HVDC technologies are very effective on long distance power transmission but generally raise large interrogations as how to determine an effective configuration. This thesis propose part of an optimization process in order to determine an optimal configuration for an HVDC installation, emphasizing in this report the impact of the conductor selection and of the filter design.  The conductor selection, including varying voltages raises concern about the knowledge of the energy cost evolution in order to determine its optimum and a sensitivity analysis is proposed to evaluate the impact of this factor on the final design. The conductor selection approach made it possible to determine the key parameters in choosing a conductor which are the radius and number of conductors. Different types of conductors and configurations were compared with different scenari for energy cost in order to determine the most economical conductor.  Filter design is a matter that concerns both the internal components and the AC components of the HVDC station but can also be considered as an optimization process, considering the total losses of the filters and the total harmonic distortion and using a minimax approach.  The optimization approach, based on a Newton-Raphson algorithm, made it possible to determine an optimal combination of filters in order to account for all the power range in the HVDC link. It was observed that even though the actual choice for the design was close to the final design selected, it was not optimal for low power harmonics. / HVDC är en mycket effektiv teknik för kraftöverföring av elektrisk energi på långa avstånd, men ställer generellt stora krav på hur man genomför en effektiv konfiguration. Denna avhandling föreslår en del av en optimeringsprocess för att bestämma en optimal konfiguration för en HVDC-anläggning. Det som betonas i denna rapport är effekterna av val av ledare och design av filter. Ledarvalet, inklusive val av spänning, kräver en prognostisering av energikostnadernasutvecklingen för att optimera designen och göra en känslighetsanalys för att utvärdera effekterna av dessa faktorer på den slutliga utformningen. Tillvägagångssättet för ledarval gjorde det möjligt att fastställa de viktigaste parametrarna att välja en ledare som är radien och antal delledare. Olika typer av ledare och konfigurationer jämfördes med olika scenario för energikostnaden för att bestämma denmest ekonomiska ledaren. Filterdesignen är en fråga som berör både de inre komponenterna och AC komponenter i HVDC-stationen, men kan också betraktas som en optimeringsprocess, med avseende på de totala förlusterna av filtren och total harmonisk distorsion och med hjälp av en minimax tillvägagångssätt. Optimeringsstrategin som bygger på en Newton-Raphsons algoritm, gjorde det möjligt att fastställa en optimal kombination av filter för att ta hänsyn till alla effektområden i HVDC-förbindelsen. Det observerades att även om det faktiska valet för konstruktionen var nära den slutliga utformning som valdes, så var den inte optimala för låga  övertoner.

“High voltage direct current” (HVDC) teknologi har blivit allt viktigare teknik för att integrera förnybara energikällor i elnätet. För att styra ett sådant elsystem på bästa möjliga sätt krävs optimala kontrollstatergier både för omvandlarna och nätet. Så syftet med detta projekt är att undersöka hur olika regleringsmetoder, såsom centraliseradoch distribuerad spänningskontroll, kan påverka driften i ett 4-terminal HVDC-system. Ett optimalt effektflöde uppstår i systemet endast när likspänningen inte avviker från sitt börvärde och det uppnås genom att ha aktiv effekt regulator i varje nod i nätet. Olika scenarier som ändring av effektens börvärde och omvandlaravbrott har simulerats med hjälp av HIL-processen i realtid. Simuleringarna hjälper till att analysera hur väl dem implementerade regleringsmetoder i nodernas regulatorer hantera dessa förändringar. Resultatet ger bevis på att både centraliseradoch distruebued metoden har positiva och negativa aspekter. Fördelen med centraliserade metoden är att den ger en väldefinierad operationspunkt men den hanterar den inte svåra transienter (tex. avbrott) vilket distribuerade metoden gör.

