Protection and Fault Handling in Offshore HVDC Grids

Tidligere mulighetsstudier har demonstrert de potensielle tekniske og økonomiske fordelene med en storskala kabelbasert nettinfrastruktur i Nordsjø-regionen. Et slikt offshore-nett vil kunne koble sammen kraftsystemene i landene omkring Nordsjøen samt gi mulighet for å integrere petroleumsinstallasjoner og offshore vindparker. Framtidig infrastruktur for kraftsystemintegrasjon i Nordsjø-området forventes å utnytte teknologi for høyspent likestrømsoverføring (HVDC) basert på spenningsmatede kraftelektronikktopologier (dvs. Voltage Source Converter (VSC) teknologi) i kabel-baserte multi-terminale (MT) nettkonfigurasjoner. Utvikling av metoder for å unngå utilsiktede interaksjoner mellom ulike deler av VSC-baserte HVDC systemer og design av relevern for feilhåndtering i MT-HVDC nettverk er ansett som de største tekniske utfordringene som må løses før storskala utbygging av kraftsysteminfrastruktur basert på HVDC kabler i et framtidig Nordsjø-nett. Hovedmålet med dette prosjektet har vært å utarbeide metoder, verktøy og retningslinjer som kan støtte utviklingen av offshore MT-HVDC nettverk med høy tilgjengelighet. Den første delen av prosjektet bestod i evaluering av allerede tilgjengelig kunnskap fra andre deler av verden for å etablere grunnlaget for prioritering av forskningsaktiviteter. De viktigste metodene for verifisering av teoretiske analyser og evaluering av ulike metoder utviklet i prosjektet har vært numeriske simuleringer og laboratorietesting. Et bibliotek av modeller for analyse og tidssimulering av mulige MT-HVDC systemkonfigurasjoner har derfor blitt utviklet. Resultatene fra prosjektet omfatter også metoder og numeriske verktøy for analyse av småsignal-stabilitet i VSC-baserte HVDC systemer og for evaluering av hvordan reguleringssystemet for de ulike omformerstasjonene i et MT-HVDC nettverk vil påvirke systemstabiliteten. Prosjektet has videre finansiert en real-time simulator, som har blitt brukt for styring av kraftelektronikkomformere i et tre-terminal laboratorieoppsett for demonstrasjon av VSC-baserte HVDC systemer. Prosjektaktiviteten relatert til design av relevern har hatt hovedfokus på krav til og metoder for feildetektering og feillokalisering i radiale MT-HVDC nettverk. Prosjektet har finansiert to PhD-stipender, ett ved NTNU og ett ved RWTH Aachen, og et post.doc-stipend ved NTNU. Prosjektet har også samarbeidet med en post.doc-stipendiat ved KU Leuven, som har hatt ett års gjesteopphold ved NTNU/SINTEF i løpet av prosjektperioden.

In the last years the initiatives promoting a large-scale offshore grid infrastructure in the North Sea received a growing political support by European institutions. Pre-feasibility studies already demonstrated technical and economic benefits of such an offshore grid for the connection of offshore wind farms, the electrification of oil rigs and the establishment of a pan-European electricity market. The realization of an offshore grid is already theoretically feasible since the major building blocks nec essary for its construction are commercially available. However, the operation of such a complex infrastructure represents a major knowledge need for the industry since no similar configurations are in operation today and standard practices valid for conv entional AC transmission grids cannot be directly transposed. In particular, it is still a challenge to ensure reliable operation and a selective protection. Indeed, the design of the protections is limited by the lack of commercial DC breakers with suita ble specifications. In addition, the large penetration in an electrical system of power converters can produce unexpected interactions with potential impact on the overall reliability. The project addresses these problems by establishing tools and guidel ines to support the design of an offshore grid to maximize the system availability. Focus will be on: - Develop models of offshore grid components for electromagnetic transient studies - Define guidelines to reduce the risks of unexpected interactions be tween components - Define strategies for protection and fault handling - Demonstrate the effectiveness of these tools with numerical simulations and experimental tests. The proposed project can be beneficial for the industries that are involved in the de sign, the construction and the operation of an offshore grid infrastructure.