Impact of grid forming converters on power system frequency stability

The growth of distributed and renewable energy source penetration is a result of the environmental and sustainable needs that the world-change currently requires. The core of this energy transition is a technology evolution of power source systems. In particular, the conventional model based on rotating machines has been integrated with a new model based on energy sources interfacing with power electronic converters. Noticeably, the main new components for electrical generation are different in terms of construction from the traditional ones and increasingly need to be analyzed and upgraded. For this reason, this trend involves a revision of the control strategies of power distribution systems. The role of specific characteristics of the electrical network previously taken for granted, becomes crucial. For instance, the inertia. It that can be defined as the intrinsic property of any energy storage system which identifies the resistance to any change of its energetic status and represents a power grid stability factor. The development of “Grid Forming” control strategies will become important, allowing to emulate generator characteristics and to limit the Rate of Change of Frequency. The present study is aimed to collect all the known techniques, adopted to limit the “RoCoF” factor, by analyzing standard ranges and parameters in order to prevent the defense plan triggering. Moreover, a profile of operation frequency variation of traditional generation was defined in order to describe a standard frequency variation outline of a synchronous based power system. Finally, in the study of these parameters and grid issues, a control strategy model aimed at providing inertia to the system in a synthetic way was implemented, considering the strength and weaknesses of each grid forming control method and providing a comprehensive overview of the several grid forming techniques suitable for each application needed.

La crescita sempre più massiccia, nell’ambito dei sistemi elettrici di potenza, della generazione distribuita e derivante da fonti rinnovabili è correlata a esigenze ambientali e di sostenibilità che il mondo sta attraversando. Al centro di questa transizione c’è un cambiamento nella tecnologia di generazione dell’energia: dal modello convenzionale basato sulle macchine rotanti ad uno innovativo, dove le fonti di energia si interfacciano con componenti elettronici di potenza. Questo trend implica, quindi, una revisione di tutte le strategie di controllo dei sistemi elettrici di potenza e di distribuzione, poiché i nuovi componenti cardine del cambiamento sono intrinsecamente differenti dai tradizionali metodi di generazione e devono quindi essere analizzati e sviluppati sempre meglio. Il ruolo di determinate caratteristiche della rete, precedentemente date per scontate, diventa di cruciale importanza: un esempio è il ruolo dell’inerzia. Essa può essere definita come l’intrinseca proprietà di un sistema di accumulo di energia che identifica la resistenza al cambiamento dello stato energetico in cui istantaneamente si trova. Rappresenta, dal punto di vista elettrico, un fattore che viene in aiuto della stabilità della rete. In questo contesto, l’importanza dello sviluppo di strategie di controllo “che formino la rete” (ovvero Grid Forming) diventa centrale, dal momento che questa tecnologia permetterà di emulare le caratteristiche dei generatori rotanti e limitare efficacemente la rapidità di variazione nella frequenza di rete (Rate of Change of Frequency). Questa tesi mira a riassumere le principali tecniche utilizzabili per la limitazione del RoCoF, riassumendone i parametri standard di operatività per definire un modello in cui analizzare un andamento di frequenza realistico e prevenire l’intervento di un piano di difesa della rete. Verrà poi definito un profilo di variazione normale della generazione tradizionale così da delineare un profilo della rapidità con cui varia la frequenza di rete. Infine, lo studio di questa tematica culmina nell’implementazione di un modello che fornisce inerzia in modo sintetico al sistema, individuando i punti di forza e debolezza di ogni metodo di controllo, nonché fornendo una comparazione delle tecniche utilizzate a seconda dei vari scenari o scelte di modello di rete effettuate in fase di progetto.