Methodologies for multiterminal AC-DC transmission grids: power flow, state estimation and frequency tracking

Abstract

The aim of this thesis is the proposal of a power flow and a static state estimation approaches suitable for electric power transmission systems containing fully controlled multi-terminal high voltage direct current networks. An integrated electric circuit model of the voltage source converter station is proposed in order to determine the state variables associated with the AC-DC interface, constrained to its physical limits, together with the nodal voltages associated with the AC and DC networks, as well as the duty cycle of the DC-DC converters, for a unified solution in a single frame of reference of positive sequence. A new approach to incorporate inequality constraints into the equality constrained weighted least squares state estimator, without modifying the way in which this estimator is formulated and solved is presented. The inequality constraints are first represented as complementarity constraints, which are then transformed to equality constraints by using the Fischer-Burmeister merit function. The state estimation problem is formulated based on Hachtel’s augmented matrix method in order to directly consider the physical constraints associated with the AC-DC network. In addition, a new technique to perform multiple bad data analysis is proposed in which the original level of measurement redundancy is maintained unaltered during the estimation process. In this context, this work also aims to provide a numerical assessment of the suitability of applying such bad data analysis for detecting, identifying and correcting or eliminating multiple measurements with gross errors under Gaussian and non-Gaussian noises. Moreover, this thesis proposes a formulation to estimate the frequency at all the buses of a transmission system.

El objetivo de esta tesis es la propuesta de enfoques para el estudio de flujos de potencia de estimación de estado estático adecuado para sistemas de transmisión de energía eléctrica que contengan redes de corriente continua de alto voltaje multi-terminales totalmente controladas. Se propone un modelo de circuito eléctrico integrado de la estación convertidora de fuente de voltaje para determinar las variables de estado asociadas con la interfaz AC-DC, restringidas a sus límites físicos, junto con los voltajes nodales asociados con las redes AC y DC, así como El ciclo de trabajo de los convertidores DC-DC, para una solución unificada en un solo marco de referencia de secuencia positiva. Se presenta un nuevo enfoque para incorporar restricciones de desigualdad en el estimador de estado de mínimos cuadrados ponderados con restricciones de igualdad, sin modificar la forma en que se formula y resuelve este estimador. Las restricciones de desigualdad se representan primero como restricciones de complementariedad, que luego se transforman en restricciones de igualdad mediante el uso de la función de mérito Fischer-Burmeister. El problema de estimación de estado se formula con base al método de matriz aumentada de Hachtel para considerar directamente las restricciones físicas asociadas con la red AC-DC. Además, se propone una nueva técnica para realizar el análisis de múltiples datos erróneos en la que el nivel original de redundancia de medición se mantiene inalterado durante el proceso de estimación. En este contexto, este trabajo también tiene como objetivo proporcionar una evaluación numérica de la idoneidad de aplicar dicho análisis de datos incorrectos para detectar, identificar y corregir o eliminar múltiples mediciones con errores graves bajo ruidos gaussianos y no gaussianos. Finalmente, esta tesis propone una formulación para estimar la frecuencia en todos los buses de un sistema de transmisión.