Real-time PMU-based power system inertia monitoring considering dynamic equivalents

Nowadays, the energy portfolio is changing to include more Renewable Energy Sources (RES) in a search for mitigating the impact on the environment. However, the increasing penetration of RES in power systems has been bringing many challenges for Transmission System Operators (TSOs). RES-based generators are mainly connected to the grid by means of converters, that decouple the dynamics of prime movers from the bulk power system. Hence, these units do not contribute directly to the equivalent inertia of the system, and among the main consequences, larger and longer frequency excursions follows power imbalances on the grid. For that reason, estimating inertia in real-time is becoming indispensable for the overall security assessment of the system. This thesis aims at investigating inertia estimation with the use of data coming from Phasor Measurement Units (PMUs), devices capable of acquiring measurements from the grid and providing phasors synchronized by Global Positioning System (GPS) in real-time at high sampling rates. The topic has been explored in the literature in the last few years, with many methods and solutions to estimate inertia from the terminals of single generators. However, monitoring individually each generating unit is a strong assumption taking into consideration the size of power systems and current high cost of PMUs. Hence, estimating equivalent inertias based on the data provided by few PMUs spread on the system becomes an interesting practical research topic. The methodology used in this thesis consists in approaching some of the many challenges that a TSO may face on estimating inertia, divided according to different topics. Starting from the consideration that generators are monitored individually, to the case where areas are monitored at boundary buses, different methods were studied and novel methods and strategies are proposed to estimate inertia in some typical situations. Different types of perturbations were considered, including loss of generation, load steps, \gls{res} integration, and also inertia estimation under normal load variations. To test the methods, experiments with 5 different test-systems were performed, with different levels of complexity. The experiments were divided in 13 different studies, where simulations were handled using MATLAB and PowerFactory to acquire the equivalent data that PMUs could provide, and the methods were applied subsequently.

Al giorno d'oggi, il mix energetico sta cambiando per includere più fonti di energia rinnovabile (FER) al fine di mitigare l'impatto sull'ambiente. Tuttavia, la crescente penetrazione delle FER nei sistemi di generazione ha comportato molte sfide per i gestori dei sistemi di trasmissione (TSO). I generatori basati su FER sono principalmente collegati alla rete mediante convertitori, che disaccoppiano la dinamica del motore primo dalla rete. Pertanto, queste unità non contribuiscono direttamente all'inerzia equivalente del sistema e, tra le principali conseguenze, le escursioni di frequenza a seguito di squilibri di potenza sulla rete diventano più intense, e pericolose. Per tale motivo, la stima dell'inerzia in tempo reale sta diventando indispensabile per la valutazione complessiva della sicurezza del sistema. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare la possibilità di stimare l'inerzia con l'uso di dati provenienti dalle Phasor Measurement Units (PMUs), dispositivi in grado di acquisire misurazioni dalla rete e fornire fasori sincronizzati dal Global Positioning System (GPS) in tempo reale con alte frequenze di campionamento, ogni 20 ms. Il tema è stato studiato nella letteratura degli ultimi anni, e presenta molti metodi e soluzioni per stimare l'inerzia dei singoli generatori. Tuttavia, il monitoraggio individuale di ciascuna unità di generazione è un'ipotesi forte quando si tiene conto delle dimensioni dei sistemi di trasmissione reali e degli attuali costi delle PMU. Pertanto, stimare l'inerzia equivalente sulla base dei dati forniti da alcune PMU diffuse sul sistema diventa un tema di ricerca rilevante. La metodologia utilizzata in questa tesi consiste nell'approcciare alcune delle molte sfide che un TSO si trova ad affrontare per stimare l'inerzia, suddivise in argomenti differenti. A partire dall'ipotesi che i generatori siano monitorati individualmente, fino al caso in cui le aree sono monitorate sulle sbarre di confine, sono stati studiati diversi metodi e sono stati proposti nuovi approcci e strategie per stimare l'inerzia delle aree in alcune condizioni tipiche. Sono stati considerati diversi tipi di perturbazione, tra cui perdita di generazione, gradino di carico, integrazione di FER e anche stima dell'inerzia in condizione di normali variazioni di carico. Per validare i metodi, sono stati condotti esperimenti con 5 diversi casi studio, con diversi livelli di complessità. Gli esperimenti sono stati suddivisi in 13 diversi studi, in cui le simulazioni sono state condotte utilizzando MATLAB e PowerFactory per acquisire i dati equivalenti a quelli forniti dalle PMU e i metodi sono stati applicati in sequenza.