Modelling and validation in OpenModelica of a large-scale three-phase grid-connected photovoltaic model

The current energy sector is oriented towards a sustainable transition, outlined by the use of renewable sources in generation systems. In particular, solar photovoltaic generation has grown significantly in the recent decades and now plays an important role in electrical energy distribution and transmission systems. However, despite the positive environmental impact, there are several critical issues introduced, due to the variability and uncertainty of these sources, which make the management of the transmission network complex. In this scenario, simulation tools are essential to assess power plant performances and predict network responses to ensure continuity and quality of service. In recent years, initiatives of data exchange among different European countries have emerged in order to improve coordination of the various Transmission System Operators (TSOs) and provide a more accurate control of the European network security. In this framework, the CGMES (Common Grid Model Exchange Standard) project has been introduced in the ENTSO-E area, aimed at exchanging information through the direct sharing, among the different European operators, of standardized generation models, implemented in Modelica® language. In this context, CESI S.p.A, as consultant of the Italian grid operator Terna S.p.A, has extended in the last two years the 'BasicPowerSystem' library in OpenModelica®, composed of passive and dynamic elements, to be inserted in its own dynamic simulator Dyana, module of the network analysis application TESEO. This thesis, carried out during an internship in CESI S.p.A, focuses on the development and validation of a dynamic model of a large-scale photovoltaic system, aimed at enriching the 'BasicPowerSystem' library for the execution of transients stability studies. This model, equipped with frequency, voltage, active/reactive power and power factor controls, is able to withstand voltage drops due to faults and ensure grid stability; it is based on international standards (NERC, WECC) and will be proposed to ENTSO-E as a basis for the realization of CGMES standard models. The first phase of the activity, which concerns the modelling stage, involved the use of the OpenModelica® tool, provided with the flexibility and accuracy necessary for the development of this project. The model validation was then fine-tuned through simulations in TESEO/ Dyana environment using a sample test network.

Il panorama energetico attuale è rivolto ad uno sviluppo sostenibile, delineato dall' impiego di fonti rinnovabili nei sistemi di produzione e di trasporto. In particolare, la generazione solare fotovoltaica ha avuto negli ultimi decenni una crescita importante, e oggigiorno svolge un ruolo rilevante nei sistemi elettrici di distribuzione e trasmissione dell’energia. Nonostante il positivo impatto ambientale, tuttavia, la variabilità e l’incertezza delle risorse alternative hanno introdotto criticità nella gestione della rete, rendendone complessa la pianificazione da parte dell’operatore. In un tale scenario, gli strumenti di simulazione sono fondamentali per giudicare le prestazioni degli impianti di potenza e prevedere le risposte della rete, in modo da garantire continuità e qualità del servizio. Negli ultimi anni sono emerse iniziative di scambio dati tra i diversi paesi europei per migliorare il coordinamento dei vari gestori del sistema di trasmissione e fornire un controllo più accurato della sicurezza della rete europea. A tal proposito, è stato introdotto in ambito ENTSO-E il progetto CGMES (Common Grid Model Exchange Standard), finalizzato allo scambio di informazioni tramite la diretta condivisione, tra i diversi operatori europei, di modelli di generazione standardizzati, implementati in linguaggio Modelica®. In questo contesto, CESI S.p.A, in qualità di consulente del gestore di rete italiano Terna S.p.A, ha esteso negli ultimi due anni la libreria ‘BasicPowerSystem’ in OpenModelica®, composta da elementi passivi e dinamici, da inserire nel proprio simulatore dinamico Dyana, modulo dell'applicazione di analisi di rete TESEO. Questa tesi, svolta durante un internship in CESI S.p.A, è incentrata sullo sviluppo e la validazione di un modello dinamico di un sistema fotovoltaico in larga scala, volto ad arricchire la libreria ‘BasicPowerSystem’ per l'esecuzione di studi sulla stabilità dei transitori. Questo modello, dotato di controlli di frequenza, tensione, potenza attiva/reattiva e fattore di potenza, è in grado di resistere alle cadute di tensione dovute a guasti e garantire la stabilità della rete; è basato su standard internazionali (NERC, WECC) e verrà proposto a ENTSO-E come base per la realizzazione di modelli standard CGMES. L'attività prevede l'utilizzo dello strumento OpenModelica®, che dispone della flessibilità e della precisione necessarie per lo sviluppo di questo progetto, per lo stage di modellazione e per una prima fase di test. La validazione del modello è stata poi messa a punto attraverso simulazioni in ambiente TESEO/ Dyana tramite l’impiego di una semplice rete di prova.