The aim of the present thesis is to improve and optimize a Thomson coil based actuatorfor medium voltage vacuum interrupters. The Thomson coil based actuator’s concept isdiscussed. The thesis presents analytical as well as finite element models of the actuatoralong with a comparison of their results. Several experimental setups have been built forthis degree project and they are described in the thesis. Measurements from these setupsare also compared to simulation results. The thesis concludes by drawing conclusionsfrom the compared results and proposes possible directions for additional work in thenear future. / Målsättningen för denna uppsats är att förbättra och optimera en aktuator för mellanspänningsvakuumbrytare baserad på en Thomsonspole. Aktuatorkonceptet analyserasoch diskuteras. Uppsatsen presenterar analytiska modeller såväl som numeriska modellerför FEM av aktuatorn, samt jämförelser av resultaten från simuleringar gjorda av dessa.Flera experimentuppställningar har byggts under detta examensprojekt och beskrivs idenna uppsatsen. Mätningar från dessa uppställningar jämförs också med resultaten frånsimuleringarna. Uppsatsen drar slutligen slutsatser utifrån resultaten och föreslår möjligavägar för ytterligare arbete på området inom en snar framtid.

Meshed high-voltage direct current grids are becoming an increasingly important technology for integrating renewable energies into the power system. To control the grids in the best possible way, optimal converter and grid control strategies are needed. This project studies how a four-terminal high-voltage direct current grid is operated and controlled by implementing different grid and converter control strategies. The grid control strategies examined are centralized voltage control and distributed voltage control with and without deadband. Simulations are made in the software PSCAD. Different fault types on the grid are studied to investigate how the power flow and voltage level are affected. An optimal value for both the deadband width and droop constant has been identified. Moreover, the results indicate that centralized droop control is not a suitable grid control strategy, whereas distributed voltage control with and without deadband are. The fault study indicates no differences between distributed voltage control with and without deadband. The power flow and voltage levels are identical for all fault types. / Högspända likströmsnät spelar en allt större roll med att integrera förnyelsebar energi i våra elnät. För att styra dessa nät på bästa möjliga sätt krävs optimala omvandlar- och nätkontrollstrategier. I detta projekt studeras hur ett fyrterminalt högspänt likströmsnät kan styras och drivas genom att implementera olika omvandlar- och nätkontrollstrategier. De nätkontrollstrategier som studerats är centraliserad spänningskontroll och distribuerad spänningskontroll med och utan ett spänningsintervall. Alla simuleringar har utförts i programmet PSCAD. Olika fel i nätet har även studerats för att undersöka hur effektflödet och spänningsnivån påverkas. Ett optimalt värde på både spänningsintervallet och droop konstanten har identifierats. Dessutom har resultat som indikerar att centraliserad spänningskontroll inte är en lämplig nätkontrollstrategi erhållits, medan distribuerad spänningskontroll med och utan spänningsintervall är det. Felsimuleringarna påvisar ingen skillnad mellan distribuerad spänningskontroll med och utan spänningsintervall. Effektflödet och spänningsnivån är identiska för alla fel.

It is anticipated that massive amounts of energy will be transferred long distances via High-Voltage Direct Current (HVDC) links in the future and the prospect of having meshed HVDC grids is envisioned, for example the European super grid. Such a power system would benefit greatly if HVDC circuit breakers could reliably clear faults within the HVDC network. Different ways to break large direct currents have been proposed throughout the years and one distinguished concept is based on generating an artificial zero-crossing of the current and pass it through a mechanical interrupter as it opens. This concept is implemented in the Voltage-Source Converter Assisted Resonant Current (VARC) circuit breakers developed at Scibreak which require auxiliary power from an off-line supply unit to energize their electronic equipment. This thesis continuous and builds on research previously carried out at Scibreak on a special Auxiliary Power Supply (APS) concept for 525 kV HVDC applications. In essence, it is a unique modularized high-frequency transformer whose power transfer and voltage withstand capabilities are the cornerstones of its design. The APS must supply an adequate amount of power to drive the VARC circuit breakers with preferably high efficiency while also fulfilling the considerable insulation demands of HVDC grids. A feasibility study of this APS concept was carried out by building a parametric 3D model in the Finite Element Analysis (FEA) software Ansys Maxwell which includes all parts that affect both its magnetic and electrical properties. The initial model reproduced experimental results from a magnetic APS prototype and was then used to explore a plethora of different geometries and materials with regards to its magnetic and dielectric designs. Specific design candidates were selected for more in-depth analysis and experimental work. All obtained results together