Synthetic inertia. Analysis and control technique applied to a photovoltaic generator connected to a medium voltage grid

In past years, the electrical world has experimented several changes due to the huge technological improvement. The power electronic devices had a fundamental role in this evolution. However, they involved also new challenges in the energy production and transmission. The one that is under study in this work is the reduction of the grid inertia due to the spread of the renewable sources exploitation and the consequent frequency transient issues. After introducing the traditional frequency regulation approach, the implementation of the droop control, which emulates the primary frequency regulation in order to stop the frequency transients after few seconds supplying a non-zero contribution at steady state, and of the synthetic inertia control, which emulates the mechanical inertia of traditional generators supplying only a temporary contribution during the frequency transient regulation, are exposed. The last characteristic makes the synthetic inertia implementation adapt especially to the photovoltaic generators because it does not interfere with the MPPT control at steady state. The following analysis deepens the synthetic inertia implementation in order to study the frequency transients counteraction in their first instants. Therefore, the most challenging condition has been chosen in order to test the analysed inertial regulator: an islanded medium voltage grid characterized by a strong exploitation of renewable sources. This network and especially the photovoltaic generator on which the synthetic inertia control is implemented have been modelled and sized. Particular interest has been given to the PV control system of which two different models have been presented. In one case, the synthetic inertia is implemented through an additional current reference that is proportional to the frequency derivative. In the other case, instead, the additional reference regards the dc voltage control loop. Finally, the related simulations have been reported and analysed.

Negli ultimi anni, il mondo elettrico ha subito numerosi cambiamenti legati ad un rapido miglioramento tecnologico. L’elettronica di potenza ha avuto un ruolo fondamentale in questa evoluzione, ma essa ha comportato la nascita di nuove sfide per la produzione e per la trasmissione di energia elettrica. Tra queste, si è scelto di analizzare la problematica della riduzione dell’inerzia di rete legata alla diffusione dello sfruttamento delle risorse rinnovabili e le conseguenti difficoltà nell’affrontare i transitori di frequenza. Dopo aver introdotto l’approccio tradizionale della regolazione di frequenza, è stata esposta l’implementazione di due controlli: il controllo di droop, che emula la regolazione primaria di frequenza con l’intento di fermare i transitori di frequenza dopo pochi secondi fornendo un contributo non nullo a regime; il controllo di inerzia sintetica, che emula l’inerzia meccanica dei generatori tradizionali fornendo un contributo di regolazione solo temporaneo durante i transitori di frequenza. Tale caratteristica la rende particolarmente adatta per i generatori fotovoltaici, in quanto non interferisce a regime con il controllo di MPPT. L’analisi qui presentata approfondisce l’implementazione dell’inerzia sintetica per studiare il rallentamento dei transitori di frequenza nei loro primi istanti. Per testare il regolatore di inerzia, è stata scelta una delle condizioni di rete meno stabili: una rete di media tensione caratterizzata da un forte sfruttamento delle risorse rinnovabili e da un funzionamento in isola. Questa rete e il generatore fotovoltaico su cui viene implementato il regolatore inerziale sono modellati e dimensionati. Particolare attenzione è posta sul sistema di controllo del PV di cui vengono proposti due diversi modelli. In un caso, l’inerzia sintetica è implementata attraverso un riferimento addizionale di corrente. Nell’altro caso, invece, il riferimento addizionale riguarda l’anello di controllo di tensione DC. Infine, le relative simulazioni sono riportate ed analizzate.