Research Ac*vi*es in Wind Power Professor Remus - - PowerPoint PPT Presentation

SLIDE 1

Research ¡Ac*vi*es ¡ in ¡ ¡ Wind ¡Power ¡ ¡

Professor ¡Remus ¡Teodorescu ¡ Aalborg ¡University ¡ Energy ¡Department ¡ ret@et.aau.dk ¡ ¡ www.et.aau.dk ¡

December ¡10, ¡2012 ¡

SLIDE 2

Founded ¡in ¡1974 ¡

Aalborg ¡University ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 2 ¡

SLIDE 3

Organisa*on ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 3 ¡

SLIDE 4

• Power ¡Electronics ¡for ¡Wind ¡Power ¡
• Grid ¡Supports ¡with ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡
• Storage ¡System ¡for ¡Grid ¡Support ¡
• Grid ¡Integra*on ¡of ¡PV ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 4 ¡

SLIDE 5

• Record ¡installa*on ¡of ¡41.7 ¡GW ¡(6% ¡increase ¡from ¡2010) ¡in ¡spite ¡of ¡the ¡financial/economic ¡crisis. ¡
• The ¡biggest ¡annual ¡markets ¡in ¡2011 ¡were ¡China ¡– ¡17.6 ¡GW, ¡ ¡Europe ¡– ¡10.2 ¡GW,followed ¡by ¡USA ¡– ¡6.7 ¡GW ¡
• The ¡cumula*ve ¡worldwide ¡installed ¡wind ¡power ¡by ¡end ¡of ¡2011 ¡was ¡241 ¡GW ¡
• The ¡biggest ¡cumula*ve ¡market ¡was ¡Europe ¡– ¡87.5 ¡GW ¡(43.7%) ¡followed ¡by ¡ ¡Asia ¡85.3 ¡GW ¡and ¡USA ¡– ¡40.2 ¡GW ¡

(20.1%) ¡

• Offshore ¡installa*ons ¡mainly ¡in ¡Europe ¡was ¡470 ¡MW ¡(67.5% ¡reduc*on ¡from ¡2010). ¡
• The ¡average ¡growth ¡rate ¡for ¡2012-­‑2016 ¡is ¡10%. ¡In ¡2016 ¡510.9 ¡GW ¡cumula*ve ¡installa*on ¡
• The ¡worldwide ¡accumulated ¡installed ¡power ¡forecasted ¡by ¡2021 ¡is ¡roughly ¡1 ¡TW, ¡leading ¡to ¡a ¡global ¡wind ¡power ¡

penetra*on ¡of ¡ ¡8% ¡

Wind ¡Energy ¡Systems ¡

Power ¡Electronics ¡for ¡Renewable ¡Energy ¡ Systems ¡Course, ¡ ¡Aalborg ¡University ¡ 11-­‑Dec-­‑12 ¡ 5 ¡

SLIDE 6

• Vestas ¡is ¡nr. ¡1 ¡with ¡12.9% ¡(1.4% ¡drop ¡from ¡2010) ¡
• Four ¡chinese ¡manufacturers ¡are ¡in ¡Top ¡10 ¡ ¡
• Danish ¡Vestas ¡and ¡Siemens ¡Wind ¡stand ¡for ¡over ¡20% ¡of ¡the ¡worldwide ¡market ¡
• 2 ¡-­‑ ¡3MW ¡WT ¡are ¡s*ll ¡the ¡"best ¡seller" ¡on ¡the ¡market! ¡ ¡
• Averaged ¡size ¡on-­‑shore ¡in ¡2011 ¡is ¡1.67 ¡MW ¡and ¡off-­‑shore ¡3.7 ¡MW ¡
• 3 ¡-­‑ ¡7 ¡MW ¡WT ¡are ¡used ¡for ¡off-­‑shore ¡farms, ¡ex. ¡Vestas ¡-­‑8MW, ¡Enercon ¡– ¡6-­‑7.5 ¡MW, ¡Siemens ¡– ¡6 ¡MW, ¡ ¡GE ¡– ¡4 ¡MW ¡

¡Wind ¡Turbine ¡development ¡

Power ¡Electronics ¡for ¡Renewable ¡Energy ¡ Systems ¡Course, ¡ ¡Aalborg ¡University ¡

Wind ¡Energy ¡Systems ¡

11-­‑Dec-­‑12 ¡ 6 ¡

SLIDE 7

Wind Power Processing

11 ¡December ¡2012 ¡ 7 ¡

Full power converters for WT

• All ¡power ¡goes ¡through ¡the ¡power ¡converter, ¡full ¡speed ¡control ¡
• AC-­‑AC ¡decoupling ¡by ¡means ¡of ¡the ¡DC ¡bus ¡ ¡
• Full ¡ac*ve/reac*ve ¡power ¡control ¡
• Low-­‑voltage ¡ride-­‑through ¡capability ¡
• More ¡expensive ¡and ¡lager ¡converter ¡than ¡in ¡DFIG ¡

Wind ¡Turbine ¡Technology ¡

SLIDE 8

Wind ¡Turbine ¡Technology ¡

Nacelle:

Gearbox if used PM Generator Mechanical Brake Pitch Drive

Lower section of the tower

Wind Turbine Controller Power Converter Main Transformer Auxiliary distribution MV Switchgear

Permanent Magnet Generator Brake Pitch Drive Wind Turbine Controller Frequency Converter Generator Side Converter Grid Side Converter Converter Controller Line Coupling Transformer Medium Voltage Switchgear 10 33kV, 50 or 60Hz

