Damping of low-frequency oscillations using PV & BESS installation : a practical design case

The purpose of this thesis is to study the damping contribution on low frequency oscillations that converter-based renewable plants can provide, determining to what extent they can effectively replace traditional plants, which actually provide grid stability services, like the frequency and voltage regulation, both in normal operating conditions and during faults and short-circuits. In particular, the damping contribution of a hybrid PV+BESS real installation, located in Mexico, is analyzed, by connecting the plant to a two-area test system that well highlights the inter-area oscillations. In this thesis, a plant controller model for the PV+BESS plant is developed and presented: it coordinates the action of PV and BESS during the day, managing the active and reactive power of both actuators in order to satisfy the operation constraints. This analysis compares the system response for different Power oscillation dampers (POD) design, considering different operational scenarios for the PV+BESS installation. The design of the POD requires a preparatory work entirely discussed in this study, aimed at choosing the most appropriate observable signals and identifying the linearized state-space model of the system using a Pseudo-random binary signal (PRBS) identification technique. Once the linearized state-space matrices are available, the POD is designed according to the pole placement technique implemented in Matlab and the system response is validated through a DIgSILENT PowerFactory simulation. Finally, a sensitivity analysis is carried out, considering the effects of the delays due to the plant controller action, due to the wide-area measurements or to the communication channels, on the POD performances. Moreover, the range of validity of the POD is analyzed by studying its effect on different frequency of oscillations. The analysis shows that equipping the PV plants with a BESS, significantly increases the damping of the oscillatory mode in all the simulated operating conditions, due to the ability of BESS to both absorb or inject power; nevertheless the presence of the PV is still essential because it ensures the damping performances even in case of larger disturbance events, where the BESS does not have enough damping capacity.

Lo scopo di questa tesi è quello di studiare il contributo degli impianti rinnovabili basati su inverter, allo smorzamento delle oscillazioni a bassa frequenza, determinando fino a che punto essi possano effettivamente sostituire gli impianti tradizionali, che attualmente forniscono servizi di stabilità alla rete, come la regolazione di frequenza e di tensione, sia in condizioni nominali, sia durante guasti e corto-circuiti. In particolare, viene analizzato il contributo di un impianto PV+BESS situato in Messico, connettendolo con una rete di test che evidenzia le oscillazioni tra le due aree di cui è composta. In questa tesi, è stato sviluppato e descritto un controllore dell’impianto che coordina l’azione di PV e BESS gestendo la loro potenza e reattiva secondo i vincoli di rete. Quest’analisi confronta la risposta del sistema per diversi POD (power oscillation damper), considerando diversi scenari di operazione per l’impianto fotovoltaico e per le batterie. Il progetto del POD richiede un lavoro preparatorio interamente riportato, volto a scegliere i segnali da osservare e a identificare il modello della rete in forma di spazio di stato, usando la tecnica di identificazione PRBS (pseudo random binary signal). Dopo aver ottenuto le matrici di stato, il POD è stato progettato utilizzando la tecnica di piazzamento del polo, implementata in Matlab, e la risposta del sistema è stata validata tramite una simulazione in DIgSILENT PowerFactory. Infine, è stata svolta un’analisi di sensitività che considera gli effetti dei ritardi di tempo dovuti all’azione del controllore d’impianto, ai canali di comunicazione o ai sistemi di misurazione, sull’azione del POD. Inoltre, simulando diverse frequenze di oscillazione si è testato il range di funzionamento del POD progettato. L’analisi ha evidenziato che installare un BESS negli impianti PV, consente di aumentare significativamente lo smorzamento dei modi oscillatori in tutte le condizioni simulate, grazie alla capacità del BESS di assorbire o erogare potenza; tuttavia la presenza del PV è ancora essenziale poiché assicura le performance richieste in caso di disturbi più grandi, in cui il BESS non ha abbastanza capacità di smorzamento.