Modelling and investigation of interactions of grid-forming power converters with distributed generators in islanded microgrids

In traditional electrical power systems, as an integrated system, all components including transmission lines, distribution lines, and load are concerned with power system stability. Therefore, by occurring an interruption due to fault in transmission lines, the other parts of the system would be affected. However, by increasing technical development in generating electrical power, and subsequently emerging high penetration of distributed and renewable energy sources (RES), it would be able to define separate power system stability in distribution networks when the network is working in an islanded mode. The grid-forming power converter is the critical factor to maintain the energy supply within the islanded operation. In this master thesis (developed at IFHT – Institute of High Voltage Technology at RWTH university, Achen), several control strategies of the grid-forming power converter as a crucial factor to cope with grid disturbances (e.g., large load/generation steps) are investigated, and a suitable grid-forming power converter is identified. Subsequently, the identified model is implemented in the RMS simulation environment "MatPAT". Following that, the proper functionality is analyzed and evaluated concerning the stability in normal operation and grid disturbances (load changes). The model is evaluated by using variables as following different types of VSI, droop control, Outer control, and governor. In order to analyze the interactions with an additional case, a synchronous generator (DG) is implemented to the islanded grid. The load management algorithm is identified to improve the model regarding the power system stability, and the final results are analyzed and discussed at the end of each simulation.

Nei sistemi elettrici tradizionali, come in tutti i sistemi integrati, tutti i componenti, comprese le linee di trasmissione, le linee di distribuzione e il carico, influenzano la (e sono influenzati dalla) stabilità del sistema di alimentazione. Pertanto, in caso di un'interruzione dovuta a un guasto nelle linee di trasmissione, le altre parti del sistema ne risentirebbero. Tuttavia, aumentando lo sviluppo tecnico della produzione di energia elettrica e, in conseguenza, aumentando la penetrazione di fonti energetiche distribuite e rinnovabili (RES), si potrebbe essere in grado di definire una stabilità del sistema di alimentazione separata nelle reti di distribuzione quando queste dovessero operare in isola. Il convertitore di potenza che forma la rete (grid-forming converter) è il fattore critico per mantenere l'approvvigionamento energetico all'interno dell'operazione in isola. In questa tesi realizzata presso l'IFHT – Institute of High Voltage Technology presso l'università RWTH di Achen, sono state studiate diverse strategie di controllo del grid-forming converter come fattore cruciale per far fronte ai disturbi della rete (ad es., grandi variazioni di carico e generazione). Inoltre, è stata individuata la strategia di controllo del grid-forming converter più adeguata. Successivamente, il modello identificato è stato implementato nell'ambiente di simulazione rms "MatPAT". In seguito, è stata analizzata e valutata la funzionalità corretta per quanto riguarda la stabilità nel funzionamento normale e in caso di presenza di disturbi nella rete (variazioni di carico). Il modello è stato valutato utilizzando le variabili in base ai diversi tipi di convertitore: controllo dello statismo, controllo esterno e regolatore. Per analizzare le interazioni con un caso aggiuntivo, un generatore sincrono (DG) è stato inserito all’interno della rete in isola. È stato individuato l'algoritmo di gestione del carico più adeguato per migliorare la stabilità del sistema di alimentazione e i risultati finali sono analizzati e discussi alla fine di ogni simulazione.