Key components: From IGCT to a 9MVA Converter

Current ¡Developments, ¡Areva ¡MulBbrid ¡M5000/ABB ¡

MV ¡– ¡3,3 ¡kV ¡out ¡ Rated ¡power: ¡5-­‑10 ¡MW ¡ ¡ Turbine ¡concept:1 ¡stage-­‑ ¡Gearbox, ¡variable ¡speed, ¡variable ¡pitch ¡ control ¡ ¡ Generator: ¡MV ¡PMSM ¡ Converter: ¡ ¡FSC ¡(NPC-­‑IGCT) ¡located ¡at ¡base ¡of ¡tower ¡ Market ¡-­‑ ¡Offshore ¡

December ¡11, ¡2012 ¡ 8 ¡

SLIDE 9

Wind Turbines

11 ¡December ¡2012 ¡ 9 ¡

Vestas Wind Systems A/S Denmark

Vestas V164 off-shore turbine Rated power: 8,000 kW Rotor diameter: 164 m Hub height: min. 105m Turbine concept: medium-speed gearbox, variable speed, variable pitch, full-scale power converter Generator: permanent magnet Prototype: 2013

Wind ¡Turbine ¡Technology ¡

SLIDE 10

Floating Wind Turbines

11 ¡December ¡2012 ¡ SEER ¡Workshop ¡2011 ¡ 10 ¡

Semi-submersible multi-megawatt wind turbine Designed by: US Principle Power Allocation: Aguçadoura, Portugal Turbine size: 2 MW (Vestas) (up to 10 MW) Assambled onshore and towed and anchored

• ffshore

Floating foundation

Wind ¡Turbine ¡Technology ¡

SLIDE 11

¡ ¡power ¡systems ¡ ¡… ¡to ¡determine ¡the ¡control ¡and ¡opera*onal ¡proper*es ¡required ¡ for ¡wind ¡power ¡plants ¡for ¡op*mal ¡integra*on ¡in ¡the ¡power ¡system ¡ using ¡AC ¡or ¡HVDC ¡transmission ¡ ¡– ¡4 ¡PhD ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡power ¡electronics ¡ ¡ ¡… ¡converter ¡technology ¡and ¡generic ¡control ¡features ¡for ¡ large ¡turbines ¡in ¡large ¡wind ¡power ¡plants ¡to ¡meet ¡high ¡ power ¡density, ¡efficiency ¡and ¡reliability ¡targets ¡– ¡5 ¡PhD ¡ ¡ ¡ ¡

¡PS ¡4 ¡-­‑ ¡Op*miza*on ¡of ¡VSC-­‑HVDC ¡Transmission ¡in ¡WPP ¡ ¡PhD ¡Rodrigo ¡da ¡Silva ¡ ¡Started ¡20 ¡Oct ¡2009 ¡ ¡PS ¡3 ¡-­‑ ¡Power ¡system ¡oscilla*on ¡damping ¡with ¡ augmented ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡ ¡PhD ¡Andzrej ¡Adamczyk ¡ ¡ ¡Started ¡1 ¡August ¡2009 ¡

Vestas ¡Power ¡Program ¡2007 ¡-­‑ ¡2012 ¡

December 11, 2012 Slide 11

¡PE ¡3 ¡-­‑ ¡Advanced ¡Control ¡of ¡Grid ¡Connected ¡Converter ¡for ¡LWT ¡ ¡PhD ¡ ¡Ömer ¡Göksu ¡ ¡Started ¡15 ¡Oct ¡2009 ¡ ¡PE ¡2 ¡ ¡-­‑Control ¡of ¡Grid-­‑Connected ¡Converters ¡for ¡Large ¡WT ¡ ¡PhD ¡Hernan ¡Miranda ¡ ¡Started ¡1 ¡July ¡2008 ¡ ¡PS ¡2 ¡-­‑ ¡ ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡Control ¡for ¡AC ¡Connec*on ¡ ¡PhD ¡Müfit ¡Al*n ¡ ¡Started ¡15 ¡Oct ¡2009 ¡ ¡ES ¡2 ¡-­‑ ¡ ¡Storage ¡System ¡for ¡Large ¡WT ¡Penetra*on ¡ ¡ ¡PhD ¡Maciej ¡Swierczynski ¡ ¡ ¡Started ¡1 ¡August ¡2009 ¡ ¡PS ¡1 ¡ ¡-­‑ ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡Control ¡for ¡HVDC ¡Connec*on ¡ ¡ ¡ ¡PhD ¡Sanjay ¡Chaudhary ¡ ¡Started ¡1 ¡July ¡2008 ¡ ¡PE ¡4 ¡-­‑ ¡Modelling ¡Life ¡Time ¡of ¡Electrical ¡ Components ¡and ¡Systems ¡in ¡WT ¡ ¡PhD ¡ ¡Cris*an ¡Busca ¡ ¡Started ¡1 ¡Sep ¡2010 ¡ ¡PE ¡5 ¡-­‑ ¡High ¡Voltage ¡Power ¡Converter ¡for ¡Large ¡Wind ¡Turbine ¡ ¡PhD ¡Michal ¡Sztykiel ¡ ¡Started ¡1 ¡Feb ¡2011 ¡ PE ¡1 ¡-­‑ ¡High ¡Power ¡Density ¡ ¡ Converter ¡for ¡Large ¡WT ¡ PhD ¡Osman ¡Senturk ¡ Started ¡1 ¡July ¡2008 ¡

