aalto1 untyped-item.component.html
Development of grid forming control method in microgrid
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3024
Language
en
Pages
76
Series
Abstract
In the future, more renewable energy sources (RES) will be integrated into the power grids. These inverter-based technologies will replace the conventional synchronous generators (SG), thus decreasing the total inertia from the entire power grid. Although the traditional inverter-based converters operate well in strong grids, they face new challenges in weak grids and black-start situations. Therefore, the inverters require control algorithms which enable precise support and feed of power to the grid.
Grid-forming control (GFM), which includes the synthetic inertia control method, is believed to be one solution to weak grids. These control algorithms mimic the SG dynamics which are implemented in power converters. These methods are called virtual synchronous generator (VSG) control, which can synchronize themselves and provide the possibility to transition between a grid to stand-alone mode. They also increase better frequency-dampening oscillation in weak and high-power converter-based grids.
The aim of this thesis is to develop a SG-emulating grid-forming control which is capable of working in parallel with power converters and without the need for multiple-control algorithms with which to separately address each problem. The thesis also describes the construction and operations of grid-connected converters in weak grid conditions in which the virtual admittance and GFM control are applied. Through the literature survey, synchronous power control (SPC) was modelled using a synchronous frame current controller, and its functionality is verified in the MATLAB and Simulink simulations. Different test cases were considered, such as the grid to island mode transition, load changes, parallel operation of GFM and GFL converters, as well as a three-phase fault. The simulations confirmed that SPC can emulate SG which also enabled the injection of naturally active and reactive power. This was achieved with power loop control (PLC), which includes virtual admittance and a swing equation; the equation possesses the damping and inertia properties. The grid-forming properties was achieved with PLC which could synchronize itself with the grid. The SPC can share power between different types of grid-connected converters to a point of common coupling (PCC) in a microgrid. In addition, the results obtained confirmed the expected limitations of GFM-based converters clearly illuminating the way for further research.
Nykyiseen voimaverkkoon integroidaan nopeaa vauhtia uusiutuvaa vaihtosuuntaajateknologiaa, joiden avulla voidaan varastoida ja syöttää tehoa sähköverkkoon. Tämä teknologia syrjäyttää perinteiset konventionaaliset sähköä tuottavat sähkögeneraattorit, jotka omaavat inertiaa pyörivissä roottoreissa, ja jotka tuottavat sähköenergiaa sähkögeneraattorin staattoriin magneettikenttien välityksellä. Toisin vaihtosuuntaja teknologia ei omaa pyöriviä massoja, kuten sähkögeneraattori ja sen takia sähköverkon kokonaisinertia vähentyy. Suurien kuormanmuutosten seurauksena sähkögeneraattorit pyrkivät pitämään jännitteen ja taajuuden stabiilina, jossa suurien sähkögeneraattoreiden inertia pystyy vakauttamaan muutoksen nopeasti. Erityisesti ongelmaksi tulee pienet mikroverkot, joissa suhteessa kasvava vaihtosuuntaajien tehollismäärä on suurempi kuin sähkögeneraattorien. Tästä johtuen on tehty säätöalgoritmeja, jotka kopioivat sähkögeneraattorien toimintamalleja, joiden avulla vaihtosuuntaajat pystyvät toimimaan itsenäisesti ja tukemaan sähköverkkoa.
Tässä diplomityössä on tarkoitus luoda yksi toimiva säätöalgoritmi, jonka avulla vaihtosuuntaaja kykenee toimimaan jäykässä ja pienessä mikroverkossa, sekä syöttämään tehoa muiden teholähteiden kanssa rinnan. Työssä käydään läpi erilaisia virtuaaligeneraattori-säätöalgoritmeja, joiden avulla saadaan luotua verkkoa muodostava vaihtosuuntaaja, joka tukee myös verkon inertiaa. Työssä päädyttiin käyttämään synkronitehosäädintä (SPC), joka käyttää alfa-beta-muunnosvirtasäädintä, ja jotka simuloitiin MATLAB- ja Simulink-ohjelmilla. Simuloidulle säätimelle tehtiin erilaisia testisimulaatioita, kuten jäykänverkon kytkennän ja saarekekäytön välinen transitio, erilaiset sähköiset kuormamuutokset, rinnankäynti muiden tehokonvertterien välillä ja symmetrinen kolmivaiheoikosulku. Simulointien avulla todettiin, että säädin kykenee toimimaan kaikissa verkon olosuhteissa ja vastaamaan nykyisten sähköverkkojen asettamia säädöksiä. Tulokset saavutettiin säätimen ulkoisen silmukan tehosilmukkasäätimen (PLC) ja virtuaalisen admittanssin ansiosta, jotka yhtenäisesti emuloivat synkronikoneen toimintaa. Näiden tekniikoiden avulla konvertteri pystyi syöttämään tarvittavan aktiivisen ja reaktiivisen tehon sekä pysymään verkon taajuuden kanssa tahdissa verkon eri olosuhteissa. Lisäksi simuloinneissa todettiin vajaavaisuuksia ja rajoituksia, jotka tarjoavat jatkotutkimusideoita.