دانلود رایگان ترجمه مقاله کنترل هماهنگ مزارع بادی ساحلی و مبدل HVDC برای میرایی نوسان برق (نشریه IEEE 2016) (ترجمه رایگان – برنزی ⭐️)

کنترل هماهنگ مزارع بادی ساحلی و مبدل HVDC برای میرایی نوسان برق

Coordinated Control of Offshore Wind Farm and Onshore HVDC Converter for Effective Power Oscillation Damping

چکیده
I) مقدمه
II) مدل سازی و کنترل VSC-HVDC-مرتبط با خلیج فارس
III ) مزرعه وحشی و VSS-HVDC مبتنی بر PSS: انتخاب و محدودیت های عملیاتی
الف. گزینه کنترل I: HVDC PSS در ساحل (TSO Preferred)
ب)گزینه کنترل II: PSS مبتنی بر WF خارج از ساحل
ج) گزینه کنترل III: PSS هماهنگ شده
IV) طراحی کنترل هماهنگ شده با استفاده از هوموتوپی
الف) طراحی متمرکز (کامل ساختار) کنترل کننده
ب) طراح کنترلر (قطب نما)
V) ماشین، سیستم 2 منطقه V. CASE STUDY I
الف) خطی سازی مدل ها از طریق شناسایی سیستم
ب) کنترل و تحلیل قابل مشاهده
ج) طراحی PSS
د) نتایج شبیه سازی
ه) تجزیه و تحلیل حساسیت پارامتریک
VI) مطالعه مورد II: 14 ماشین، سیستم 5 منطقه
الف) خطی سازی مدل ها از طریق شناسایی سیستم
ب) کنترل و تحلیل قابل مشاهده
ج) طراحی PSS
د) نتایج شبیه سازی