¡ ¡energy ¡storage ¡ … ¡to ¡determine ¡the ¡most ¡suitable ¡storage ¡technology ¡to ¡be ¡used ¡with ¡ wind ¡power ¡plants ¡mee*ng ¡the ¡reliabiliy ¡targets ¡– ¡1 ¡PhD ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

SLIDE 12

Thermal ¡Modeling ¡of ¡Press-­‑Pack ¡IGBT ¡3L-­‑ NPC-­‑VSCs ¡for ¡Large ¡Wind ¡Turbines ¡

12 ¡ December ¡10, ¡2012 ¡

Problem ¡

• Large ¡ wind ¡ turbines ¡ 6MW/3.3 ¡

kV ¡

• Reliability ¡and ¡power ¡density ¡
• Need ¡ for ¡ electro-­‑thermal ¡

models ¡

¡

SoluBon ¡

• 6MW/3.3 ¡kV ¡NPC ¡with ¡4.5 ¡kV/1800A ¡

PP ¡IGBT ¡

• Develop ¡ sta*c ¡ an ¡ dynamic ¡ electro-­‑

thermal ¡ models ¡ taking ¡ cooling ¡ solu*on ¡into ¡account ¡

• Simplified ¡dynamical ¡thermal ¡models ¡

that ¡ can ¡ use ¡ to ¡ define ¡ overload ¡ capability ¡online ¡

Senturk, ¡O.; ¡Helle, ¡L.; ¡Munk-­‑Nielsen, ¡S.; ¡Rodriguez, ¡P.; ¡Teodorescu, ¡R.; ¡, ¡"Power ¡Capability ¡Inves4ga4on ¡Based ¡on ¡Electro-­‑thermal ¡Models ¡of ¡Press-­‑pack ¡IGBT ¡Three-­‑ Level ¡NPC ¡and ¡ANPC ¡VSCs ¡for ¡Mul4-­‑MW ¡Wind ¡Turbines," ¡IEEE ¡Transac*ons ¡on ¡Power ¡Electronics, ¡ ¡January ¡2012 ¡

SLIDE 13

High ¡Voltage ¡Power ¡Converter ¡for ¡Large ¡ Wind ¡Turbines ¡

• M. ¡Sztykiel, ¡R. ¡Teodorescu, ¡S. ¡Munk-­‑Nielsen, ¡P. ¡Rodriguez, ¡L. ¡Helle, ¡C. ¡Busca, ¡“Topology ¡and ¡Technology ¡Survey ¡on ¡Medium ¡Voltage ¡Power ¡Converters ¡for ¡Large ¡Wind ¡

Turbines,” ¡Interna*onal ¡10th ¡Wind ¡Integra*on ¡Workshop, ¡25-­‑26 ¡October ¡2011, ¡Aarhus, ¡Denmark. ¡

Problem ¡

• Large ¡wind ¡turbines ¡(10 ¡MW!) ¡
• High ¡ repair ¡ and ¡ maintenance ¡ costs ¡

(especially ¡for ¡offshore ¡WTs) ¡

• MV ¡transformer ¡is ¡bulky ¡
• Grid ¡filters ¡-­‑ ¡bulky ¡
• Generators ¡ 10kV ¡ – ¡ insula*on ¡

challange ¡

SoluBon ¡

• 20kV/10MW ¡ transformerless ¡ 13L-­‑

MMC ¡ ¡

• Reliable ¡PP ¡IGBTs ¡4.5 ¡kV/340A ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 13 ¡

Generator

G

Collection Grid

HV Converter

¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Medium ¡Voltage ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡High ¡Voltage ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Very ¡High ¡Voltage ¡

MV ¡Drives ¡

Voltage ¡range: ¡ ¡ 0.69 ¡-­‑ ¡6.6 ¡kV ¡ Power ¡range: ¡ ¡ 0.3 ¡-­‑ ¡30 ¡MW ¡ Applications: ¡ High ¡Power ¡Drives ¡ Topologies: ¡ ¡ NPC, ¡ ¡ANPC, ¡FC ¡

¡ Power ¡Systems ¡

Voltage ¡range: ¡ ¡ 10 ¡-­‑ ¡220 ¡kV ¡ Power ¡range: ¡ ¡ 100 ¡-­‑ ¡1000 ¡MW ¡ Applications: ¡ ¡ Power ¡Systems, ¡SVG ¡ Topologies: ¡ H-­‑Cascaded, ¡MMC, ¡CTL ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡High ¡Power ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Very ¡High ¡Power ¡ ¡ ¡

§ Reliability ¡ § Modularity ¡ § Safety ¡ § Redundancy ¡ § Efficiency ¡ § Size ¡ § Weight ¡ § Cost ¡

Grid-­‑Side ¡Inverter ¡

Voltage ¡range: ¡ ¡ 20 ¡kV ¡ Power ¡range: ¡ ¡ 10 ¡MW ¡ Application: ¡ Wind ¡Turbine ¡ ¡ Topology: ¡ ? ¡

¡

#1 #2 #12 #1 #2 #12 A

... ...

