Compensazione dei transitori veloci di frequenza mediante sistemi HVDC-VSC

The international electrical context is changing : the increasing electricity production from renewable energy sources has led to the diffusion of the Widespread Generation and a consequent change in network power flows , with different control strategies. The growth of static power converters for interfacing Renewable Production Units, together with a reduction in production from conventional power plants, has generated a reduction in network inertia, inner property of rotating machinery, necessary to limit the frequency variation due to energy imbalances. A challenge of the near future will be to increase even more production from renewable sources and lack of mechanical inertia will be a serious issue to face. Since HVDC systems are increasingly used for long-distance connections and find application in interconnection with the Production Units themselves, recently there are lots of studies by researchers to implement special inverter controls, able to dispense or absorb power to accumulator systems in a short time; the goal is to simulate a "synthetic" inertial response. VSC converters for HVDC applications are certainly the future for DC power, having a control that allows separate management of active and reactive power flows as well as continuous voltage regulation. In this thesis we will analyze a method for network inertia support that takes advantage of the energy stored in the DC-link capacitors, aiming to compensate the fast frequency transients estimated through a PLL. In the presented simulations, however, we will not refer to Renewable Source Production Units but more generically to two AC networks connected through a point-to-point HVDC connection. In chapter One of the Thesis, after a brief comparison between the AC and DC transmissions, reporting the advantages of the latter under certain conditions, VSC converters will be introduced by analyzing their operation in detail. Chapter Two, on the other hand, presents the generic control strategy that is used for a VSC converter in order to regulate power flows and tensions to its terminals by thoroughly studying the inner and outer control loop and PWM modulation, up to arrive at the equations for calculating the reference modulating signals. In Chapter Three, after a brief overview of the eletric system changing , the issues by Widespread Generation and by the increase in production from Renewable Energy Sources will be presented, analyzing in particular the failure to support frequency adjustment. We will briefly study the frequency adjustment for traditional production units, focusing on the importance of inertia of the rotating masses, in order to limit the frequency derivative during transitory events. Finally, it will be define synthetic inertia concept. In Chapter Four will be presented the most common network inertia support controls, such as "time derivative of frequency control" and "droop control", using VSC converters associated with storage systems or production plants from Renewable Source. Subsequently, the "Inertia Emulation Control" method proposed in this paper will be discussed in detail, which involves the use of the same capacitors of the converter as a source of accumulation for performing a fast frequency adjustment. Chapter Five provides a detailed description of the Matlab-Simulink model considered. The two AC networks, real and ideal, placed at the ends of the HVDC connection, as well as the two converters and all implemented control logic, will be analyzed, including the additional part for the INEC strategy Chapter Six shows, lastly, the Simulink simulations carried out to test whether or not the strategy for fast frequency adjustment is valid. Are taken in test sudden load changes by performing a gradual path, first considering an unloaded HVDC connection and then imposing a power transition. The classic INEC strategy will then be modified with a derivative control, evaluating the new results. Finally, a preliminary study will be carried out in the event of a three phase fault.

Il panorama elettrico internazionale sta vivendo numerose modifiche rispetto al passato: la crescente produzione elettrica da fonti energetiche rinnovabili ha portato alla diffusione della Generazione Distribuita e ad una conseguente modifica dei flussi di potenza di rete, con strategie di controllo differenti. L’incremento dei convertitori statici di potenza per l’interfacciamento delle Unità di Produzione da fonte rinnovabile, accompagnato parallelamente da una diminuzione della produzione da centrali di tipo convenzionale, ha causato una diminuzione dell’inerzia di rete, proprietà intrinseca delle macchine rotanti e indispensabile per limitare la variazione della frequenza in seguito a sbilanci energetici. Sfida del prossimo futuro sarà quella di incrementare ancor più la produzione energetica da fonti rinnovabili e la carenza d’inerzia meccanica sarà un serio problema da affrontare. Poiché i sistemi HVDC sono sempre più utilizzati per i collegamenti su lunghe distanze e trovano applicazione nell’interconnessione nelle Unità di Produzione stesse, negli ultimi anni sono sempre più gli studi, da parte dei ricercatori, per l’implementazione di appositi controlli dei convertitori in grado di far erogare o assorbire potenza a dei sistemi di accumulo in tempi ridotti; in questo modo si cerca di simulare una risposta inerziale “sintetica”. I convertitori VSC per applicazioni HVDC rappresentano una valida soluzione per la trasmissione in corrente continua, disponendo di un controllo che permette la gestione separata dei flussi di potenza attiva e reattiva nonché la regolazione della tensione continua. In questa Tesi si andrà ad analizzare un metodo per il supporto all’inerzia di rete che sfrutti l’energia immagazzinata nei condensatori del DC-link, con l’obbiettivo di compensare i transitori di frequenza “veloci” stimati attraverso un PLL. Nelle simulazioni che verranno presentate non si farà però riferimento ad Unità di Produzione da fonte rinnovabile, ma più genericamente a due reti in corrente alterna AC connesse attraverso un collegamento HVDC point-to-point. Nel capito Uno della Tesi, dopo un breve confronto tra la trasmissione in corrente alternata e corrente continua, riportando i vantaggi di quest’ultima in determinate condizioni, verranno introdotti i convertitori VSC analizzando nel dettaglio il loro funzionamento. Il capitolo Due presenta invece la strategia di controllo generica che viene utilizzata per un convertitore VSC, al fine di regolare i flussi di potenza e le tensioni ai suoi capi, studiando approfonditamente l’anello interno ed esterno di controllo e la modulazione PWM, fino a giungere alla formula per il calcolo dei segnali modulanti di riferimento. Nel capitolo Tre, dopo una breve panoramica sull’evoluzione del sistema elettrico odierno, verranno presentate le problematiche introdotte dalla Generazione Distribuita e dall’aumento di produzione da Fonti Energetiche Rinnovabili, analizzando in particolare il mancato supporto alla regolazione di frequenza. Si accennerà brevemente alla regolazione di frequenza per le Unità di Produzione tradizionali, incentrandosi sull’importanza dell’inerzia delle masse rotanti, al fine di limitare la derivata di frequenza durante eventi perturbanti. Si arriverà infine a definire l’inerzia sintetica. Nel capitolo Quattro verranno presentati invece i controlli più comuni per il supporto all’inerzia di rete, quali “controllo tramite derivata di frequenza” e “controllo droop”, utilizzando convertitori VSC associati a sistemi di accumulo o ad impianti di produzione da Fonte Rinnovabile. Successivamente verrà analizzato nel dettaglio il metodo “Inertia Emulation Control” proposto in questo elaborato, che prevede l’utilizzo degli stessi condensatori del convertitore come fonte di accumulo per effettuare una regolazione di frequenza veloce. Il capitolo Cinque riporta invece una descrizione dettagliata del modello Matlab-Simulink preso in esame. Verranno analizzate le due reti AC, reale e ideale, poste agli estremi del collegamento HVDC, nonché i due convertitori e tutta la logica di controllo implementata, compresa la parte aggiuntiva per la strategia INEC. Il capitolo Sei mostra, in ultimo, le simulazione Simulink effettuate al fine di testare la validità o meno della strategia proposta per la regolazione veloce di frequenza. Vengono presi in esame attacchi e distacchi improvvisi di carico, effettuando un percorso graduale considerando dapprima un collegamento HVDC scarico e successivamente imponendo un transito di potenza. La strategia INEC classica verrà poi modificata con un controllo a derivata, valutando i nuovi risultati. Si effettuerà infine uno studio preliminare in caso di guasto.