Evaluation of strategies for simultaneous inertia emulation and dc voltage control in HVDC interconnections

In the last years, due to the energy policies addressed to a reduction of the emission of greenhouse gases, the electrical energy generation is going towards a variation from centralized to distributed. For this reason, the large rotating machines in the power plants are being substituted by other production units interfaced to the grid with static converters. A consequence of this transition is the reduction of the system equivalent inertia. For a correct functioning of an electrical grid is of paramount importance guarantee a minimum deviation of system parameters from their rated values. With a reduction of equivalent inertia, the same perturbation is felt by the entire system with greater intensity. This brings to a higher variation of the grid parameters, first of all the frequency. With the aim of guarantee a better electric power flow, enhance the stability and reliability, in all Europe are being built many new High Voltage Direct Current (HVDC) links. Among the most relevant advantages of this technology there is the possibility of interconnecting asynchronous grid and install subsea cable connections. A challenge coming from these links is the possibility to provide, with appropriate control techniques, inertia provision and frequency regulation. The purpose of this thesis is the detailed performances evaluation, when there is a variation of control parameters and grid conditions, of different inertia emulation techniques dependently on the role of the static converters in an HVDC connection. Particularly attention will be paid to the use of the equivalent capacitance dynamics of the direct current connection, in order to recreate an inertial response similar to the one of traditional rotating machines and at the same time guarantee the correct functioning of the system. The simulation developed considering the different configurations and the results have been obtained with an implementation of an HVDC connection in the software Matlab Simulink.

Negli ultimi anni, a seguito delle politiche energetiche adottate per una riduzione dell'emissione di gas a effetto serra, la generazione di energia elettrica sta affrontando una transizione da centralizzata a distribuita. Per questa ragione le grandi macchine rotanti in centrale stanno venendo sostituite da unità di produzione interfacciate con la rete tramite convertitori statici. Una conseguenza di questa transizione è la riduzione di inerzia equivalente dell'intero sistema. Per un corretto funzionamento di una rete elettrica è di primaria importanza garantire una minima deviazione dei parametri caratteristici dai loro valori nominali. Con una riduzione di inerzia equivalente, una stessa perturbazione viene percepita dall'intero sistema con maggiore intensità. Questo porta ad una maggiore variazione dei parametri di rete, prima fra tutti la frequenza. Al fine di garantire un miglior flusso di potenza elettrica, un aumento di stabilità e affidabilità in tutta Europa si stanno construendo molti collegamenti in alta tensione a corrente continua (HVDC). Tra i grandi vantaggi di questa tecnologia vi è la possibilità di interconnettere tra loro reti asincrone e poter installare collegamenti sottomarini in cavo, capaci di trasportarte notevoli quantità di energia. Una sfida derivante da queste connessioni è la possibilità di poter fornire, tramite opportune tecniche di controllo, supporto inerziale e regolazione di frequenza. Lo scopo di questa tesi è la valutazione dettagliata delle prestazioni, al variare dei parametri di controllo e delle condizioni di rete, di diverse tecniche di emulazione di inerzia a seconda del compito assunto dai convertitori statici impiegati in una connessione HVDC. Particolare attenzione sarà prestata all'utilizzo delle dinamiche della capacità equivalente della connessione in corrente continua, per ricreare una risposta inerziale simile a quella delle tradizionali macchine rotanti, ed allo stesso tempo garantire il corretto funzionamento dell'intero sistema. Le simulazioni sviluppate considerando le diverse configurazioni e i risultati sono stati ottenuti tramite un'implementazione nel software Matlab Simulink.