Grid supporting wind turbines and grid forming power converters : a frequency stability study

Electrical networks worldwide are experiencing important changes in their structure that will influence how power grids are operated. The constant drive to reduce emissions and improve the energy sector’s efficiency comes from worries about the effect of greenhouse gases and climate change. In the European Union, the goal has been set to reach net-zero emissions by 2050, and this means that many synchronous generators currently dependent on fossil fuels are being or are planned to be discontinued. The energy provided by these generators today will, for the most part, be delivered by renewable energy sources (RES) such as wind and solar before the end of the decade. The switch in type of generation from synchronous to RES will change how the grid responds to changes in frequency generated by an unbalance between load and generation. The reason behind it is that current synchronous generators, being composed of many rotating masses, are able to provide support to the grid in the first instants after a frequency deviation thanks to their “natural” inertia with what is called inertial response. Differently, RES are, for the most part, connected to the grid via a power converter, therefore they are not able to do the same without a control system structured accordingly. This lack of “natural” inertia can aggravate under frequency events and make the whole grid less stable. To counteract this effect different approaches have been found and this thesis will focus on two solutions, grid supporting wind turbines and virtual synchronous machine (VSM) grid forming control. The reason behind the choice of these solutions is that wind energy is one of the primary energy sources in Europe, while VSM control can be applied to any inverter interfaced generator, e.g., battery energy storage (BESS), to provide a response similar to a real synchronous generator, including the inertial response. The two models will be studied and developed considering their details and characteristics. Then they will be modelled in the software DIgSILENT PowerFactory in order to carry out several simulations. The simulations will be done firstly in a simplified grid to tune the models and verify their efficacy and then they will be introduced in a real grid, namely the Sicilian part of the Italian network. Therefore, the objective is to find how these two models can work both one at a time and together to provide support during the change from fossil fuels to renewable energy generation.

Le reti elettriche di tutto il mondo stanno vivendo importanti cambiamenti nella loro struttura che influenzeranno il modo in cui sono gestite. La costante spinta a ridurre le emissioni e a migliorare l'efficienza del settore energetico deriva dalle preoccupazioni per l'effetto dei gas serra sul cambiamento climatico. Nell'Unione Europea è stato fissato l'obiettivo di raggiungere emissioni nette pari a zero entro il 2050, e questo significa che molti generatori sincroni, che attualmente dipendono dai combustibili fossili, sono stati o saranno messi fuori servizio. L'energia fornita oggi da questi generatori, per la maggior parte, sarà prodotta da fonti di energia rinnovabile (FER) come l'eolico e il solare prima della fine del decennio. Il cambiamento del tipo di generazione da sincrona a FER cambierà il modo in cui la rete agisce in risposta a eventi di deviazione di frequenza creati da una variazione del bilancio delle potenze. Il motivo è che gli attuali generatori sincroni, essendo costituiti da masse rotanti, sono in grado di fornire supporto alla rete nei primi istanti successivi a una deviazione di frequenza grazie alla loro inerzia "naturale" con quella che viene chiamata risposta inerziale. Diversamente, le FER sono, per la maggior parte, collegate alla rete tramite un convertitore elettronico di potenza, quindi non sono in grado di contribuire alla frequenza della rete senza un sistema di controllo strutturato appositamente. Questa mancanza di inerzia "naturale" può aggravare le deviazioni di frequenza e rendere meno stabile l'intera rete. Per contrastare questo effetto sono stati studiati diversi approcci e questa tesi si concentrerà su due soluzioni: le turbine eoliche con funzione di supporto alla rete e il controllo grid forming della macchina sincrona virtuale (VSM). La ragione dietro la scelta di queste soluzioni è che l'energia eolica è una delle principali fonti di energia pulita in Europa, mentre il controllo VSM può essere applicato a qualsiasi generatore interfacciato con convertitori elettronici, ad esempio sistemi di accumulo a batteria (BESS), per fornire una risposta simile a un vero generatore sincrono, inclusa la risposta inerziale. I due modelli saranno studiati e sviluppati considerando i loro dettagli e caratteristiche. Saranno modellati nel software DIgSILENT PowerFactory per poi realizzare diverse simulazioni. Le simulazioni saranno fatte prima in una rete semplificata per mettere a punto i modelli e verificare la loro efficacia e poi saranno introdotte in una rete reale, cioè la parte siciliana della rete italiana. Pertanto, l'obiettivo è quello di scoprire come questi due modelli possano funzionare sia singolarmente che insieme per fornire un supporto durante il cambiamento dai combustibili fossili alla generazione di energia rinnovabile.