with knowledge of commercially available materials show that the APS holds great promise to meet the necessary design criteria for its HVDC applications. Its dielectric design is well suited to continuously handle an operating voltage of 525 kV DC, meet the required impulse voltage levels of the grid and properly shield the magnetic structure. It is expected to have a long life time where the design criterion was always 30 years in this work. Moreover, its magnetic design is anticipated to supply a few kW of active power with efficiencies between 80 to 95 percent and manage a continuous operating time of 5 min. Both design aspects are interchangeable to a decent extent in order to cope with one another and produce a compromised design. / Det förväntas att enorma mängder energi kommer överföras långa sträckor med Högspänd Likström (HVDC) i framtiden och blivande HVDC-nät håller på att föreställas, till exempel det europeiska superelnätet. Ett sådant kraftsystem skulle ha stor nytta av HVDC-brytare som tillförlitligt kan bryta felströmmar inom HVDC-nätet. Olika sätt att bryta stora likströmmar har föreslagits med åren och ett distinkt koncept bygger på att generera en artificiell nollgenomgång av strömmen och föra den genom en mekanisk brytarkammare när den öppnas. Detta koncept är implementerat i de så kallade VARC-strömbrytarna som utvecklas hos Scibreak, vilka kräver hjälpmatning av effekt från en extern försörjningsenhet för att driva deras elektroniska utrustning. Denna avhandling fortsätter och bygger vidare på forskning som tidigare utförts hos Scibreak på ett speciellt Hjälpmatningskoncept (APS) för 525 kV HVDC-tillämpningar. I huvudsak är det en unik modulariserad högfrekvenstransformator vars kraftöverföring och spänningståligheter är huvudfokusen i dess design. Hjälpmatningen måste kunna leverera en tillräcklig mängd effekt för att driva VARC-brytarna med företrädesvis hög verkningsgrad, samtidigt som den ska uppfylla de betydande isolationskraven för HVDC-nät. En genomförbarhetsstudie av detta APS-koncept gjordes genom att bygga en parametrisk 3D modell i Finita Elementmetodsprogramvaran (FEM) Ansys Maxwell som inkluderar alla delar som påverkar både dess magnetiska och elektriska egenskaper. Den initiala modellen reproducerade experimentella resultat från en magnetisk APS-prototyp och användes sedan för att utforska en uppsjö av olika geometrier och material med avseende på dess magnetiska och dielektriska konstruktioner. Specifika designkandidater valdes ut för mer djupgående analys och experimentiellt arbete. Alla erhållna resultat tillsammans med kunskap om kommersiellt tillgängliga material visar att APS:n har stora möjligheter att uppfylla alla nödvändiga kriterier för sina HVDC-tillämpningar. Dess dielektriska design är väl lämpad för att kontinuerligt hantera en driftspänning på 525 kV DC, möta de erforderliga stötspänningståligheterna i nätet och ordentligt skydda den magnetiska strukturen. Den förväntas ha en lång livstid där designkriteriet alltid var 30 år i detta arbete. Dessutom förväntas dess magnetiska design leverera några kW aktiv effekt med verkningsgrader mellan 80 till 95 procent och klara en kontinuerlig drifttid på 5 min. Båda designaspekterna kan justeras i en någorlunda utsträckning för möta de krav som ställs från varandra och producera en kompromissad design.

Transformers emit a characteristic humming noise due to magnetostriction which is the continuous change in dimensions during magnetization. The noise is amplified if the induced frequencies match the core’s natural frequencies, consequently avoiding geometries that create resonance is critical in order to fulfill customer sound level requirements. In this thesis, a high voltage direct current transformer core with two main limbs and two return limbs is studied. Using finite element analysis (FEA), the core can be modeled and analyzed in a computer environment. The main contributors of noise are the first bending and longitudinal resonance modes. Data for how these modes change with geometric alterations is collected and stored through parametric studies. An analytical expression is then constructed through Rayleigh’s energy method with added coefficients that can be correlated to FEA datasets achieving a verified model via data-fitting. A satisfactory model is created for both resonance modes. / Transformatorer avger ett karaktäristiskt surrande ljud. Ljudet uppkommer på grund av magnetostriktion vilket är förändringar i geometri som uppkommer då kärnan kontinuerligt magnetiseras. Ljudet förstärks om induktionsfrekvenserna matchar kärnans naturliga frekvenser, så att undvika kärngeometrier som skapar resonans är viktigt för att klara ljudnivåkrav som kunden har. I denna studie betraktas resonansfenomenet i en högspänningstransformator för likström (HVDC) med två lindade ben och två sidoben. Med avstamp i en finita elementanalys (FEA) kan kärnan modelleras och analyseras i en datormiljö. Data för hur resonansmoderna som bidrar mest till ljud förändras med förändringar av geometriska parametrar samlas genom parametriska studier. I detta fall analyseras de första böj- och longitudinella resonansmoderna. Ett analytiskt uttryck skapas sedan med hjälp av Rayleigh’s energimetod där coefficienter anpassas efter FEA-datan. Detta leder slutligen till en verifierad modell som fungerar väl för uppskattning av de båda relevanta resonansmoderna.

