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Dynamic performance of electrical power systems with high penetration of power electronic converters : analysis and new control methods for mitigation of instability threats and restoration

Korai, Abdul Wahab LSF

The increasing penetration of the power electronic converter-based generation units in the electrical power system have given rise to many challenges to power system operation. Three of the most important challenges are the voltage control, frequency control and the grid restoration by the power electronic converter-based generation units in absence of conventional generation units. Moreover, the controllers of power electronic converter-based generation units can interact with the power system elements i.e. natural resonances and can cause the power system to be unstable. In this thesis, the effect of FSCG-, DFIG-based WTs and onshore as well as offshore HVDC systems is analyzed on the power system stability considering the current grid codes. The dynamic response of the WTs and HVDC systems is studied considering the high share of the power electronic converter-based generation units. It is shown that the power electronic converter-based generation units based on the current grid codes cannot do proper frequency control in power electronic converter dominated grids due to the non-existent dynamic frequency control. The effective voltage control on the other hand is also not possible due to the absence of continuous voltage control. Moreover, the current injection based voltage control is not very effective in island and power electronic converter dominated grids. The restoration of the electrical grid WTs is also not possible due to the non-existent control strategies. It is also shown that the controller of the offshore HVDC converter can interact with the grid resonances if the grid resonances are not considered during the design of such a controller. New and modified control strategies are devised based on the active damping, direct voltage control and dynamic frequency control to help improve the dynamic behavior of the power system in power electronic converter dominated grids. A novel control approach for the restoration of the power system by the WT is also proposed and tested in simulations. In the end, the issue of the operational bottlenecks (overloading of electrical equipment) of the power system due to the integration of the power electronic converter-based generation units in the electrical power system , which causes the re-dispatching of the electrical power, resulting in increased costs, is investigated. New innovative solution are suggested in this thesis to avoid the operational bottlenecks of the power system, thus reducing the re-dispatch costs and making it easier to integrate the renewable energies into the electrical power system.

Der zunehmende Anteil der umrichterbasierten Erzeugungsanlagen in dem elektrischen Energiesystem hat zu vielen Herausforderungen für den Betrieb des Energiesystems geführt. Drei der wichtigsten Herausforderungen sind die Spannungsstabilität, die Frequenzstabilität und der Netzwiederaufbau durch die umrichterbasierten Erzeugungsanlagen ohne konventionelle Erzeugungsanlagen. Darüber hinaus können die Regler der umrichterbasierten Erzeugungsanlagen negativ auf die Netzstabilität auswirken. Diese Interaktionen der Regelung der WEA und HGÜ-Systeme mit der Netzresonanz kann zum totalen Systemzusammenbruch führen. In dieser Arbeit wird die Auswirkung von Vollumrichter-, DGASM-basierten WEA und Onshore- sowie Offshore-HGÜ-Systeme auf die Netzstabilität unter Berücksichtigung der aktuellen Netzanschlussregeln untersucht. Das dynamische Verhalten der WEA und HGÜ-Systeme mit den aktuellen Netzanschlussregeln wird unter Berücksichtigung des hohen Anteils der umrichterbasierten Erzeugungsanlagen untersucht. Es wird demonstriert, dass die umrichterbasierten Erzeugungsanlagen, die mit den aktuellen Netzanschlussregeln zurzeit im Betrieb sind, die effektive Frequenzregelung in den umrichterdominierten Netzen nicht ausführen können, da die dynamische Frequenzregelung in den WEA nicht existiert. Die effektive Spannungsregelung andererseits ist auch nicht möglich wegen der fehlenden kontinuierlichen Spannungsregelung. Darüber hinaus ist die stromeinprägende Spannungsregelung in den Insel- und umrichterdominierten Netzen nicht sehr effektiv. Der Netzwiederaufbau des elektrischen Energiesystems durch die heutigen Regelungen der WEA ist ebenfalls nicht möglich, weil es keine Regelstrategien existieren. Neue und modifizierte Ansätze zur Regelung der umrichterbasierten Erzeugungsanlagen werden auf Basis der aktiven Dämpfung, der direkten Spannungsregelung und der dynamischen Frequenzregelung entwickelt, um das dynamische Verhalten des elektrischen Energiesystems in den umrichterdominierten Netzen zu verbessern. Es wird auch ein neues Regelkonzept zum Netzwiederaufbau des elektrischen Energiesystems durch die WEA vorgeschlagen und seine Wirksamkeit mit den Simulationen demonstriert. Am Ende wird das Problem der Netzengpässe des elektrischen Energiesystems durch die Integration der umrichterbasierten Erzeugungsanlagen in das elektrische Energiesystem, die zum Redispatch und dementsprechend zu zusätzlichen Kosten führt, untersucht. In dieser Arbeit werden neue innovative Lösungen vorgeschlagen, um die Netzengpässe des elektrischen Energiesystems zu vermeiden, wodurch die Kosten minimiert werden können.

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Korai, Abdul Wahab: Dynamic performance of electrical power systems with high penetration of power electronic converters. analysis and new control methods for mitigation of instability threats and restoration. 2019.

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