1x(4500 V, 360 A) IGBT 1 ¡pu 1 ¡pu 1 ¡pu 1 ¡pu 1 ¡pu Cost ¡[pu] Size ¡[pu] Weight ¡[pu] Losses ¡[pu] MTBF ¡[pu]

MMC-­‑13L ¡(PWM-­‑APOD)

SLIDE 14

Life*me ¡Modelling ¡of ¡Press-­‑Pack ¡IGBTs ¡in ¡ Wind ¡Power ¡Applica*ons ¡

• C. ¡Busca, ¡R. ¡Teodorescu, ¡F. ¡Blaabjerg, ¡S. ¡Munk-­‑Nielsen, ¡L. ¡Helle, ¡T. ¡Abeyasekera, ¡P. ¡Rodriguez, ¡“An ¡Overview ¡of ¡the ¡Reliability ¡Predic4on ¡Related ¡Aspects ¡of ¡High ¡

Power ¡IGBTs ¡in ¡Wind ¡Power ¡Applica4ons”, ¡ESREF ¡2011 ¡(22nd ¡European ¡Symposium ¡on ¡Reliability ¡of ¡Electron ¡Devices, ¡Failure ¡Physics ¡and ¡Analysis), ¡Bordeaux, ¡France, ¡ 3rd-­‑7th ¡October ¡2011. ¡

Problem ¡

• Large ¡wind ¡turbines ¡(mul*-­‑MW) ¡
• High ¡ repair ¡ and ¡ maintenance ¡ costs ¡

(especially ¡for ¡offshore ¡WTs) ¡

• Not ¡much ¡experience ¡with ¡PP ¡IGBTs ¡
• PP ¡ IGBTs ¡ more ¡ reliable ¡ than ¡ wire-­‑

bonded ¡IGBTs ¡(longer ¡life) ¡

• Unequal ¡ pressure, ¡ current ¡ and ¡

temperature ¡of ¡individual ¡chips ¡

SoluBon ¡

• MV ¡converters ¡with ¡PP ¡IGBTs ¡
• Very ¡high ¡reliability ¡wind ¡turbines ¡ ¡
• Power ¡cycling ¡tests ¡
• FEM ¡model ¡and ¡inside ¡measurement ¡of ¡

the ¡ individual ¡ chip ¡ currents ¡ and ¡ temperatures ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 14 ¡

SLIDE 15

Advanced ¡Control ¡of ¡the ¡Grid ¡Side ¡Converter ¡for ¡ Large ¡Wind ¡Turbines, ¡ ¡

focusing ¡on ¡Fault ¡Ride-­‑Through ¡for ¡Asymmetrical ¡and ¡Symmetrical ¡Grid ¡Faults ¡

“An ¡Itera4ve ¡Approach ¡for ¡Symmetrical ¡and ¡Asymmetrical ¡Short-­‑Circuit ¡Calcula4ons ¡with ¡Converter-­‑Based ¡Connected ¡Renewable ¡Energy ¡Sources. ¡Applica4on ¡to ¡ Wind ¡Power”, ¡2012 ¡IEEE ¡Power ¡Engineering ¡Society ¡General ¡Mee*ng ¡

PCC

. . . . . . . .

WPP Control PCC Feedback TSO reference

. . . .

WT set-points dispatch

WT Control WT Control WT Control WT Control WT Control WT Control WT Control

Grid

WT Control

Id ¡& ¡Iq

• utput

V ¡& ¡f feedback Grid ¡Code ¡ Compliance ¡ @ ¡PCC

• ­‑1
• ­‑0.5

0.5 1

• ­‑1

1 1.1 1.2 1.3 1.5 1.4 time ¡[sec] IW abc [pu] V4 abc [pu] va vb vc Ia Ib Ic

1.5

Fault 2 (Single Line-to-Ground)

• 1
• 0.5

0.5 1

• 1
• 0.5

0.5 1 Va Vb Vc

• 1
• 0.5

0.5 1

• 1
• 0.5

0.5 1 Va Vb Vc

• 1.5
• 1 -0.5

0.5 1

• 1.5
• 1
• 0.5

0.5 1 1.5 Va Vb Vc

• 1
• 0.5

0.5 1

• 1
• 0.5

0.5 1 Va

• 1
• 0.5

0.5 1

• 1
• 0.5

0.5 1 Va Vb Vc

• 1
• 0.5

0.5 1

• 1
• 0.5

0.5 1 Va Vb Vc G1 G2 G4 Bus 2 Bus 5 Bus 4 Bus 10 Bus 6 Bus 12 Bus 9 Bus 1 Bus 7 Bus 8 G 3 Bus 3 Bus 11 Yd1 PCC YGyg2 YGyg Dyg5 YGyg YGyg Yd1 Yd1 Yd1 WTG

Fault 1 (Single Line-to-Ground)

@ Fault location @ PCC @ WTG Fault 2 Fault 1 Vb Vc Vc

Problem: ¡For ¡asymmetrical ¡grid ¡faults, ¡posi*ve ¡

nega*ve ¡ and ¡ zero ¡ sequence ¡ voltages ¡ are ¡ exis*ng ¡ in ¡ the ¡ grid, ¡ where ¡ nega*ve ¡ sequence ¡ voltage ¡is ¡harmful ¡for ¡power ¡system ¡elements. ¡

SoluBon: ¡ For ¡ the ¡ sake ¡ of ¡ power ¡ system; ¡

posi*ve ¡ sequence ¡ voltage ¡ is ¡ boosted, ¡ nega*ve ¡ sequence ¡ voltage ¡ is ¡ reduced, ¡ via ¡ injec*ng ¡

• p*mum ¡ posi*ve ¡ and ¡ nega*ve ¡ sequence ¡

currents ¡by ¡Wind ¡Turbines. ¡

Problem: ¡ There ¡is ¡a ¡need ¡for ¡op*miza*on ¡of ¡

Fault ¡Ride-­‑Through ¡for ¡symmetrical ¡low ¡voltage ¡ faults, ¡depending ¡on ¡the ¡opera*ng ¡point ¡of ¡the ¡ wind ¡turbines ¡and ¡grid ¡characteris*cs. ¡

