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Modeling and control of VSC-HVDC connected offshore wind farms

Suwan, Mohammad

In Europe, large offshore wind farms are installed in the North Sea area using modern multi-megawatt wind turbines. Voltage source converter - high voltage direct current (VSC-HVDC) technology has proved to be a promising solution for offshore wind power grid access. The importance of grid impact studies of wind power integration rises with the rapid increase in the installed wind power capacity. This thesis explores the main technical challenges and features associated with integrating large offshore wind farms into the onshore grid via VSC-HVDC systems. For this purpose, dynamic models of wind turbines and VSC-HVDC are developed and control requirements are analyzed with the aid of a simulation software environment. Enhancements in the controller design are afterwards proposed for the VSC-HVDC converters to improve steady-state and dynamic behavior with a special focus on the offshore grid side converter. The primary frequency control by the VSC-HVDC connected offshore wind farm is investigated, where enhancements for existing kinetic energy control strategies are proposed and verified by simulation results. Additionally, a novel overfrequency-limiting method is developed by utilizing the HVDC chopper.

In Europa werden große Offshore-Windparks mit Windenergieanlagen der Megawatt-Klasse im Nordseeraum errichtet. Die Hochspannungsgleichstromübertragung auf Basis spannungsgeführter Umrichter (VSC-HGÜ) hat sich als vielversprechende Lösung für die Netzanbindung von Offshore-Windparks erwiesen. Mit dem rasanten Anstieg der installierten Windenergieanlagen steigt der Bedarf nach genauen Studien über deren Auswirkungen auf das elektrische Netz. Diese Arbeit untersucht die wichtigsten technischen Herausforderungen und Merkmale, die bei der Netzintegration der Offshore-Windparks über VSC-HGÜ zu berücksichtigen sind. Zu diesem Zweck werden dynamische Modelle von Windenergieanlagen und VSC-HGÜs entwickelt und deren Regelungsanforderungen mit Hilfe einer Simulationssoftware analysiert. Für den Offshore-seitigen HGÜ-Umrichter werden Verbesserungen der Regelungskonzepte vorgestellt, um das stationäre und dynamische Verhalten zu optimieren. Außerdem wird die kurzfristige Frequenzstützung durch den über eine VSC-HGÜ-angeschlossenen Offshore-Windpark untersucht. Hierbei werden Erweiterungen von existierenden Strategien der Frequenzstützung aus den rotierenden Massen (kinetic energy control, KEC) vorgestellt und durch Simulationsergebnisse verifiziert. Zusätzlich wurde ein neuartiges Verfahren zur Begrenzung der Überfrequenz unter Verwendung des HGÜ-Bremswiderstandes entwickelt.

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Suwan, Mohammad: Modeling and control of VSC-HVDC connected offshore wind farms. 2017.

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