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CONTROL SUPLEMENTARIO POD EN ESTACIONES HVDC VSC PARA AMORTIGUAMIENTO DE

OSCILACIONES ELECTROMECÁNICAS (LÍNEAS PUNTO A PUNTO Y LÍNEAS EMBEBIDAS)

Juan Sebastián LaverdeDaniel Felipe SantosMario Alberto Ríos

2 Contenido

Tecnología HVDC

Metodología para el diseño de control suplementario

Linealización del sistema

Diseño de Control POD

Resultados

Conclusiones y Trabajos Futuros

HVAC vs HVDC3

HVAC vs HVDCSistemas AC DC

Conversión de Voltaje

Transformadores Electrónica de Potencia

ProteccionesCorriente y voltaje caen a cero

dos veces por cicloInterruptores complejos

Distancia de Transmisión

Limitación de potencia reactiva

No requiere de compensación reactiva

Costos del SistemaBajo costo en estaciones, Alto

costo en líneas por millaAlto costo en estaciones, Bajo costo

en líneas por milla

Espacio RequeridoRequiere bastante espacio

para las líneasNo 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.

Comparación tecnologías VSC-LCC4

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.

Topología de la conexión HVDC 5

Conexión BipolarConexión Monopolar

Conexión Back to Back 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.

6

Modelamiento sistema Kundur

en Neplan

Sintonización controladores en

estaciones de conversión

LinealizaciónDiseño control suplementario

POD

Metodología

Sistemas de prueba7

Fuente: R. Preece, Improving the Stability of Meshed Power Networks: A Probabilistic Approach Using Embedded HVDC Lines, University of

Manchester: Springer Theses, 2013.

Conexión HVDC-VSC punto a punto. Conexión HVDC-VSC embebida.

Sistemas implementados en Neplan8

Apertura de las líneas 7-8A y 8-9A

Conexión punto a punto Conexión embebida

9


en Neplan




POD

Metodología

10

Es un método inspirado en la derivación de modelos de estado para sistemas MIMO usando

solo datos de entrada/salida

N4SID

Para una representación de estado dada como:

𝑥 𝑘 + 1 = 𝐴𝑥 𝑘 + 𝐵𝑢 𝑘𝑦 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 = Γ𝑖1𝑋1 +𝐻𝑡1 ∙ 𝑈ℎ1𝑌ℎ2 = Γ𝑖2𝑋2 + 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]𝒚[𝒌 + 𝟏] ⋯ 𝒚[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟐]

=𝑨 𝑩𝑪 𝑫

𝒙[𝒌 + 𝒊] ⋯ 𝒙[𝒌 + 𝒊 + 𝒋 − 𝟐]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. 219-232Mario-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.

11

Start

Inject probing signal

into system

Measure system

responses, y(k)

System Identification

(N4SID)

Validate Model

Accurate

Model

Identifie

d?

End

No Yes

Inject a Pseudorandom signal at the

inverter station VSC-HVDC

Collect Measurements data such as

tie-line flow and speed deviation

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.

N4SID


12

Start


into system

Measure system

responses, y(k)


(N4SID)

Validate Model

Accurate

Model

Identifie

d?

End

No Ye

s










the modes obtained.

Modelos 1 2

Entrada 𝑉𝑑𝑐−𝐴, 𝑉𝑑𝑐−𝐵 𝑉𝑑𝑐−𝐴, 𝑉𝑑𝑐−𝐵

Salidas 𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 , 𝑊1,𝑊2,𝑊3, 𝑊4 𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 , 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

N4SID


13

Start


into system

Measure system

responses, y(k)


(N4SID)

Validate Model

Accurate

Model

Identifie

d?

End

No Ye

s










the modes obtained.

N4SID


14


Start


into system

Measure system

responses, y(k)


(N4SID)

Validate Model

Accurate

Model

Identifie

d?

End

No Ye

s










the modes obtained.

ModosValor propio σ+jω[p.u] Frecuencia f[Hz]

Neplan N4Sid Neplan N4Sid

Inter-área -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

N4SID

ModosValor propio σ+jω[p.u] Frecuencia f[Hz]

Neplan N4Sid Neplan N4Sid

Inter-área -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

Metodología 15


en Neplan




POD

POD (Power Oscillation Damping)16

Tw: Filtro 𝑊𝑎𝑠ℎ𝑜𝑢𝑡.

Ti: Constantes compensador adelanto − atraso.

𝑉𝑃𝑆𝑆: 𝑆𝑒ñ𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙.

El objetivo del POD es amortiguar oscilaciones

electromecánicas tomando como referencia la

desviación de velocidad y controlando el

voltaje

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

Fuente: J. Chow, Power System Coherency and Power System, New York: Springer, 2013.

Diseño Control POD

𝑠𝑇𝑤1 + 𝑠𝑇𝑤

1 + 𝑠𝑇11 + 𝑠𝑇2

𝑚

𝐾

∆𝑉𝑑𝑐 𝑚𝑎𝑥

∆𝑉𝑑𝑐 𝑚𝑖𝑛

𝑊𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑉𝑑𝑐 𝑟𝑒𝑓

𝛼 =𝑇2𝑇1

=1 − sin

𝜙𝑚

1 + sin𝜙𝑚

𝑇1 =1

𝜔𝑖 𝛼, 𝑇2 = 𝛼𝑇1

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:

𝐶𝑜𝑛 𝜔𝑖 = 4,18 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜙 = 40° 𝑦 𝑚 = 2

𝛼 =𝑇2𝑇1

= 0,4903𝑖

𝑇1 =1

𝜔𝑖 𝛼= 𝟎, 𝟑𝟒17, 𝑇2 = 𝛼𝑇1 = 𝟎, 𝟏𝟔𝟕𝟓

18 Diseño Control POD

Conexión punto a punto Conexión embebida

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.

19

Referencias20

[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

control suplementario pod en estaciones hvdc vsc … · limitación de potencia reactiva no...

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