SoluBon: ¡ Coordinated ¡ Fault ¡ Ride-­‑Through ¡ of ¡

wind ¡ turbines ¡ at ¡ Wind ¡ Power ¡ Plant ¡ control ¡

• level. ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 15 ¡

SLIDE 16

Control ¡and ¡Protec*on ¡of ¡Wind ¡Power ¡ Plant ¡with ¡VSC-­‑HVDC ¡Connec*on ¡

Problem ¡

Faults ¡in ¡the ¡offshore ¡WPP-­‑grid ¡cause ¡

• scilla*ons ¡in ¡the ¡power-­‑flow ¡and ¡dc-­‑

voltage ¡ of ¡ the ¡ VSC-­‑HVDC. ¡ WPP ¡ genera*on ¡is ¡adversely ¡affected. ¡

• Detec*on ¡ and ¡ discrimina*on ¡ of ¡
• faults. ¡
• DC ¡ voltage ¡ and ¡ power-­‑flow ¡
• scilla*ons ¡ during ¡ asymmetric ¡

faults ¡

SoluBon ¡

• Use ¡ of ¡ over-­‑current ¡ relays ¡ with ¡

IEC-­‑61850 ¡communica*on. ¡ ¡

• Nega*ve ¡sequence ¡current ¡control ¡

from ¡the ¡WTGs ¡and ¡the ¡VSC-­‑HVDC. ¡

Publica*on: ¡“ApplicaBon ¡of ¡Over-­‑current ¡Relay ¡in ¡Offshore ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡Grid ¡with ¡VSC-­‑HVDC ¡ConnecBon,” ¡in ¡10th ¡Interna*onal ¡Workshop ¡on ¡Large-­‑Scale ¡ Integra*on ¡of ¡Wind ¡Power ¡into ¡Power ¡Systems ¡as ¡well ¡as ¡on ¡Transmission ¡Networks ¡for ¡Offshore ¡Wind ¡Power ¡Plants. ¡Aarhus, ¡Denmark ¡on ¡October ¡25 ¡-­‑ ¡26, ¡2011. ¡ ¡ RTDS ¡with ¡GTNET-­‑ GSE ¡& ¡GTAO ¡Cards ¡ Omicron ¡Amplifier ¡ ¡ CMS156 ¡ ABB ¡IED ¡ REF615 ¡ PC ¡with ¡ RSCAD ¡ & ¡PCM600 ¡

WTG#4 WTG#3 WTG#2 WTG#1 VSC-­‑HVDC ¡Transmission ¡ System MV ¡Collector ¡Grid ¡& ¡HV ¡Feeders

Xph1 150 ¡kV 170 ¡kV 400MW ¡offshore ¡WPP 150 ¡kV ¡ Coll ¡Bus ¡#2 33 ¡kV ¡Coll. ¡ Bus#1 33 ¡kV ¡Coll. ¡ Bus#2 33 ¡kV ¡Coll. ¡ Bus#3 33 ¡kV ¡Coll. ¡ Bus#4 150 ¡kV ¡ Coll ¡Bus ¡#1 GSC LCL Filter FA FB Vc1 Vg 400 ¡kV MV ¡feeder ¡#4 MV ¡feeder ¡#3 MV ¡feeder ¡#1 MV ¡feeder ¡#2 HV ¡feeder ¡#1 HV ¡feeder ¡#2 ±150 ¡kV, ¡ 1400A, ¡ 200km ¡ HVDC ¡Cable Onshore ¡ VSC Vdc1 Vdc2 Offshore ¡ VSC Feeder ¡circuit ¡breaker ¡(CB)

• /c ¡relay ¡current ¡transformer ¡(CT)

Onshore ¡Grid (Th-­‑ ¡Eqvt.) 170 ¡kV

SLG ¡Fault ¡ Currents ¡ REF615 ¡IED ¡ State ¡ Breaker ¡Open ¡ RSCAD ¡OC ¡ Relay ¡State ¡

400MW ¡WPP ¡with ¡VSC-­‑HVDC ¡connec*on ¡ Experimental ¡ set-­‑up ¡with ¡ RTDS ¡& ¡Relay ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 16 ¡

SLIDE 17

Losses ¡Minimiza*on ¡in ¡MTDC ¡

Problem ¡

• Mul*ple ¡ large ¡ off-­‑shore ¡ VSI-­‑HVDC ¡

plants ¡in ¡North ¡Sea-­‑-­‑> ¡MTDC ¡

• Power ¡management ¡more ¡flexible ¡
• Voltage ¡profile ¡not ¡op*mized ¡

SoluBon ¡

• Master ¡ MTDC ¡ Controller ¡ to ¡
• p*mize ¡ voltage ¡ profile ¡ and ¡

minimize ¡ losses ¡ in ¡ DC ¡ lines ¡ and ¡ converters ¡

• R. ¡Da ¡Silva ¡et ¡al ¡“OpBmizaBon ¡of ¡VSC-­‑HVDC ¡Transmission ¡in ¡Wind ¡Power ¡Plants,” ¡in ¡10th ¡Interna*onal ¡Workshop ¡on ¡Large-­‑Scale ¡Integra*on ¡of ¡Wind ¡Power ¡into ¡

Power ¡Systems ¡as ¡well ¡as ¡on ¡Transmission ¡Networks ¡for ¡Offshore ¡Wind ¡Power ¡Plants. ¡Aarhus, ¡Denmark ¡on ¡October ¡25 ¡-­‑ ¡26, ¡2011. ¡ ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 17 ¡