[EN] New objectives for energy generation from renewable sources have led to an increase in not only installed, but also planned off-shore wind power plants. These facilities are located in particularly favourable geographical area like the North Sea due to their proximity to the coast and the shallowness of these bodies of water. The evacuation of the energy produced by the off-shore wind power plants to the transmission networks poses a technological challenge, and reliable and robust marine facilities have been due to. When distance to the shore is more than 60 km, HVDC links have proved to be the most cost-effective solution. The first option for converters was the line commutated ones (LCC). However, voltage source converter (VSC) has gained the most ground. But these are not the sole true alternatives. Taking into consideration both wind turbines and their connection to the HVDC link, control strategies that allow the use of other types of converters can be set, such as uncontrolled diode bridge rectifiers (DR). Some advantages of using this type of converter are the reduction in conduction losses, the reduction in installation costs and increased reliability. This theoretical solution in likely to be marked in the hands of the company SIEMENS, who has already announced that the first units will go on sale as early as 2016. Networks are becoming more extensive and now the interconnection of more than two points is necessary. Multiterminal systems have naturally emerged as a response to the needs of today's networks, increasing the flexibility and reliability of transmission systems. The facilities currently designed are using VSC converters. However if the connecting points already in service are to be expanded, it is necessary to consider hybrid multiterminal systems combining several technologies. This thesis proposes HVDC-DR-VSC hybrid system for connecting offshore wind plants to on-shore network (point-to-point link), and the connection of HVDC-DR stations to HVDC multiterminal networks. For this purpose components of both systems have been described and modelled, and control strategies have been proposed for proper operation, both in steady state and transient. Protection systems have also been envisaged for short circuits, in either marine and terrestrial network transmission grid or in HVDC link. Furthermore models and control strategies have been validated by PSCAD simulations and the corresponding analysis of small signal stability. Based on studies performed it can be concluded that the proposed hybrid multiterminal system is robust and stable; able to be integrated into transmission networks, offering support tasks to the network and achieving a reduction in the cost of traditional offshore wind farms. Optimization criteria has been used to calculate the distribution of currents between the VSC converters controlling voltage, meaning that losses are minimized in submarine cables. The calculation has been extended to the case of a n terminals network for both radial and meshed configuration. In the radial case, voltage control has been performed so that the optimum distribution is maintained without communications between terminals even if the operating point changes. The results obtained using wind turbines with permanent magnet synchronous generators can be extended to variable speed wind turbines with full power converters, which are known as Type 4. / [ES] Debido a los objetivos recientes de generación de energía a través de fuentes renovables, se ha producido un aumento de la potencia eólica de los parques marinos, tanto instalada como en proyecto. Estas instalaciones están localizadas en zonas geográficas particularmente favorables, como las del Mar del Norte, debido a la proximidad de la costa y la escasa profundidad de sus aguas. La evacuación de la energía de los parques eólicos marinos a las redes de transporte se convierte en un reto tecnológico buscando instalaciones fiables y robustas. Para distancias a la costa de más de 60 km, la opción más económica ha resultado ser las líneas de alta tensión en continua (HVDC). La opción que cuenta con más experiencia son los convertidores conmutados por red (LCC), aunque actualmente ganan terreno los convertidores de conmutación forzada, controlados por fuente de tensión (VSC). Pero éstas no son las únicas alternativas. Considerando los aerogeneradores que conforman el parque eólico y su conexión al enlace HVDC de forma conjunta, se pueden establecer estrategias de control que permitan el uso de otros tipos de convertidores, como son los rectificadores no-controlados con puentes de diodos (DR). Algunas de las ventajas del uso de este tipo de convertidor son la disminución en las pérdidas de conducción, la reducción en los costes de