The impact of renewable energy on voltage stability and fault level in power systems

Power systems are experiencing an important period of transition, characterized by an ever-growing need for energy together with an increasing Renewable Energy Sources (RES) penetration, which has given rise to issues never introduced before in traditional grids. One of that is voltage instability, consequent to the progressive reduction of fault level due to limited short-circuit current contribution of inverter-based generation plants, that in turn implies some troubles concerning protections, not being able to operate properly with fault currents of 1.5-2 times the nominal one. In the described backdrop, this work of thesis aims at analysing the impact of RES on voltage stability and their influence on short-circuit power, trying to investigate possible solutions and improvements of the condition, among others RES operated at not-unitary power factor. Firstly, voltage regulation will be considered, compensation methods will be examined, and how to achieve improvements with RES in this sense will be discussed; then, short-circuit analysis will be focused, examining directly the non-linear RES behaviour under fault: an innovative short-circuit method considering their contribution will be presented, which will be exploited to perform some simulations with MATLAB in different scenarios, to verify what stated in theory and discuss a possible extension of Italian grid code. In order to carry out these studies, the Sicilian network has been considered as testing grid, given its weakness, low load and high-RES production, shapes that have often resulted in operating issues, and hence make it the ideal context to investigate impact of RES and test different Fault Ride-Through control strategies. In addition, taking advantage of simulation results and by consulting the point of view of important figures in the sector, the evolution of grids is overviewed, trying to outline a perspective about future power systems in accordance with the more and more imperative climate neutrality target.

Un importante cambiamento si sta concretizzando nel settore dell’energia e in particolare dei sistemi elettrici, che ha come principale peculiarità la diffusione delle Fonti di Energia Rinnovabile (FER). Ciò ha dato luogo a notevoli problematiche mai presentatesi nelle reti tradizionali: una di esse è l’instabilità di tensione dovuta al calo del livello del guasto; questo inconveniente è causato dal limitato contributo di corrente di cortocircuito delle FER connesse tramite inverter. Inoltre, in presenza di così limitate correnti e con l’aumento delle FER, insorgerebbero difficoltà di rilevamento del guasto da parte delle protezioni, il cui appropriato funzionamento non sarebbe più garantito. In tale contesto, questo lavoro di tesi si propone di analizzare l’impatto delle FER sulla stabilità di tensione e l’influenza che tali sistemi di generazione hanno sulla potenza di cortocircuito, in modo da discutere e verificare possibili soluzioni ed ottimizzazioni, tra cui le FER operate a fattore di potenza non unitario. Inizialmente si tratterà la regolazione di tensione, si esamineranno i metodi di compensazione e si discuterà come raggiungere miglioramenti in questo senso sfruttando le FER; dunque, ci si focalizzerà sull’analisi del cortocircuito, in particolare sul comportamento non lineare delle FER sotto guasto, presentando un innovativo metodo di calcolo che tenga conto del contributo delle FER stesse. Tale procedura verrà sfruttata per effettuare alcune simulazioni MATLAB in scenari differenti, verificando nella pratica quanto analizzato e discutendo possibili estensioni del codice di rete italiano. A tal fine, si è considerata la rete siciliana, in quanto la sua debolezza, il suo basso carico e la sua considerevole generazione di FER la rendono un perfetto scenario per valutare il loro effetto sul cortocircuito e testare varie strategie di Fault Ride-Through. Infine, tramite i risultati delle simulazioni e considerando il punto di vista di aziende importanti del settore, si definirà il futuro dell’evoluzione dei sistemi elettrici in concomitanza con i sempre più urgenti obiettivi di neutralità climatica.