PWM

ω,θ

Grid 2

Grid Synchronization DC Voltage Control Reference Generation

iAC

* Current Controller

vDC

vDC

*

iDC

Droop

κ

iAC u

AC Voltage Control Reactive Power Conreol

vAC v*

AC

Q* iAC

Active Power Conreol

iAC P* vAC

PWM

ω,θ

Grid 1

Grid Synchronization DC Voltage Control Reference Generation

iAC

* Current Controller

vDC

vDC

*

iDC

Droop

κ

iAC u

AC Voltage Control Reactive Power Conreol

vAC v*

AC

Q* iAC

Active Power Conreol

iAC P* vAC

PWM

ω,θ

Grid Synchronization DC Power Reference Generation

iAC

* Current Controller

vDC iDC iAC u

AC Voltage Control

vAC v*

AC

WPP 1 Measurements + Communication WPP

DC Cable

Measurements + Communication Measurements + Communication

DC Cable

MASTER CONTROLLER

... ... ... ( )

* 1 1 ,1

,

AC

f c P

( )

* 2 2 ,2

,

AC

f c P

,1 ,1

,

ON ON

V P

,2 ,2

,

ON ON

V P

,1 ,1

,

OFF OFF

V P

* WPP

P

* 1 ,1

,

DC

V κ

* 2 ,2

,

DC

V κ

Receiving End Station 1 Receiving End Station 2 Sending End Station 1 RES #n and TSO #n communication link Offshore communication link

SLIDE 18

Power ¡Oscilla*on ¡Damping ¡with ¡Wind ¡ Power ¡Plant ¡

Problem ¡

• Impact ¡ of ¡ the ¡ large ¡ scale ¡ wind ¡

power ¡ genera*on ¡ on ¡ oscillatory ¡ performance ¡of ¡the ¡grid ¡

• Control ¡ method ¡ for ¡ WPP ¡ to ¡

contribute ¡to ¡low ¡frequency ¡modes ¡ damping ¡ ¡

SoluBon ¡

• PSS-­‑like ¡ control ¡ loop ¡ to ¡ modulate ¡

wind ¡turbine ¡reac*ve ¡power ¡output ¡

• RMS ¡ mul*-­‑bus ¡ and ¡ mul*-­‑machine ¡

grid ¡ model ¡ with ¡ relevant ¡ WPP ¡ model; ¡ small-­‑signal ¡ analysis ¡ for ¡ different ¡study ¡cases ¡

• IEEE ¡12-­‑bus ¡grid ¡& ¡mode ¡controllability: ¡
• WPP ¡damping ¡control: ¡

1 2 3 4 5 6 7 0.9995 1 1.0005 1.001 1.0015

No PSS WPPPSS

B1 B9 B7 B2 B10 B8 B3 B11 B5 B4 B6 B12

• system node
• generator node
• mode controllability by P
• mode controllability by Q

Damping ¡raBo ¡ Mode ¡ No ¡PSS ¡ WPP_PSS ¡ 1.31 ¡Hz ¡ 3.7 ¡% ¡ 5.9 ¡% ¡ 1.25 ¡Hz ¡ 9.3 ¡% ¡ 8.6 ¡% ¡ 1.04 ¡Hz ¡ 3.4 ¡% ¡ 4.9 ¡% ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 18 ¡

Adamczyk, ¡A.; ¡Teodorescu, ¡R.; ¡Rodriguez, ¡P.; ¡, ¡"Control ¡of ¡Full-­‑Scale ¡Converter ¡based ¡Wind ¡Power ¡Plants ¡for ¡damping ¡of ¡low ¡frequency ¡system ¡oscilla4ons," ¡ PowerTech, ¡2011 ¡IEEE ¡Trondheim ¡, ¡June ¡2011 ¡

SLIDE 19

Area 2 Area 1 Area 3 750 MVA 640 MVA 400 MVA 500 MVA 350 MW @0.95 250 MW @0.9 G1 G2 G4 Bus 2 Bus 5 Bus 4 Bus 10 Bus 6 Bus 12 Bus 9 (Slack) Bus 1 Bus 7 Bus 8 G3 Bus 3 Bus 11 L6 L2 L5 L4 L3 TG1 AT1 TG2 TG4 AT2 TG3 230 kV 13.8-15 kV 345 kV C4 C5 L1 Line 4-5 Line 3-4 (double) Line 4-6 Line 1-6 Line 1-2 Line 2-5 Line 7-8 300 MW @0.85 150 MW @0.95 100 MW @0.9 300 MW @0.85 40 MVAR 200 MVAR 400 km 100 km 150 km 300 km 300 km 100 km 600 km L7

• 100 MVAR

Area 4 5% 10% 20% 30% 40% 50%

P P

December ¡10, ¡2012 ¡ 19 ¡

Frequency ¡Control ¡with ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡

Problem: ¡

• Iner*al ¡response ¡from ¡WPPs ¡
• Providing ¡synchronizing ¡power ¡from ¡WPPs ¡

SoluBon: ¡

• Adapted ¡12 ¡bus ¡test ¡grid ¡
• Distributed ¡control ¡in ¡WPP ¡
• Op*mal ¡power ¡control ¡with ¡focus ¡to ¡grid ¡

frequency ¡response ¡

• Find ¡the ¡methodology ¡for ¡op*mal ¡H,R ¡and ¡T ¡

¡

Mufiat ¡Al*n, ¡et.al ¡“ ¡Methodology ¡for ¡Assessment ¡of ¡Iner4al ¡Response ¡from ¡Wind ¡Power ¡Plants”, ¡PES ¡GM ¡2012 ¡ 1 0.02

