Zlepšení stability elektrizační soustavy pomocí grid-forming řízení výkonové elektroniky

Abstract

Rostoucí penetrace obnovitelných zdrojů energie v elektrizační soustavě vede ke snížení setrvačnosti systému z hlediska energie akumulované v rotujících hmotách. Schopnost elektrizační soustavy integrovat vetší podíl OZE bez ovlivnění stability závisí na okamžitě dostupném výkonu. Proto pro systém s nízkou setrvačností je možným řešením emulace setrvačnosti pomocí výkonových měničů, které připojují OZE k systému. Tato disertační práce zkoumá různé strategie řízení, které emulují setrvačnost v systému. V práci jsou porovnávány tři hlavní kategorie: grid-forming, grid-following a klasické vektorové řízení. Práce prezentuje výsledky modální analýzy a numerických simulací, které byly provedeny s použitím IEEE modelů testovacích systémů. Práce zkoumá, jak umístění virtuální setrvačnosti ovlivňuje stabilitu systému. Výsledky prezentované studie ukazují, že především dva faktory ovlivňují mody systému: umístění prvku v síti a algoritmus, který je použit pro implementaci virtuální setrvačnosti. Dále autor navrhuje stabilizátor napětí v stejnosměrném meziobvodu pro elektrárnu OZE s akumulací energie. Toto vylepšení zvyšuje stabilitu systému, který se dokonce chová jako konvenční synchronní generátor. Práce také analyzuje možnost aplikace grid-forming řízení na STATCOM. Pro porovnání navrhnuté strategie řízení s tradičním vektorovým řízením byla použita modální analýza, numerické simulace a přímá Ljapunovova metoda. Výsledky provedených výpočtů názorně ukazují, že aplikace grid-forming řízení STATCOMu skutečně zlepšuje stabilitu systému a umožnuje systému zůstat v synchronním chodu při delších dobách trvání poruch.

The challenge of low inertia in the system has appeared due to the higher penetration of renewable energy sources. The system’s ability to accommodate a larger share of RES without losing stability is dependent upon inertia. Therefore, a possible solution for a low inertia system is to emulate inertia response using power converters that connect RES to the system. The thesis investigates different control techniques that emulate inertia in the system. There are three main categories that are compared in this work: grid-forming, grid-following, and traditional control. The thesis presents the results of small-signal analysis and numerical simulations, which were conducted using IEEE benchmark system models. Also, the work presents an analysis of virtual inertia placement in the system. The results of the presented study show that two factors play a significant role in the small-signal stability: the location and the algorithm that is used for virtual inertia implementation. The author also proposes a DC bus voltage stabilizer for the RES power plant with an energy storage system. That improvement enhances the system’s stability and even allows to replace a conventional generator. Lastly, the work investigates the possibility of application of a gridforming control to a STATCOM. Small-signal analysis, numerical simulations, and Lyapunov theory were applied in order to compare the researched approach to traditional vector control. The presented results show that the application of grid-forming control to STATCOMs might indeed increase system stability and allow the system to withstand longer clearing times.