Development and testing in OpenModelica of ENTSO-E standard HVDC models for power system analysis

The use of HVDC systems has been increasing ever more over the past 60 years. Continuous technological developments regarding power converters, semiconductors and transmission cables have made these systems increasingly advanced, reliable and performing. Furthermore, the contribution of energy produced from renewable sources throughout the world is expected to approach 51% of the total generation mix by 2040; many large-scale renewable energy plants, such as solar or wind farms, are located far from the main energy use centres. Therefore, efficient transmission of electricity over long distances is required and HVDC represent an optimal choice for this purpose. The increasingly widespread distribution of HVDC systems, also in Italy and Europe, makes its dynamic modelling an essential element in the creation of network replicas and in the simulations on them. In this context, simulation and analysis tools are increasingly used: software, real time simulations and tests, control replica of HVDC systems and network control replicas. The development of this tools will be crucial as it will allow the processing of updates to existing HVDC systems and the perfect integration of future connections within the existing network. In many cases the HVDC systems constitute a cross-border connection or between different synchronous areas. In this scenario, perfecto communication between TSOs of the various European countries is fundamental as regards the exchange of information on the network. In this sense, the CIM (Common Information Model) is one of the most relevant data formats for the exchange of information between TSOs concerning the models of their transmission systems. In particular, for the purposes of data exchange between European TSOs the CGMES format is being adopted which integrates the CIM in some specific aspects concerning the harmonization of the models with the requirements of the Network Codes. In recent years, the line adopted by the CGMES consists of the sharing between TSOs of dynamic models in Modelica language and not only in the data exchange of the parameters of dynamic models as is currently the case. In the HVDC field, the G-HVDC working group has produced a first modelling standard for LCC and VSC systems; the goal is to develop generic models equipped with the main functionalities, which are shared among all the simulation tools, in order to conduct coherent simulations between them. In this scenario, it is particularly strategic for CESI S.p.A., consultant of the Italian TSO Terna S.p.A., to adopt the Modelica formalism in the platforms developed for network dynamic simulations. The adoption of the Modelica standard will allow the CIM format models to be used directly within CESI software developed for Terna. The purpose of the thesis is therefore to provide a first practical feedback to the work, still in progress, of standardization of HVDC dynamic models by the G-HVDC working group, proceeding with a first implementation in OpenModelica environment of the models reported within the standard and propose: - Possible additions and / or corrections to the models; - Parameters to be used within the simulations to get realistic responses.

L’utilizzo dei sistemi HVDC ha avuto un incremento sempre più crescente negli ultimi 60 anni. I continui sviluppi tecnologici riguardanti convertitori di potenza, semiconduttori e cavi di trasmissione hanno reso questi sistemi sempre più avanzati, affidabili e performanti. Inoltre, il contributo dell’energia prodotta da fonti rinnovabili in tutto il mondo è previsto avvicinarsi al 51% del mix di generazione totale entro il 2040; molte centrali rinnovabili su larga scala, come ad esempio parchi solari ed eolici, sono situate lontano dai principali centri di utilizzo dell’energia. Pertanto, è necessaria un’efficiente trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze e i sistemi HVDC rappresentano una scelta ottimale a tale scopo. La diffusione sempre più capillare dei sistemi HVDC, anche in Italia ed in Europa, rende la sua modellizzazione dinamica un elemento essenziale nella creazione di repliche di rete e nelle simulazioni su di esse. In questo contesto vengono sempre più utilizzati strumenti di simulazione ed analisi: softwares, simulazioni e test in tempo reale, repliche di controllo di impianti HVDC e repliche di controllo di rete. Lo sviluppo di questi strumenti sarà cruciale in quanto consentirà l’elaborazione di aggiornamenti a sistemi HVDC esistenti e la perfetta integrazione di collegamenti futuri all’interno della rete esistente. In molti casi i sistemi HVDC costituiscono un collegamento transfrontaliero o tra aree sincrone differenti. In questo scenario risulta fondamentale una perfetta comunicazione tra i TSO dei vari paesi europei per quanto riguarda lo scambio di informazioni sulla rete. In questo senso il CIM (Common Information Model) è uno dei più rilevanti formati di dati per lo scambio di informazioni tra TSO riguardante i modelli dei propri sistemi di trasmissione. In particolare, per gli scopi di scambio dati fra TSO europei è in fase di adozione il formato CGMES che integra il CIM in alcuni aspetti specifici riguardanti l’armonizzazione dei modelli con i requisiti dei Codici di Rete. Negli ultimi anni, la linea adottata dal CGMES consiste nella condivisione tra TSO di modelli dinamici in linguaggio Modelica e non solo nello scambio dati dei parametri dei modelli dinamici come avviene attualmente. In ambito HVDC, il gruppo di lavoro G-HVDC ha prodotto un primo standard di modellizzazione dei sistemi con tecnologia LCC e VSC; il proposito è quello di sviluppare dei modelli generici dotati delle principali funzionalità, che siano condivise tra tutti i tool di simulazione, al fine di condurre simulazioni coerenti tra loro. In questo scenario risulta particolarmente strategico per CESI S.p.A., consulente del TSO italiano Terna S.p.A., adottare il formalismo di Modelica nelle piattaforme sviluppate per le simulazioni dinamiche di rete. L’adozione dello standard Modelica consentirà di utilizzare direttamente i modelli in formato CIM all’interno dei software CESI. sviluppati per Terna. Lo scopo della tesi è quindi quello di fornire un primo riscontro pratico al lavoro, ancora in corso, di standardizzazione dei modelli dinamici di HVDC da parte del gruppo G-HVDC ENTSO-E, procedendo ad una prima implementazione in ambiente OpenModelica dei modelli proposti all’interno di tale standard e proporre: - Possibili integrazioni e/o correzioni ai modelli; - Parametri da utilizzare all’interno delle simulazioni per avere risposte realistiche.