WPP

H s s +

grid

f

rate limiter WPP

R

df/dt control

inertia

P

1 1

WPP

T s +

ref

P

ref

Q

PCC

V

*

ref ref meas

P jQ V

⎛ ⎞ + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

ref

I

WPP

I

Σ

ref inert

P

+

−

0.982 0.984 0.986 0.988 0.99 0.992 0.994 0.996 0.998 1 1.002

Frequency (pu)

Derivative Control Temporary Frequency Control Proposed Control for Vwind=10m/s 5 10 15 20 25 30 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2

Time (sec) PWPP2 (pu)

Derivative Control Temporary Frequency Control Proposed Control for Vwind=10m/s

SLIDE 20

September ¡8, ¡2012 ¡ Li-­‑Ion ¡bauery ¡storage ¡life-­‑*me ¡issues ¡for ¡ power ¡grids ¡ Slide ¡20 ¡

Energy ¡Storage ¡Systems ¡

• despite ¡the ¡real ¡need ¡for ¡energy ¡storage ¡systems ¡within ¡the ¡power ¡system, ¡very ¡few ¡grid-­‑integrated ¡

storage ¡installa*ons ¡are ¡in ¡actual ¡opera*on ¡in ¡EU ¡and ¡US ¡today; ¡

• this ¡landscape ¡is ¡expected ¡to ¡change ¡around ¡2012, ¡when ¡new ¡energy ¡storage ¡systems ¡are ¡expected ¡to ¡

be ¡deployed ¡worldwide, ¡especially ¡in ¡US. ¡

Source: EPRI, “Electricity Energy Storage Technology Options – A White Paper Primer on Applications, Costs, and Benefits”, Dec. 2010

SLIDE 21

Life-­‑Time ¡Models ¡for ¡Li-­‑Ion ¡Baueries ¡in ¡ Grid ¡Support ¡Applica*ons ¡

Problem ¡

• Es*ma*on ¡of ¡RULfor ¡Li-­‑ion ¡baueries ¡ ¡

SoluBon ¡

• Accelearate ¡ageing ¡tests ¡
• Electrochemical ¡Imped. ¡Spectroscopy ¡
• Curve-­‑fivng ¡
• Thermal ¡Impedance ¡Spectroscopy ¡

Publica*on: ¡“Impedance-­‑based ¡model ¡for ¡LiFePO4 ¡ba_eries ¡in ¡grid ¡support ¡applicaBons,” ¡in ¡Advanced ¡Bauery ¡Development ¡for ¡Automo*ve ¡and ¡U*lity ¡Applica*ons ¡ and ¡their ¡Electric ¡Power ¡Grid ¡Integra*on. ¡Münster, ¡Germany ¡on ¡March ¡6-­‑7, ¡2012. ¡(accepted ¡for ¡presenta*on ¡in ¡the ¡poster ¡session) ¡ Equivalent ¡Electrical ¡Circuit ¡

December ¡11, ¡2012 ¡ 21 ¡

Accelerate ¡Cycling ¡Ageing Accelerate ¡Calendar ¡Ageing

RPT

(1 ¡per ¡week)

EIS Rdc η ¡ C

SLIDE 22

Research ¡output ¡– ¡State-­‑of-­‑the ¡Art ¡facili*es ¡

Slide 22 December 11, 2012

RTDS system with 20 cores - Battery tester with 2 ch, including EIS – Multi-level grid converter grid including grid simulator lab - MV lab for testing 6MW 3.3 kV converter (c

SLIDE 23

December ¡11, ¡2012 ¡ Slide ¡ ¡23 ¡

Research ¡output ¡

• ­‑

60+ ¡Publica*ons ¡and ¡5 ¡patent ¡applica*ons, ¡Annual ¡Symposium ¡since ¡2008 ¡

SLIDE 24

December ¡10, ¡2012 ¡ 24 ¡

• Power ¡Electronics ¡for ¡Wind ¡Power ¡
• Grid ¡Supports ¡with ¡Wind ¡Power ¡Plant ¡
• Storage ¡System ¡for ¡Grid ¡Support ¡
• Grid ¡IntegraBon ¡of ¡PV ¡

SLIDE 25

Control ¡of ¡Grid ¡Interac*ve ¡PV ¡Inverters ¡for ¡ High ¡Penetra*on ¡on ¡LV ¡Distribu*on ¡ Networks ¡

Problem ¡ ¡Limited ¡PV ¡penetra*on ¡level ¡on ¡LV ¡networks ¡

• ¡Voltage ¡rise ¡
• ¡Transformer ¡overloading ¡

¡

SoluBon ¡

New ¡ancillary ¡services ¡by ¡PV ¡inverters ¡

• ¡Real ¡power ¡curtailment ¡
• ¡Reac*ve ¡power ¡support ¡(adap*ve ¡Q(U)) ¡ ¡

¡

1.04 1.06 1.08 1.1 1.12

• 80
• 60
• 40
• 20

voltage (p.u.) Q/Pn (%) Reactive power vs Voltage

e d adaptive standard voltage limit DG1

¡

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

• 80
• 60
• 40
• 20

DG no Q/Pn (%) Reactive power vs DG location

adaptive standard

Grid Dyn5, 1:1 Rp,Rs Lp,Ls PV1 PV2 0.4 kV Rg,Lg R, L R, L R, L PV3 R1, L1 PV4 R, L PV7 R1, L1 PV8 R, L PV11 Transformer

