Power converter control for offshore wind energy generation and transmission

Abstract

This thesis discusses the control of different power converters that will have a key role in future offshore wind power systems, enabling the integration of the power generated by the wind turbines into the mainland grid. First, an overview of the evolution of wind turbines is presented, from the first prototypes to the latest topologies in use. Then, a new decentralized control strategy of a triple three-phase permanent magnet synchronous generator, a machine topology specifically designed for offshore wind, is presented. The proposed controller is tested on a wind turbine emulator with a scaled down 30 kW nine-phase generator. It has been suggested that future wind power plants could use medium voltage DC collection networks. These would require DC/DC converters to adapt the voltages between the turbine output and the DC collection grid. Based on this idea, the control design of a DC/DC Dual Bridge Series Resonant Converter (DBSRC) unit is developed and tested in a scaled 50 kW converter prototype. The availability of significant energy resources far from the coast favors the idea of creating offshore wind farms. This poses important technical and economical challenges. To this end, Voltage Source Converter-based High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) technology enables high power transmission across distances where High Voltage Alternating Current (HVAC) is impractical. The Modular Multilevel Converter (MMC) is the preferred topology to reach high AC and DC voltages. In this work, the control design of a half-bridge based MMC to enable the converter operation under both normal and unbalanced AC voltage conditions, is addressed. Finally, considering that many offshore wind power plants will be installed in the North Sea in the coming years, a multi-terminal HVDC grid interconnecting several production plants and different points of the mainland grid is envisaged. To deal with DC multi-terminal grid voltage stability, a methodology to address the grid primary voltage control design is proposed based on multivariable frequency methods which are able to evaluate the dynamic behavior of the system.

La present tesi tracta sobre el control dels diferents convertidors que tindran un paper essencial en els futurs sistemes eòlics marins, permetent la integració de la potència generada pels aerogeneradors a la xarxa terrestre. En primer lloc, es presenta un estudi sobre levolució dels aerogeneradors, des dels primers conceptes a les opcions en ús més modernes. A continuació, es detalla una estratègia de control descentralitzada d'una màquina síncrona d'imants permanents de triple estator trifàsic, una topologia específicament dissenyada per eòlica marina. La proposta de control es valida per mitjà d'un emulador de turbina eòlica juntament amb una màquina de nou fases a escala de 30 kW. En els darrers anys s'ha contemplat la possibilitat de que els futurs parcs eòlics emprin corrent continu dins la seva xarxa interna. Per tal de construir aquesta xarxa resulten necessaris convertidors d'adaptació DC/DC entre la sortida de la turbina i la xarxa interna del parc en corrent continu. En base a aquesta proposta, es realitza el disseny del control d'un convertidor DC/DC Dual Bridge Series Resonant Converter (DBSRC). Per validar els resultats obtinguts, es desenvolupa un prototip del convertidor a escala de 50 kW. L'alta disponibilitat de recursos eòlics en indrets allunyats de la costa, afavoreix la creació de nous parcs eòlics marins, fet que presenta reptes econòmics i tècnics importants. Amb aquesta finalitat, la tecnologia Voltage Source Converter High Voltage Direct Current (VSC-HVDC) permet realitzar la transmissió de potència salvant llargues distàncies, on la transmissió High Voltage Alternating Current (HVAC) no és adient. El Modular Multilevel Converter (MMC) és la topologia preferida per assolir altes tensions en AC i DC. En aquest treball, es desenvolupa el disseny del control d'un convertidor MMC amb cel¿les de mig pont per tal d'operar en presència de sots de tensió desequilibrats a la xarxa. Finalment, degut a que en un futur proper s'instal·laran al mar del Nord un gran nombre de parcs eòlics marins, es preveu la creació d'una gran xarxa multiterminal HVDC interconnectant diferents plantes de producció eòlica amb diferents punts de la xarxa terrestre. Per tal d'assegurar l'estabilitat de la xarxa, es proposa una metodologia de disseny del control primari de tensió de la xarxa basada en l'anàlisi freqüencial multivariable, capaç davaluar el comportament dinàmic del sistema.