Synthetic inertia in wind power systems with DFIGs and HVDC connections. Analysis and simulations of some control systems

Inertia is the intrinsic property of any system with energy storage that represents the system resistance to any change of its energy state. State variables are quantities that represent the energetic state of the system and cannot vary instantaneously. In a power system the rotating masses of generators are the energy storage and angular speed is the state variable. Electrical frequency and mechanical rotational frequency are strongly linked by the electromagnetic field inside the generators and a change of rotating speed results in electrical frequency variation and vice-versa. In the steady state operation of power systems, there is a dynamical equilibrium, power generation and consumption are equal and so the frequency is constant, but if generation or load change, the first thing that begins to vary, instantaneously but in a continuous way, is the energy stored in the rotating masses which absorb the power imbalance. This results in a variation of the rotating speed of the generator shafts and so a variation of the grid frequency. How fast the frequency will vary depends on how much inertia the power system has at that moment. Soon after the frequency deviation takes place, primary frequency control will act in order to recover the perfect power balance. This is what happens in case generators are rotating electrical machines directly connected to the grid. But nowadays power plants with power electronic interfaces with the grid are becoming more and more popular. This is typical for distributed energy sources. In these cases the kinetic energy storage, even if it is present, is not linked directly with grid frequency and so they don't take part in the overall system inertia. This is not a problem if they are a negligible amount with respect to the total power generation, but nowadays they are becoming a considerable amount and there is concern about the overall inertia, essential for frequency stability. To overcome this issue we need to implement a control system able to deliver or absorb power in a fast way, taking or delivering it from the energy storage at disposal. In this way an inertial response can be simulated, we can say we have created some "synthetic inertia". In chapter one there is a brief description of the power system new trends and a panoramic view of some new technologies that are being developed to deal with the decreasing inertia issue. In chapter two we will analyse various methods to implement synthetic inertia dealing with HVDC connections and wind power plants. Then we will study a HVDC connection (chapters three and four), stability analysis and simulations with the control systems described in chapter two will be done. Eventually in chapter five we will study a wind turbine equipped with a doubly fed induction generator (DFIG) and the ways we can supply synthetic inertia and primary reserve to the grid, we will do stability analysis and simulations with the proposed control systems.

L'inerzia è la proprietà intrinseca di qualsiasi sistema con accumulo di energia che rappresenta la resistenza del sistema a un cambiamento del suo stato energetico. Le variabili di stato sono le quantità che rappresentano lo stato energetico del sistema e non possono variare istantaneamente. In un sistema elettrico di potenza le masse rotanti dei generatori sono l'accumulo di energia e la velocità angolare è la variabile di stato. Frequenza elettrica e frequenza di rotazione meccanica sono strettamente legati dal campo elettromagnetico all'interno dei generatori e un cambio di velocità in rotazione risultata in una variazione della frequenza elettrica e viceversa. Nel sistema, a regime, vi è un equilibrio dinamico, generazione e consumo energetico sono uguali e quindi la frequenza è costante, ma se la generazione o il carico variassero, la prima cosa che comincerebbe a variare, istantaneamente ma in modo continuo, è l'energia immagazzinata nelle masse rotanti che assorbono lo squilibrio di potenza. Ciò si traduce in una variazione della velocità di rotazione degli alberi generatori e quindi in una variazione della frequenza di rete. Quanto è veloce la variazione di frequenza dipende da quanto vale l'inerzia del sistema elettrico di potenza in quel momento. Subito dopo la deviazione di frequenza ha luogo il controllo primario della frequenza che agisce al fine di recuperare l'equilibrio tra potenza generata e consumata. Questo è ciò che accade nel caso in cui generatori sono macchine elettriche rotanti direttamente collegati alla rete. Ma al giorno d'oggi le centrali elettriche interfacciate alla rete con convertitori elettronici di potenza stanno diventando sempre più comuni. Questo è tipico per le fonti di energia distribuite. In questi casi l'accumulo di energia cinetica, anche se fosse presente, non è legato direttamente alla frequenza di rete e quindi non prendono parte alla formazione dell'inerzia complessiva del sistema. Questo non è un problema se sono una quantità trascurabile rispetto al totale della generazione, ma oggi stanno diventando una notevole quantità e vi è preoccupazione per l'inerzia complessiva del sistema elettrico, essenziale per la stabilità di frequenza. Per ovviare a questo problema abbiamo bisogno di implementare un sistema di controllo in grado di fornire o assorbire energia in modo veloce, prendendola dall'accumulo di energia a disposizione. In questo modo una risposta inerziale può essere simulata, cioè possiamo dire di aver creato un'"inerzia sintetica". Nel primo capitolo vi è una breve descrizione delle nuove tendenze riguardanti il sistema elettrico di potenza e una vista panoramica di alcune nuove tecnologie che si stanno sviluppando per affrontare il problema della diminuzione dell'inerzia. Nel secondo capitolo analizzeremo vari metodi per implementare l'inerzia sintetica con collegamenti HVDC e impianti eolici. Poi studieremo un collegamento HVDC (capitoli tre e quattro), analisi di stabilità e simulazioni con i sistemi di controllo descritti nel capitolo due saranno eseguiti. Alla fine, nel quinto capitolo studieremo una turbina eolica dotata di un generatore a doppia alimentazione (DFIG) e il modo in cui possiamo fornire inerzia sintetica e riserva primaria alla rete, faremo l'analisi di stabilità e simulazioni con i sistemi di controllo proposti.