Control strategy of virtual synchronous generator based on virtual impedance and band pass damping

This thesis is about virtual synchronous generator, i.e., methods by which solid state generators can emulate the behavior of rotating machines. Such virtual synchronous generator enables the renewable energy generation system to participate in the frequency and voltage control of the power grid. This work analyzes the traditional virtual synchronous generator control strategy. A detailed analysis of the components of synchronous generator is given, also the roles of the various parts of synchronous generator in the power system stability control are explained in detail: stator winding and its dynamic model, damper winding, mechanical parts. The feasibility of conventional voltage-mode and current-mode virtual synchronous generator control strategy is first examined, based on the fifth-order model of synchronous generator and the average model of grid converter. A number of issues which limit the performance are found, and will be described in detail. A new virtual synchronous generator control strategy is then proposed, which mainly includes virtual impedance and band-pass damping algorithms to achieve the electrical characteristics of synchronous generator for the grid converter. This work also discusses the differences between the new and the traditional method on impedance emulation, and the differences between the traditional pure proportional damping algorithm and the new band-pass damping algorithm, which highlights the fundamental factor of the virtual synchronous generator. Band-pass damping algorithm can damp swing motion of the virtual mechanical rotor, but does not affect the steady-state characteristics of virtual synchronous generator. Virtual impedance algorithm is used to simulate the synchronous reactance, which is universal for both round and salient-pole generator in simulating any form of impedance, including pure inductive, purely capacitive, resistive-inductive and resistive-capacitive impedance, and it also avoids the introduction of the current differential term and additional low-pass filter of conventional method. The proposed control strategy has been validated by simulation and then implemented and tested using a grid-connected inverter. Experimental results are included in this thesis. Performance of the new strategy is satisfactory.

Questa tesi riguarda i generatori sincroni virtuali, ossia i metodi con cui un generatore a stato solido può emulare il comportamento di una macchina rotante. Scopo di tali metodi è permettere alla generazione distribuita da fonti rinnovabili di contribuire al controllo di tensione e frequenza della rete. Nel seguito analizzeremo le strategie consolidate per il controllo del generaotre sincrono virtuale, esaminando in dettaglio il ruolo delle varie parti nel controllo di stabilità: in particolare gli avvolgimenti di statore e il loro modello dinamico, i sistemi di smorzamento, le parti meccaniche del generatore. Inizialmente valuteremo l'aplicabilità dei metodi convenzionali di controllo in corrente e in tensione (basati su un modello del 5° ordine del generatore e su un modello generico del convertitore connesso in rete), descrivendo i limiti alle prestazioni che ne derivano. Proponiamo qui una nuova strategia di controllo per il generatore sincrono virtuale: essa, per realizzare le caratteristiche del generatore sincrono, si basa sull'impedenza virtuale e su algoritmi di smorzamento passabanda. Di tale strategia verranno esaminati i vantaggi rispetto al metodo tradizionale di emulazione dell'impedenza, e rispetto al tradizionale algoritmo proporzionale per lo smorzamento. L'uso di un filtro passabanda permette di smorzare le oscillazioni del rotore virtuale senza influenzarne il comportamento allo stato stazionario. L'impedenza virtuale, utilizzata per simulare la reattanza sincrona, può essere utilizzata per macchine a poli lisci e a poli salienti e per tutti i tipi di impedenza (induttiva, induttiva-resistiva, capacitiva o capacitiva-resistiva) e inoltre evita l'uso di termini differenziali in corrente e l'aggiunta dei filtri passa-basso utilizzati nei metodi convenzionali. La strategia di controllo proposta è stata validata tramite simulazioni e poi implementata e testata utilizzando un inverter connesso alla rete. I risultati sperimentali sono riportati nel seguito, e confermano una prestazione assai soddisfacente per la nuova strategia.