چکیده
 نقش میرایی مزارع بادی(WF) به یک لازمه اجباری و ضروری به صورت بخشی از کد های شبکه تبدیل شده است. برای مزارع بادی ساحلی دور دست که از طریق حلقه جریان مستقیم مبتنی بر مدل منبع ولتاژ متصل می شود راحت ترین گزینه برای اپراتور سیستم انتقال ساخلی تنظیم و تعدیل قدرت واکنشی در VSC در قلمرو آن ها است. در این مقاله ما نشان می دهیم که کنترل مکمل از طریق VSC ساحلی، می تواند منجر به تغییرات ولتاژ نامطلوب در شبکه شود. از سوی دیگر، تنظیم خروجی قدرت فعال ژنراتور های توربین بادی به دلیل ظرفیت سربار محدود WTG ناکافی است. کنترل هماهنگ در VSC ساحلی و خروجی WF بر محدودیت های فوق غلبه کرده و و برای میرایی نوسان برق موثر است. یک رویکرد هموتوپی برای طراحی کنترل گر هماهنگ استفاده می شود که در مقیاس محلی با استفاده از یک معماری غیر متمرکز پیاده سازی می شود. این یک مسئله نامساوی ماتریس دو خطی می باشد که به تبدیل این محدودیت ها به محدودیت های خطی کمک می کند. مطالعات موردی در خصوص سیستم های ازمایشی نشان می دهد که کنترلگر پیشنهادی منجر به پاسخ دینامیک سیستم به صورت کنترل مکمل از طریق WF می شود.
1- مقدمه
توانایی مزارع بادی ساحلی متصل به جریان مستقیم ولتاژ مبتنی بر مبدل منبع(VSC-HVDC) برای رایه سرویس های کمکی ، یک ملاحظه مهم برای سیستم های با نفوذ بادی بالا است. با افزایش تعداد تاسیسات توربین بادی دریایی در سرتاسر جهان، اپراتورهای سیستم انتقال (TSO) ملزومات کد شبکه اصلاح شده را برای اتصال به نیروگاههای باد را ایجاد کرده اند. این کدهای شبکه [1] نیاز به مزارع بادی برای ارائه خدمات جانبی مانند پشتیبانی درونی و تنظیم فرکانس دارند که معمولا از ژنراتورهای همگام استفاده می شود. شبکه اروپایی اپراتورهای سیستم انتقال (ENTSO-E) کد شبکه ای را برای اتصالات HVDC و ماژول های پارک پاور (DCM) متصل کرده است که شامل فراهم کردن نوسان نوسان برق (POD) از طریق HVDC، PPM ها و هماهنگی آنها است. نیاز به چنین کدهای شبکه در آینده نیز در [2] مشخص شده است.
نوسان برق از طریق PSS مبتنی بر WF در مطالعات [3] – [10] گزارش شده است، بیشتر در زمینه توربین های بادی ساحلی به طور مستقیم به شبکه AC متصل می شوند. توجه بسیار کمتری به مشارکت در کاهش نوسان نوسان برق از WF دریایی متصل شده به شبکه ساحلی از طریق لینک VSC-HVDC متمرکز شده است. در [11]، عوامل موثر بر قابلیت مهار VF-HVDC متصل به دریای WF به دقت مورد توجه قرار گرفته است. تعاملات بالقوه با AVR ها در سیستم در عمق مورد بررسی قرار گرفت. یک روش تقسیم فازی کلاسیک برای به دست آوردن پارامترهای POD استفاده شده است، که برای یک سیستم ساده با یک حالت ضعیف خم شده روشنگری است. با این وجود، این روش را برای سیستم های پیچیده تر با چندین حالت ضعیف درون محدوده منطقه ای آسان نمی کند. همچنین، هماهنگی بین مدولاسیون قدرت فعال و راکتیو در [11] مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله یک روش سیستماتیک برای طراحی یک POD هماهنگ شده (از این به بعد به نام PSS هماهنگ شده) نشان داده شده است تا بهبود حالتهای چندین منطقه را کاهش دهد (مطالعه موردی II در بخش VI).
برای WF های از راه دور ساحلی، که از یک لینک DC DC مبتنی بر VSC به یک سیستم انتقال متصل هستند، گزینه ترجیح داده شده برای TSO در ساحل، تغییر توان راکتیو در ایستگاه VSC در ساحل است. این موجب عدم نیاز به کنترل تکمیلی WF و در نتیجه وابستگی به مالک انتقال دریایی (OFTO) می شود. با این وجود، این می تواند منجر به تغییرات غیر قابل قبول ولتاژ در شبکه برق ساحلی شود که در این مقاله نشان داده خواهد شد. از سوی دیگر، مدولاسیون خروجی قدرت فعلی ژنراتورهای توربین بادی (WTG) تنها به دلیل محدود بودن کوتاه مدت (چند درصد برای چند ثانیه) قابلیت اضافه بار پویا خاص WTG ها در هنگام کار در بخش یا محدوده کامل بار (12) را دارند. برای مقابله با مشکلات فوق، کنترل هماهنگی مرجع قدرت واقعی دریایی WF و مرجع توان راکتیو مبدل VSC-HVDC در ساحل پیشنهاد شده است. یک رویکرد برای دستیابی به کنترل هماهنگ، طراحی همگام حلقه های کنترل در یک چارچوب چند متغیره است [13]، [14]. با این وجود، کنترل کننده کامل ساختار در یک معماری غیرمتمرکز به سختی اجرا می شود، زیرا به تمام سیگنال های بازخورد نیاز دارد که ممکن است بعضی یا همه آنها از مکان های دور باشد تا به هر مکان محرک انتقال یابد. از سوی دیگر، اگر ساختار کنترل مورب باشد، حلقه های کنترل فرد از یکدیگر جدا می شوند، که ساده تر در معماری غیر متمرکز اجرا می شود. در اینجا مفهوم (15) مورد استفاده قرار می گیرد و یک فرمت پیشنهاد شده برای به دست آوردن یک کنترل کننده بلوک مورب از یک کنترل کامل ساختار طراحی شده برای اطمینان از عملکرد حلقه بسته مشخص شده است.

Abstract

Damping contribution from wind farms (WFs) is likely to become a mandatory requirement as a part of the grid codes. For remote offshore WFs, connected through a voltage source converter (VSC)-based direct current link, the most convenient option for the onshore transmission system operator (TSO) is to modulate the reactive power at the onshore VSC within their own jurisdiction. In this paper, we show that supplementary control through the onshore VSC alone, although attractive for TSOs, could result in undesirable voltage variations in the onshore grid. On the other hand, modulation of active power output of the wind turbine generators (WTG) alone turns out to be inadequate due to the limited overload capability of the WTGs. Coordinated control over both onshore VSC and aggregated WF output overcomes the above limitations and is shown to be effective for power oscillation damping. A homotopy approach is used to design the coordinated controller, which can be implemented locally (at offshore WF and onshore converter site) using a decentralized architecture. This is a bilinear matrix inequality problem, which is solved by transforming these constraints into linear matrix inequality constraints. Case studies on two test systems show that the proposed controller yields similar system dynamic response as supplementary control through the WF alone.

1- Introduction

THE ability from offshore wind farms connected via Voltage Source Converter-based High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) to provide ancillary services is an important consideration for systems with high wind penetration. With increasing number of offshore wind turbine installations worldwide, transmission system operators (TSO) have established revised grid code requirements for wind farms connection. These grid codes [1] require wind farms to provide ancillary services such as inertial support and frequency regulation which are usually demanded from synchronous generators. The European Network of Transmission System Operators (ENTSO-E) has developed the network code for HVDC connections and DC-connected Power Park Modules (PPMs) that include the provision of power oscillation damping (POD) through HVDC, PPMs and coordination thereof [1]. Need of such grid codes in future is also outlined in [2].

Power oscillation damping through WF-based PSS has been reported in literature [3]–[10], mostly in the context of onshore wind turbines connected directly to the AC grid. Much less attention has been focused on power oscillation damping contribution from offshore WF connected to the onshore grid through a VSC-HVDC link. In [11], factors affecting the damping capability of a VSC-HVDC connected offshore WF were carefully considered from a practical standpoint. Potential interactions with AVRs in the system were investigated in depth. A classical phase compensation approach was used to derive the parameters of the POD, which is insightful for a simple system with one poorly damped mode. However, it is not straightforward to extend this approach for more complex systems with multiple poorly damped inter-area modes. Also, coordination between active and reactive power modulation has not been considered in [11]. In this paper, a systematic way of designing a coordinated POD (henceforth referred to as Coordinated PSS) is demonstrated to improve the damping of multiple inter-area modes (Case study II in Section VI).

For remote offshore WFs, connected through a VSC-based DC-link to a transmission system, the preferred option for the onshore TSO is to modulate the reactive power at the onshore VSC station. This avoids the need for supplementary control of offshore WF anfd thus, dependence on the offshore transmission owner (OFTO). However, this could result in unacceptable voltage variations in the onshore power grid, which will be demonstrated in this paper. On the other hand, modulation of active power output of the wind turbine generators (WTG) alone turns out to be inadequate due to the limited short-term (some percent for few seconds) dynamic overload capability of particular WTGs when operating in the partial or full-load range [12].

To get around the aforementioned problems, coordinated control of the real power reference of the offshore WF and the reactive power reference of the onshore VSC-HVDC converter is proposed. One approach to achieve coordinated control is to design the control-loops simultaneously in a multi-variable framework [13], [14]. However, the resulting full-structure controller is difficult to implement in a decentralized architecture as it requires all the feedback signals, some or all of which could be from remote locations, to be transmitted to each actuator location. On the other hand, if the control structure is blockdiagonal, the individual control loops are decoupled from each other, which is easier to implement in a decentralized architecture. Here the concept of homotopy [15] is applied and an extension proposed to obtain a single block-diagonal controller from a full-structure controller designed to ensure specified closedloop performance.

کنترل هماهنگ مزارع بادی ساحلی و مبدل HVDC برای میرایی نوسان برق

Coordinated Control of Offshore Wind Farm and Onshore HVDC Converter for Effective Power Oscillation Damping