instalación y el aumento en la fiabilidad. Esta solución teórica verá pronto la luz en el mercado de la mano de la empresa SIEMENS, quien ya ha anunciado que las primeras unidades se pondrán a la venta en el año 2016. Las redes HVDC se están haciendo cada vez más extensas y es necesaria la interconexión de más de dos puntos surgiendo de forma natural los sistemas multipunto, más flexibles y fiables. Las instalaciones actualmente diseñadas están utilizando convertidores VSC. No obstante si se pretende extender estas redes conectándolas con puntos ya en servicio es necesario considerar los sistemas multipunto híbridos, donde convivan varias tecnologías. En la presente tesis se propone un sistema híbrido HVDC-DR-VSC para el conexionado de plantas eólicas marinas (enlace punto-a-punto), así como el conexionado de estaciones HVDC-DR a redes HVDC multipunto. Para ello se han descrito y modelado los componentes de ambos sistemas y se han propuesto estrategias de control para su correcto funcionamiento, tanto en régimen permanente como transitorio. También se han propuesto protecciones contra cortocircuitos, tanto en la red marina como en la red terrestre de transporte, o en el enlace HVDC. Los modelos y las estrategias de control se han validado mediante simulación con PSCAD y con los correspondientes análisis de estabilidad en pequeña señal. Tras todos los estudios realizados se puede concluir que el sistema multipunto híbrido propuesto es robusto y estable, capaz de integrarse en las redes de transporte ofreciendo funciones de soporte y posibilitando una reducción en los costes de las instalaciones eólicas marinas tradicionales. En el reparto de las corrientes entre los convertidores VSC que controlan la tensión continua se han utilizado criterios de optimización que minimizan las pérdidas en los cables submarinos. El cálculo se ha extendido al caso de una red de n terminales, tanto para la configuración radial como mallada. En el caso radial el control mantiene el reparto óptimo sin necesidad de comunicaciones entre los terminales, aún cambiando el punto de funcionamiento. Los resultados obtenidos utilizando aerogeneradores con máquina síncrona de imanes permanentes se pueden extender a aerogeneradores de velocidad variable con convertidores de plena potencia, los denominados Tipo 4. / [CA] A causa dels objectius recents de generació d'energia a través de fonts renovables, s'ha produït un augment de la potència eòlica dels parcs marins, tant de la potència instal.lada com de la que està en projecte. Aquestes instal.lacions estan localitzades en zones geogràfiques especialment propícies, com ara les del Mar del Nord, degut a la seua proximitat amb la costa i l'escassa profunditat de les aigües. L'evacuació de la energia dels parcs eòlics marins a les xarxes de transport es converteix en un repte tecnològic, buscant instal.lacions marines fiables i robustes. Quan la distància a la costa supera els 60 km, l'opció que ha resultat més econòmica són les línies d'alta tensió contínua (HVDC). L'opció amb més experiència son els convertidors commutats per xarxa (LCC) encara que actualment van guanyant terreny els convertidors de commutació forçada, controlats per font de tensió (VSC). Però aquestes no són les úniques alternatives. Si considerem els aerogeneradors i la connexió al enllaç HVDC de forma conjunta, es poden establir estratègies de control que permeten l'ús d'altres tipus de convertidors, com ho són els rectificadors no controlats en pont de díodes (DR). Els avantatges d'aquest tipus de convertidor són la disminució en les pèrdues de conducció, la reducció en els costos d'instal.lació i l'augment en la fiabilitat. Aquesta solució teòrica veurà prompte la llum en el mercat de la mà de l'empresa SIEMENS, qui ja ha anunciat que les primeres unitats es posaran a la venda l'any 2016. Les xarxes HVDC s'estan fent cada vegada més extenses i és necessària la interconnexió de més de dos punts. Sorgeixen llavors de forma natural els sistemes multipunt, augmentant la flexibilitat i fiabilitat dels sistemes de transmissió. Actualment, les instal¿lacions dissenyades estan utilitzant convertidors VSC. No obstant això, si es pretén estendre aquestes xarxes connectant-les amb punts ja en servei, és necessari considerar els sistemes multipunt híbrids, on convisquen diverses tecnologies. En la present tesi es proposa un sistema híbrid HVDC-DR-VSC per ala connexió de plantes eòliques marines (enllaç punt-a-punt) així com la connexió d'estacions HVDC-DR a xarxes HVDC multipunt. Per a això s'han descrit i modelitzat els components d'ambdós sistemes, i s'han proposat estratègies de control per al funcionament correcte, tant en règim permanent com transitori. També s'han proposat proteccions per a curtcircuits, tant en la xarxa