Synthetic inertia. Analytical design and modelling of PQ-controlled converters in islanded medium voltage grid and microgrid scenarios

The quick technological improvement that involved the power electronic devices in the last years has increased the spread of renewables sources and storage systems exploitation. This evolution implied new challenges in the production and transmission of the electrical energy. Among them, it has been chosen to analyse one common difficulty to both traditional distribution grids and innovative microgrids: the reduction of the grid inertia and the consequent frequency transient issues. In this thesis the attention has been focused to the synthetic inertia control, which emulates the temporary benefit of the mechanical inertia of the traditional generators contributing to the primary frequency regulation in the first transient instants. The control has been applied to a generic constant power generation unit (PQ) interfaced to the grid by means of electronic converters. In order to evaluate the effective benefits of the inertia support, two networks scenarios in critical stability conditions have been considered: medium voltage grid with traditional primary regulation and droop-controlled microgrids, both operating in island condition. The PQ-controlled unit dynamics has been modelled, introducing the control system able to modulate the active and reactive power injection of the system. The inertia control has been proposed and designed with two different models: the first one is based on an additional current reference to the current control loop while, the second one, on an additional DC voltage reference. By including the external grid characteristics in the implemented inertia models and adopting an analytical approach through simplified transfer functions, it is possible to predict the power system properties and the converter dynamics during the inertia provision. The relative simulations are reported and analysed to verify the accuracy of the mathematical model.

Il rapido miglioramento tecnologico che ha caratterizzato l’elettronica di potenza negli ultimi anni ha contribuito alla diffusione dello sfruttamento di energie rinnovabili e sistemi di accumulo. Questa evoluzione ha comportato la nascita di nuove sfide sia nella produzione che nella trasmissione di energia elettrica. Tra queste si è deciso di analizzare una problematica comune sia alle tradizionali reti di distribuzione che alle innovative micro-reti: la riduzione dell’inerzia di rete con le relative difficoltà nell’affrontare i transitori di frequenza. In questa tesi l’attenzione è stata focalizzata sul controllo di inerzia sintetica che emula il temporaneo beneficio dell’inerzia meccanica dei generatori tradizionali fornendo, nei primi istanti del transitorio di frequenza, un contributo alla regolazione primaria. Il controllo è stato applicato ad una generica unità di generazione a potenza constante (PQ) interfacciata con la rete attraverso l’ausilio di convertitori elettronici. Per valutare gli effettivi benefici del supporto inerziale, sono stati considerati due scenari di rete in condizioni critiche di stabilità: reti in media tensione con regolazione di frequenza tradizionale e micro-reti equipaggiate del controllo di droop, entrambe funzionanti in isola. Le dinamiche dell’unità PQ sono state modellizzate introducendo il sistema di controllo atto a modulare l’iniezione di potenza attiva e reattiva del sistema. Il controllo di inerzia è stato proposto e dimensionato con due modelli diversi: il primo si basa su un riferimento addizionale sull’anello controllo di corrente mentre, il secondo, su un riferimento addizionale di tensione DC. Includendo le caratteristiche della rete esterna nei modelli di inerzia implementati e utilizzando un approccio analitico per mezzo di funzioni di trasferimento, è possibile prevedere le proprietà del sistema e le dinamiche del convertitore durante il supporto inerziale. Le relative simulazioni sono riportate e analizzate per verificare la correttezza del modello matematico.