Observer-Based Power-Synchronization Control for Grid-Forming Converters

Abstract

Renewable energy sources connected to the grid via power converters are becoming increasingly common. Currently, most of these power converters are of the grid-following type that follow the frequency and voltage set by synchronous generators connected to the grid. Large scale adoption of these would put the stability of the grid at risk and thus their allowable amount is limited. A potential solution to this is the adoption of grid-forming control schemes that allow converters to set their own frequency and voltage references and thus no longer be reliant on synchronous generators. Power synchronization control (PSC) is one such method with two prominent versions, conventional PSC and reference-feedforward PSC (RFPSC). These two methods are, however, heuristic in design and a more coherent approach is more desirable. This thesis develops a novel observer-based PSC (OPSC) method for the control of grid-forming converters equipped with an L filter. Recommendations for the tuning of OPSC are developed based on the stability analysis of its linear model. Comparisons between RFPSC and OPSC are made based on their linear models and significant similarities between the two are found. Simulations are used to study the performance of conventional PSC, RFPSC and OPSC. RFPSC and OPSC are found to have not only excellent performance but also react in a very similar manner to changes in the output power reference when correct tuning is used. The potential for using LCL filters with OPSC is also confirmed using simulations. The performance of the three PSC-based methods is confirmed experimentally by means of a laboratory setup that includes physical converters and a real-time control system.

Det blir mer allmänt att ansluta förnybara energikällor till elnätverk via omriktare. För tillfället är de flesta av dessa omriktare så kallade nätverksföljande omriktare som följer en frekvens samt spänning som skapas av synkrongeneratorer anslutna till elnätverket. Storskalig användning av nätverksföljande omriktare skulle äventyra elnätverkets stabilitet och därför är mängden av dem som får användas begränsad. En möjlig lösning är att använda nätverksskapande kontrollmetoder som tillåter omriktare at sätta sin ägna frekvens och spännings referens och därmed inte längre vara beroende av synkrongeneratorer. Kraftsynkroniserigskontroll (power-synchronization control, PSC) är en sådan metod med två framträdande versioner, konventionell PSC samt referensframkoplings PSC (reference-feedforward PSC, RFPSC). Dessa två metoder är dock heuristiskt utvecklade och en mer koherent strategi är mer önskvärt. Denna magisteravhandling utvecklar en ny observatör-baserad PSC (observer-based PSC, OPSC) metod för kontroll av nätverksskapande omriktare med L-filter. Förslag för avstämning av OPSC presenteras på basis av stabilitetsanalys av dess linjära modell. OPSC och RFPSC jämförs på basis av deras linjära modeller och märkbara jämlikheter mellan dessa två hittas. Simuleringar används för att studera prestationsförmågan av konventionell PSC, RFPSC samt OPSC. RFPSC och OPSC upptäcks ha inte bara utmärkt prestationsförmåga men också en väldigt lik reaktion till förändringar i uteffekt referensen då rätt avstämning används. Möjligheten att använda LCL-filter med OPSC bekräftas också med simuleringar. Prestationsförmågan av de tre PSC-baserade metoder bekräftas experimentellt med hjälp av en laboratorieuppställning, som består bland annat av fysiska omriktare och en realtids styrsystem.