Grid converter output admittance identification and passivity analysis

Thumbnail Image

Files

master_Määttä_Juho_2025.pdf (1.78 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-06-29

Department

Major/Subject

Electrical Power and Energy Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering

Language

en

Pages

56

Series

Abstract

The share of energy sources connected to the grid using power electronics-based converters is increasing rapidly due to the growing production of renewable energy. As more grid converters are deployed, the risk of harmonic instability also increases as converters may amplify resonant frequencies that are present in the power grid. Analysis of these converter--grid interactions can be conducted using frequency-domain stability analysis, where output admittance is an important concept. If the converter output admittance is passive, i.e., it exhibits positive damping for all frequencies, the parallel connection with other passive devices is stable. This thesis presents the development and usage of an open-source tool for numerical converter output admittance identification. The identification tool calculates the output admittance from measured time-domain waveforms. Signal injection in steady state using single-sinusoid excitation is used. Additionally, analytical solutions for the output admittance are presented using a state-of-the-art grid-following control method as well as a grid-forming control method. All results obtained with the numerical tool are validated with analytical results. Comparison against a commercial numerical identification tool is also provided. The results show that the output admittance obtained using the open-source identification tool matches well with the analytical solutions and with the results from the commercial tool. It is also shown how the output admittance can be further applied to study the passivity of grid converter control methods.

Suuntaajakytkettyjen voimalaitosten määrä on kasvamassa merkittävää tahtia uusiutuvan energiantuotannon lisäämisestä johtuen. Verkkosuuntaajien määrän lisääntyminen voi aiheuttaa sähköverkkoon yliaalloista johtuvaa epästabiiliutta, sillä suuntaajat voivat vahvistaa verkossa esiintyviä resonanssitaajuuksia. Suuntaajien ja sähköverkon välisiä vuorovaikutuksia voidaan tutkia käyttäen taajuustason stabiilisuusanalyysia, jossa tärkeässä osassa on suuntaajan lähtöadmittanssi. Jos suuntaajan lähtöadmittanssi on passiivinen, eli sen konduktanssi on ei-negatiivinen kaikilla taajuuksilla, voidaan varmistaa että suuntaajan ja minkä tahansa muun passiivisen laitteen muodostama kytkentä on stabiili. Tässä diplomityössä esitetään lähtöadmittanssin numeeriseen identifiointiin kehitetty avoimen lähdekoodin työkalu. Lähtöadmittanssi lasketaan mitatuista aikatason signaaleista, ja identifiointimenetelmä pohjautuu toimintapisteessä syötettyyn sinimuotoiseen herätesignaaliin. Suuntaajan lähtöadmittanssille johdetaan lisäksi analyyttiset ratkaisut käyttäen sekä alan nykytilaa edustavaa verkkoa seuraavaa säätömenetelmää että uutta verkkoa luovaa säätömenetelmää. Kaikki numeerisella työkalulla saadut tulokset on tarkistettu vertaamalla niitä analyyttisiin ratkaisuihin. Saatuja tuloksia on verrattu myös kaupallisella identifiointityökalulla saatuihin tuloksiin. Tulokset osoittavat, että työssä kehitetyllä avoimen lähdekoodin identifiointityökalulla saatu lähtöadmittanssi vastaa hyvin sekä analyyttisia ratkaisuja että kaupallisella työkalulla saatuja tuloksia. Työssä esitetään myös, kuinka määritettyä lähtöadmittanssia voidaan käyttää verkkosuuntaajien säätömenetelmien passiivisuuden analysointiin.

Description

Supervisor

Hinkkanen, Marko

Thesis advisor

Nurminen, Tuure

Keywords

admittance, grid-connected converter, grid-following converter, grid-forming converter, identification, impedance, stability

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508196525

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC