Synthetic inertia in wind applications

The rapid growth of renewable energy sources, mainly driven by environmental concerns, has significantly affected the whole electric network, bringing new and exciting challenges in the fields of the energy production and transmission. The one that is under interest of this work is the reduction of the grid inertia linked to the growing penetration of inverter-based renewable sources. The frequency of a power system is a continuously changing quantity strictly coupled to the balance between consumed and produced active power. A momentary imbalance between them results in a change of system frequency. Inertia helps the network preventing system frequency from experiencing sudden changes, since the generating units cannot respond instantaneously to balance the network. In traditional power systems, inertia is an intrinsic property related to the rotating masses of generation groups and their associated kinetic energy, because their direct connection to the grid links the mechanical rotating frequency of the machines to the grid frequency. Nowadays, power systems are progressing from a synchronous machine-based system towards an inverter-dominated system. Since non-synchronously connected production units, such as modern wind turbines, are connected via power converters, they do not contribute to the inertia of the system, causing concerns about the overall system inertia. To overcome these issues, different countermeasures may be introduced. In this work, the implementation of the synthetic inertia in the control mechanism is exposed. Basically, it emulates the inertial response provided by traditional generators, supplying a temporary contribution during the first instants of a frequency transient. In the performed analysis, the synthetic inertia implementation is studied in different network conditions from a small and simplified network to a real transmission system. This is done in order to figure out the possible improvements in the frequency stability in different situations.

La rapida crescita delle fonti energetiche rinnovabili, principalmente guidata da preoccupazioni di carattere ambientale, ha influenzato in modo significativo l’intera rete elettrica, portando nuove e stimolanti sfide nei settori della produzione e della trasmissione dell’energia elettrica. Tra queste, si è analizzata la problematica della riduzione dell’inerzia della rete collegata alla crescente penetrazione di generatori interfacciati con la rete tramite inverter. La frequenza in un sistema elettrico di potenza è una quantità in continuo cambiamento strettamente collegata all’equilibrio tra la potenza attiva prodotta e quella consumata. Un momentaneo squilibrio tra le due si traduce in una variazione della frequenza del sistema. L’inerzia aiuta la rete impedendo che la frequenza subisca brusche variazioni, dato che i gruppi di generazione non sono in grado di rispondere istantaneamente per bilanciare il sistema. Nei sistemi elettrici di potenza tradizionali, l’inerzia è una proprietà intrinseca collegata alle masse rotanti dei generatori sincroni ed all’energia cinetica ad esse associata, poiché la connessione diretta di questi generatori con la rete permette un legame tra frequenza di rotazione meccanica e la frequenza elettrica. Al giorno d’oggi, i sistemi elettrici di potenza si stanno spostando da un sistema basato su macchine sincrone verso un sistema dominato da inverter. Poiché queste unità di produzione, come le moderne turbine eoliche, sono collegate alla rete tramite convertitori di potenza, esse non sono in grado di contribuire all’inerzia del sistema causando preoccupazioni per l’inerzia complessiva del sistema elettrico. Per ovviare a questi problemi, diverse contromisure possono essere prese in considerazioni. In questo lavoro è stata esposta l’implementazione del controllo di inerzia sintetica. Essenzialmente, emula la risposta inerziale fornita dai generatori tradizionali, fornendo un contributo temporaneo durante i primi istanti di un transitorio di frequenza. Nell’analisi eseguita, l’implementazione dell’inerzia sintetica è stata studiata in differenti condizioni di rete, partendo da una rete piccola e semplificata fino ad un sistema di trasmissione reale. Questo è stato fatto al fine di capire i possibili miglioramenti nella stabilità della frequenza in diverse situazioni.