Analysis and control of resonances in HVDC connected DFIG-based offshore wind farm

Abstract

Interactions among the widely utilised converter-interfaced grid components and passive grid components can introduce wide-frequency range of resonances, thus induce massive harmonic distortions and even endanger system stability. Their consequences might be the tripping of renewable and conventional generation units or the physical damage of sensitive grid assets. Motivated by recent years’ resonance incidents in wind-integrated power systems, this study investigates the resonance-induced harmonic distortion and stability issues in doubly fed induction generator (DFIG)-based offshore wind farm (OWF) with high-voltage direct current (HVDC) grid connection. The objective of this study is to accurately characterize the resonances, evaluate their risks and provide solutions for the design of mitigation strategy. To accurately capture the dynamic characteristics of DFIG-based wind farm, a comprehensive impedance modelling considering the detailed PI control loop and DC dynamics of wind turbine as well as the cable connections of the medium-voltage (MV) collector system is conducted. Through stepwise simulation verifications, aggregated modelling of MV collector system is proved to be suitable for wideband resonance analysis. On this basis, both Bode-plot method and resonance mode analysis (RMA) approach have been adopted to address the resonance issues taking into account various wind farm operating conditions and grid topology changes. Their impacts on resonance frequency, harmonic amplification level and damping level are investigated. The locations where resonances can be most easily excited are identified through bus participation factor analysis. Moreover, the impact of the frequency-coupling effects from asymmetrial converter control and switching operations on subsynchronous resonance (SSR), middleand high-frequency resonances is analyzed using the aggregated models derived from a practical HVDC connected DFIG-based OWF. Large harmonic distortion and stability issues are demonstrated for the frequency range from several Hz to a few kHz. In order to prevent the negative impact of resonances on power quality and system stability, a series of active damping possibilites have been studied and implemented in the studied wind-integrated power system, and a coordinated damping strategy which can effectively damp wideband resonances is proposed. Finally, simulations in MATLAB/Simulink validate the results of impedance modelling, resonance analysis as well as the effectiveness of the wideband resonance damping strategy.

Wechselwirkungen zwischen den weit verbreiteten wechselrichtergekoppelten Netzkomponenten und den passiven Netzkomponenten können einen breiten Frequenzbereich von Resonanzen aufweisen, wodurch massive harmonische Verzerrungen hervorgerufen und sogar die Systemstabilität gefährdet werden. Ihre Folgen könnten die Trennung erneuerbarer und konventioneller Stromerzeuger vom Netz oder die physische Beschädigung empfindlicher Netzanlagen sein. Motiviert durch die Resonanzereignisse der letzten Jahre in windintegrierten Stromversorgungssystemen, untersucht diese Dissertation die resonanzinduzierten harmonischen Verzerrungs- und Stabilitätsprobleme in einem Offshore-Windpark (OWF) mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) und Netzanschluss mittels Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ). Ziel dieser Dissertation ist es, die Resonanzen genau zu charakterisieren, ihre Risiken zu bewerten und Lösungen für die Gestaltung der Minderungsstrategie bereitzustellen. Um die dynamischen Eigenschaften eines DFIG-basierten Windparks genau zu erfassen, wird eine umfassende Impedanzmodellierung unter Berücksichtigung des detaillierten PIRegelkreises und der Gleichstromdynamik der Windkraftanlage sowie der Kabelverbindungen des Mittelspannungskollektorsystems (MV) durchgeführt. Durch schrittweise Simulationsüberprüfungen hat sich die aggregierte Modellierung des MVKollektorsystems für die Breitbandresonanzanalyse als geeignet erwiesen. Auf dieser Grundlage wurden sowohl die Bode-Plot-Methode als auch der Ansatz der Resonanzmodusanalyse (RMA) angewendet, um die Resonanzprobleme unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsbedingungen des Windparks und Änderungen der Netz-Topologie anzugehen. Ihre Auswirkungen auf die Resonanzfrequenz, die harmonische Verzerrungen und die Dämpfungen zu Resonanzen werden untersucht. Die Orte, an denen Resonanzen am einfachsten angeregt werden können, werden durch die Busbeteiligungsfaktoranalyse identifiziert. Darüber hinaus wird der Einfluss der Frequenzkopplungseffekte von Steuerungs- und Schaltvorgängen für asymmetrische Wandler auf subsynchrone Resonanz- (SSR), Mittel- und Hochfrequenzresonanzen unter Verwendung der aggregierten Modelle analysiert, die aus einem praktischen HGÜverbundenen DFIG-basierten OWF abgeleitet wurden. Für den Frequenzbereich von mehreren Hz bis zu einigen kHz werden große harmonische Verzerrungs- und Stabilitätsprobleme gezeigt. Um den negativen Einfluss von Resonanzen auf die Stromqualität und die Systemstabilität zu verhindern, wurde eine Reihe aktiver Dämpfungsmöglichkeiten untersucht und in das untersuchte windintegrierte Stromnetz implementiert, und es wird eine koordinierte Dämpfungsstrategie vorgeschlagen, mit der Breitbandresonanzen effektiv gedämpft werden können. Schließlich validieren Simulationen in MATLAB / Simulink die Ergebnisse der Impedanzmodellierung, der Resonanzanalyse sowie die Wirksamkeit der Breitbandresonanzdämpfungsstrategie.