Modellering van de modulaire multilevel omvormer met dynamische fasoren: gereduceerde-orde-modellen voor stabiliteitsanalyse van klein-signaalgedrag

De decarbonisatie van het elektriciteitsnet wordt steeds urgenter om de opwarming van de aarde te beperken. Het versterken van de transmissienetten is essentieel om de proliferatie van hernieuwbare energiebronnen (RES) te ondersteunen, wat een belangrijke rol speelt in de energietransitie. Hoogspanning gelijkstroom (HVdc) verbindingen op basis van de spanningstussenkringom- vormer (VSC) technologie zijn bewezen kandidaten om de elektriciteitsnetten te versterken en RES te integreren, waardoor het aandeel van RES in de wereldwijde energiemix toeneemt.

In de vorige decennia is de modulaire multilevel omvormer (MMC) de mainstream omvormertopologie geworden en heeft een grootschalige toepassing van VSC-HVdc links met hoog vermogen bevorderd. Ondanks de voordelen van de MMC, roept het toenemende gebruik van MMC-HVdc verbindingen in elektriciteitsnetten grote zorgen op met betrekking tot de stabiliteitsanalyse van het klein-signaalgedrag. De MMC heeft een uniek intern dynamisch gedrag dat wordt gekenmerkt door harmonischen van verschillende frequenties. Enerzijds wordt de klein-signaalstabiliteit van elektriciteitsnetten traditioneel bestudeerd door gebruik te maken van lineaire tijd-invariante (LTI) componentmodellen. Anderzijds levert linearisatie in de aanwezigheid van meerdere frequenties in evenwichtstoestand een lineaire tijd-periodiek (LTP) MMC model op, dat nauwelijks compatibel is met bestaande modellen van elektriciteitsnetten. Daarom vormt de multifrequentie-periodiciteit van de MMC een uitdaging voor de ontwikkeling van nauwkeurige LTI modellen van de omvormer die kunnen worden gebruikt bij stabiliteitsstudies van het klein-signaalgedrag.

Frequentie-opgeschoven modelleringstechnieken zoals de theorie van dynamische fasoren (DP) of het harmonische toestandsruimte (HSS) worden vaak toegepast om LTI toestandsruimtemodellen van de MMC te ontwikkelen. De modernste frequentie-opgeschoven modellen van de MMC zijn meestal geassocieerd met een groot aantal toestandsvariabelen. Het grote aantal toestandsvariabelen van de bestaande frequentie-opgeschoven modellen maakt ze minder handig voor de stabiliteitsanalyse van het klein-signaalgedrag en tegelijkertijd vergt het een aanzienlijke computationele kracht. Bovendien worden de maximale frequentie van de harmonischen waarmee rekening moet worden gehouden in stabiliteitsstudies van het klein-signaalgedrag, evenals de implicaties van het negeren van de harmonischen in deze studies vaak niet geadresseerd.

Deze doctoraatsthesis presenteert een gedetailleerde studie naar de invloed van harmonischen op de klein-signaalstabiliteit van de MMC. Een algemeen toestandsruimtemodel van de MMC en zijn controllers gebaseerd op de DP-theorie is ontwikkeld. Het ontwikkelde DP model van de omvormer wordt gebruikt om de eigenschappen van harmonischen te bestuderen die worden waargenomen in de stromen en condensatorspanningen van  de MMC. Verschillende technieken voor het reduceren van de modelorde worden voorgesteld om onafhankelijk de ordes van de omvormer- en controllermodellen te reduceren. De ontwikkelde modellen worden gebruikt om de invloed van rekentijdvertragingen op de klein-signaalstabiliteit van de MMC te bestuderen, en om geavanceerde actieve harmonische onderdrukking (AHS) controllers te ontwerpen die de omvormer actieve-filterfunctionaliteit geven. Zowel de volledige- als de gereduceerde-orde- DP-MMC modellen worden vergeleken met gedetailleerde benchmarkmodellen, en de nauwkeurigheden van de voorgestelde gereduceerde-orde-modellen worden geëvalueerd. Met behulp van de vergelijkingen wordt de maximale frequentie  die  moet worden in rekening genomen in de DP modellen van de MMC bepaald. De klein-signaalstabiliteit van de ontwikkelde modellen wordt beoordeeld door  middel  van  eigenwaardeberekeningen.   De  berekeningen  onthullen de representativiteit van de gereduceerde-orde-modellen onder wisselende gebruiksomstandigheden. De resultaten van de stabiliteitsanalyses laten toe om een geschikt gereduceerde-orde-model te kiezen, afhankelijk van het type studie en het werkingspunt. Kortom, deze thesis laat zien dat een nauwkeurige voorstelling van de multifrequentie-periodiek karakter van de MMC cruciaal is tijdens stabiliteitsanalyse van het klein-signaalgedrag, en voorziet een brede selectie van gereduceerde-orde LTI toestandsruimtemodellen van de omvormer om zijn klein-signaalstabiliteit te bestuderen onder verschillende gebruiksomstandigheden. Daarmee vestigt deze thesis de aandacht op nauwkeurige componentmodellen die harmonischen weergeven, en de noodzaak aan dergelijke modellen voor de stabiliteitsanalyse van het klein-signaalgedrag van toekomstige elektriciteitsnetten.