BRIDGE TYPE FAULT CURRENT LIMITERS FOR FAULT RIDE THROUGH CAPABILITY ENHANCEMENT OF VSC-HVDC SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (PhD thesis_final version) PhD_g201310170_Shafiul_ALAM.pdf - Updated Version Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

عالميا, كان نظام التيار المتردد هو المهيمن في الصناعات الكهربية اذا ما قورن بنظام التيار المستمر لعدة عقود. هذا السيناريو ما لبث ان تغير مع ظهور مزايا فريدة لنظام التيار المستمر متمثلة في: المفاقيد الاقل, التحكمية العالية و الاحتياج لعازلية اقل. جذب محول مصدر الجهد (VSC) المعتمد في طريقه عمله على التيار المستمر العالي الجهد (HVDC) انتباه الباحثين لعدة مزايا متضمنه في هذا النظام, مثل التحكم الذاتي في تنظيم الطاقة, جودة الطاقة العالية, سهولة استعمال انظمة الطاقة المعتمدة على الرياح, سهولة التشغيل في شبكات التيار المتردد الضعيفة و قلة التكلفة التشغيلية. و لكن مع كل هذه المزايا, تواجه هذه الانظمة عدة صعوبات في التعامل مع اخطاء الشبكه المختلفه. يعتبر تحسين الصدع من خلال تحسين القدرة (Fault Ride Through) أحد المتطلبات الرئيسية لأنظمة VSC-HVDC المتصلة بانظمة الرياح. احد الحلول المقترحة هو استخدام محددات تيار العطل (Fault Current Limiters). تم تقديم فئات مختلفة من هذه المحددات للحد من المشاكل الحالية وكذلك تحسين استقرارية نظام الطاقة. من بين الانواع المختلفة لهذه المحددات, هناك ما يعرف ب non-superconducting bride-type fault current limiter (BFCL), وهي تقنية جديدة تساعد في الحد من تيار العطل وكذلك تحسين الأداء الديناميكي لشبكة الطاقة. يقترح هذا البحث إستراتيجية التحكم المعتمدة على BFCL لأنظمة VSC-HVDC من أجل تحسين استقرارية النظام مع وجود أنظمة الرياح. تم اقتراح وحدات تحكم طاقة حقيقية ومتفاعلة (Real and Reactive power)لـ VSC-HVDC بناءً على وضع التحكم الحالي(Current operation mode). يتحكم أحد محولات مصدر الجهد في نظام HVDC في جهد الوصلة المستمر (DC link voltage) بواسطة وحدة تحكم خارجية. تعمل وحدة التحكم الخارجية بواسطة آلية التغذية المرتدة بحيث يكون صافي تبادل الطاقة مع مكثف الوصلة (DC link capacitor) صفرًا. تم اعتبار شبكتين متصلتين بنظام VSC-HVDC والعديد من مزارع الرياح مثل مزرعة الرياح ذات السرعة الثابتة ومولد الرياح ذو التغذية المزدوجة (DFIG). تم تصميم الشبكات ومزرعة الرياح المزودة بأنظمة VSC-HVDC جنبا إلى جنب مع BFCL المقترح وأجهزة التحكم المرتبطة به في نظام المحاكاة الرقمية في الوقت الحقيقي (RTDS). تم تطبيق مجموعه من الاختبارات المختلفة من أجل اظهار فعالية النظام المقترح, حيث وجد أن تقلب الجهد الكهربي للتيار المستمر، تيار العطل، و التقلبات في سرعة الماكينة وتذبذبات الطاقة النشطة تقل بصورة كبيرة بتقنية التحكم BFCL المقترحة

English Abstract

In electric power industry, alternating-current (AC) system has been overwhelmingly dominant over the direct-current (DC) option for long time. However, this scenario is changing in recent years as DC systems are playing an ever increasing role in the overall power systems due to several potential benefits: long distance water crossing, lower losses, controllability, lesser corona loss, and less insulation. Voltage source converter (VSC) based high voltage direct current (HVDC) transmission is attracting research interests for several benefits such as self-regulating control of active and reactive power, improved power quality, comfortable integration of large-scale wind farm, and easy operation with weak AC grid, no reactive power demand, and less operational cost. However, regardless of the numerous advantages, VSC-HVDC systems face difficulties in dealing with different grid faults due to current flow through the antiparallel diodes as well as discharge of DC link capacitors. Fault ride through (FRT) capability enhancement is one of the main requirements for grids connected and wind farm integrated VSC-HVDC systems. A prospective solution to the fault problems mentioned above is to employ fault current limiters. Different categories of fault current limiter such as resistive, inductive, superconducting, flux-lock, DC reactor, and resonance fault current limiter (FCL) have been presented for limiting fault current as well as improving stability of power system. Among different types of FCLs non-superconducting bride-type fault current limiter (BFCL) is new technology having the capability of limiting fault current as well as improving dynamic performance of the power grid. This research proposes BFCL-based control strategy for VSC-HVDC systems in order to limit fault current and enhance fault ride through capability as well as stability. Both grids connected and wind farms integrated VSC-HVDC systems are developed and designed with BFCL. BFCL controller is developed to limit the fault current during the inception of system disturbances with optimal design of BFCL parameters. Real and reactive power controllers for the VSC-HVDC are proposed based on current control mode. One of the voltage source converters in HVDC system controls DC link voltage by outer controller. Outer DC link voltage control is proposed by a feedback mechanism such that net power exchange with DC link capacitor is zero. Two grids connected VSC-HVDC system and several wind farms such as fixed speed wind farm and doubly fed induction generator (DFIG) wind farm integrated VSC-HVDC systems are considered. In the proposed control scheme of DFIG, constant capacitor voltage is maintained by the stator VSC (SVSC) controller while current extraction or injection is achieved by rotor VSC (RVSC) controller. Grids connected and wind farm integrated VSC-HVDC systems along with the proposed BFCL and associated controllers are implemented in real time digital simulator (RTDS). Symmetrical three phase as well as different types of unsymmetrical faults are applied in the systems in order to show the effectiveness of the proposed BFCL solution. DC link voltage fluctuation, fault current, machine speed and active power oscillations are greatly reduced with the proposed BFCL control technique. Another significant feature of this work is that the performance of the proposed control strategy of VSC-HVDC systems with BFCL is compared with the traditional control techniques. Comparative results show that the proposed BFCL based control technique is superior over traditional techniques in limiting fault current as well as improving system FRT capability.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Abido, Dr. Mohammad A.
Committee Co-Advisor:	Al-Hamouz, Dr. Z.M.
Committee Members:	El-Amin, Dr. Ibrahim and Habiballah, Dr. Ibrahim and Ibrir, Dr. Salim
Depositing User:	MOHAMMED ALAM (g201310170)
Date Deposited:	07 Feb 2019 06:49
Last Modified:	30 Dec 2020 13:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140897