En trabajos futuros se puede implementar AG para realizar la sintonización de todos los controles suplementarios.
Referencias
20
[1] P. Kundur, Power System Stability and Control, New York: McGraw-Hill, 1994. [2] R. Preece, Improving the Stability of Meshed Power Networks: A Probabilistic Approach Using Embedded HVDC Lines, University of Manchester: Springer Theses, 2013. [3] O. LENNERHAG, Modelling of VSC-HVDC for Slow Dynamic, Sweden: Chalmers University of Technology, 2013. [4] L. Harnefors y H.-P. Nee, «Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Model Control Method,» IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,, vol. 34, p. 9, 1998. [5] M.Moonen, B. De Moor, L. Vandenberghe, J. Vandewalle, “On- and Off-line Identification of Linear State-Space Models”, International Journal of Control, Vol. 49, No. 1, 1989, pp. 219-232 [6] M. Rios, Modelisation pour Analyses Dynamiques des Reseaux Electriques avec Compensateurs de Puissance Reactive - SVC, Francais: Institut National Polytech-nique de Grenoble - INPG, 1998. [7] J. Chow, Power System Coherency and Power System, New York: Springer, 2013. [8] M. Barnes, "Voltage Source HVDC ‐ Overview", England: The university of Manchester, 2012