marina com en la xarxa terrestre de transport, o en l'enllaç HVDC. Els models i les estratègies de control s'han validat per mitjà de simulació amb PSCAD i amb les corresponents anàlisis d'estabilitat en xicoteta senyal. Després de tots els estudis realitzats es pot concloure que el sistema híbrid multipunt proposat és robust i estable, capaç d'integrar-se en xarxes de transport, i d'oferir funcions de suport a la xarxa i possibilitar una reducció en els costos de les instal¿lacions eòliques marines tradicionals. En el repartiment dels corrents entre els convertidors VSC que controlen la tensió contínua s'han utilitzat criteris d'optimació, de manera que es minimitzen les pèrdues en els cables submarins. El càlcul s'ha estès al cas d'una xarxa de n terminals, tant per a la configuració radial com mallada. En el cas el control manté el repartiment òptim sense necessitat de comunicacions entre els terminals i encara que canvie el punt de funcionament. Els resultats obtinguts utilitzant aerogeneradors amb màquina síncrona d'imants permanents es poden estendre a aerogeneradors de velocitat variable amb convertidors de plena potència, els denominats de tipus 4. / Bernal Pérez, SI. (2015). Integración híbrida multipunto en el sistema eléctrico de grandes parques eólicos marinos a través de redes de alta tensión en continua [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59408

No description available.

This thesis develops the dynamic phasor model of a line-commutated converter (LCC) high-voltage direct current (HVDC) transmission system. The mathematical definition and properties of dynamic phasors are utilized to model both the dc-side and the ac-side of a LCC-HVDC transmission system as well as 6-pulse Graetz bridge, which is the building block of such a system. The developed model includes low-frequency dynamics of the systems, i.e., fundamental frequency component (50 Hz) at the ac-side and dc component at the dc-side, and removes high-frequency transients. The developed model, however, is capable of accommodating higher harmonics if necessary. The model is also able to simulate the system during abnormal modes of operations such as unbalanced operation and commutation failure. In order to develop the dynamic phasor model of a line-commutated converter, the concept of switching functions is utilized. The developed model is capable of capturing large-signal transients of the system as well as steady state operating conditions. The model can be used in order to decrease the computational intensity of LCC-HVDC simulations. The developed model in this thesis enables the user to consider each harmonic component individually; this selective view of the components of the system response is not possible to achieve in conventional electromagnetic transient simulations. / October 2016

Offshore wind power is attracting increasing levels of research and investment. The use of HVDC transmission and the development of DC grids are topics with similar high levels of interest that go hand in hand with the development of large scale, far from shore wind farms. Despite increased capital cost of some components, DC power transmission can have significant advantages over AC transmission, in particular in the offshore environment. These advantages are well established for large scale, long distance point to point transmission. This thesis assesses the suitability of a multi-terminal DC power collection network, with short cables and relatively small amounts of power, addresses a number of the technical challenges in realising such a network and shows methods for overall system cost reduction. Technical and modelling challenges result from the interaction between power electronic DC-DC converters and the cables in a DC transmission network. In particular, the propagation of the ripple current in bipole DC transmission cables constructed with a metallic sheath and armour is examined in detail. The finite element method is used to predict the response of the cable to the ripple current produced by the converters. These results are used along with wave propagation theory to demonstrate that cable design plays a crucial role in the behaviour of the DC system. The frequency dependent cable models are then integrated with time domain DC-DC converter models. The work in the thesis is, broadly, in two parts. First, it is demonstrated that care and accuracy are required in modelling the cables in the DC transmission system and appropriate models are implemented and validated. Second, these models are combined with DC-DC converter models and used to demonstrate the practicality of the DC grid, make design recommendations and assess its suitability when compared with alternative approaches (e.g. AC collection and/or transmission).