Demirok, ¡E., ¡Gonzalez, ¡P., ¡Frederiksen, ¡K.H.B., ¡Sera, ¡D., ¡Rodriguez, ¡P., ¡Teodorescu, ¡R., ¡“Local ¡reac4ve ¡power ¡control ¡methods ¡for ¡overvoltage ¡preven4on ¡of ¡ distributed ¡solar ¡inverters ¡in ¡low ¡voltage ¡grids,” ¡IEEE ¡Journal ¡of ¡Photovoltaics, ¡vol. ¡1, ¡issue. ¡2, ¡p. ¡174-­‑182, ¡2011. ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 25 ¡

SLIDE 26

Diagnos*c ¡and ¡Condi*on ¡Monitoring ¡in ¡PV ¡ Power ¡Systems ¡

Publica*on: ¡”Sensorless ¡DiagnosBcs ¡for ¡ResidenBal ¡PV ¡Systems”; ¡S. ¡Dezso, ¡S. ¡Spataru, ¡M. ¡Laszlo, ¡T. ¡Kerekes, ¡R. ¡Teodorescu ¡ ¡In: ¡26th ¡European ¡Photovoltaic ¡ ¡Solar ¡ Energy ¡Conference ¡and ¡Exhibi*on ¡(EUPVSEC ¡2011). ¡Hamburg, ¡Germany ¡: ¡ETA-­‑Renewable ¡Energies ¡and ¡WIP-­‑Renewable ¡Energies, ¡2011. ¡p. ¡3776-­‑3782. ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 26 ¡

Problem ¡

• Large ¡PV ¡plants ¡u*lity ¡scale ¡
• Diagnos*c ¡ and ¡ condi*on ¡

monitoring ¡func*ons ¡ ¡

• Reliability ¡and ¡life*me ¡models ¡

SoluBon ¡

• Intelligent ¡ modelling ¡ and ¡

diagnos*c ¡ systems ¡ based ¡ on ¡ machine ¡learning ¡

• IV, ¡dark ¡IV ¡characteris*cs ¡ ¡
• Impedance ¡spectroscopy ¡
• SWIR ¡imaging ¡
• Accelerated ¡solar ¡cell ¡ageing ¡
• Carrier ¡life*me ¡
• Diffusion ¡length ¡

IEC ¡61850 IEC ¡61850

Control ¡and ¡ monitoring ¡station

IEC ¡61850 IEC ¡61850

Smart ¡PV ¡ Inverter Smart ¡PV ¡ Inverter

·√ ¡ Intelligent ¡maintenance ·√ ¡ Lifetime ¡maximization ·√ ¡ Yield ¡improvement ·√ ¡ Other ¡diagnostic ¡and ¡ monitoring ¡functions Intelligent ¡diagnostic ¡ and ¡monitoring ¡ system

Distributed ¡agents

IV ¡curves Localized ¡ sensors ¡ (G,T) Hotspot ¡ Imaging Satellite ¡ irradiation ¡ maps PV ¡system ¡ ¡ models Lifetime ¡ models Yield ¡ analysis Other ¡ agents

Accelerated ¡ageing ¡and ¡stress ¡testing

WT ¡2000

µ-­‑PCD Carrier ¡ lifetime SHR Sheet ¡ resistance LBIC Quantum ¡ efficiency

SWIR ¡imaging

SWIR ¡camera

Carrier ¡ lifetime Cracks/ defects Resistance ¡ regions Shunts Electroluminesence Photoluminesence

Electrical ¡impedance ¡spectrocsopy

Gain/Phase ¡impedane ¡ spectrum Equivalent ¡dynamic ¡ models Electric ¡ charcterization

Impedance ¡ analyzer

SLIDE 27

Grid ¡Support ¡and ¡Condi*on ¡Monitoring ¡for ¡ PV ¡Systems ¡

Problem ¡

• Increased ¡ PV ¡ penetra*on ¡ causes ¡ grid ¡

stability ¡concerns ¡(Ex.“50.2 ¡Hz ¡problem”) ¡ ¡

• Decrease ¡of ¡conven*onal ¡genera*on ¡require ¡

PVPPs ¡to ¡perform ¡VPP ¡ac*ons ¡

• Need ¡for ¡PVPPs ¡to ¡offer ¡reliable ¡services ¡on ¡

ancillary ¡power ¡markets ¡

• Aurac*ve ¡ feed-­‑in ¡ tariffs ¡ led ¡ to ¡ profitable ¡

businesses ¡ ¡

SoluBon ¡

• Development ¡ of ¡ frequency ¡ stabiliza*on ¡

func*ons ¡ using ¡ coordinated ¡ control ¡ and ¡ communica*on ¡

• Create ¡ Virtual ¡ Power ¡ Plant ¡ ¡ func*ons ¡ for ¡

PVPP ¡ ¡ and ¡ compliance ¡ with ¡ future ¡ grid ¡ codes ¡

• Par*cipa*on ¡of ¡PVPP ¡on ¡the ¡ancillary ¡power ¡

markets ¡and ¡prove ¡the ¡economical ¡benefits ¡

Overview ¡of ¡Recent ¡Grid ¡Codes ¡for ¡PV ¡Power ¡IntegraBon ¡– ¡Bogdan ¡Craciun, ¡Remus ¡Teodorescu, ¡13th ¡Interna*onal ¡Conference ¡on ¡OPTIMIZATION ¡OF ¡ELECTRICAL ¡AND ¡ ELECTRONIC ¡EQUIPMENT ¡(Op*m ¡2012). ¡Brasov, ¡Romania ¡ ¡ ¡

December ¡10, ¡2012 ¡ 27 ¡