Grid-forming converters : modelling of a VSM controlled inverter in Dymola

In Europe, as in many countries around the world, electricity grids are undergoing a profound transformation. In the future, the production of electricity from traditional sources, centralized and based on large synchronous generators, will be more marginal in favour of distributed renewable generation, pushing network operators to implement measures to adapt to this evolution. This is not a distant future, but a very near one, since the periods in which renewable sources produce all, or almost all, of the electricity demand are more and more frequent. In fact, renewable energy sources and the storage systems that will spread with them are typically interfaced to the grid via power converters which basically have a very different behaviour from synchronous generators. However, to support an ever greater contribution of renewables to the overall electricity production it is possible to apply certain control strategies to the converters known as grid-forming, which will diffuse together with the current grid-following inverters. In this thesis the control strategies of the converters used in the energy sector have therefore been analysed and the necessary models have been developed on the Dymola software to simulate the behaviour of an inverter controlled with the algorithms known as Virtual Synchronous Machine (VSM), one of the main grid-forming strategies. Dymola is a software based on the Modelica language and thanks to its characteristics it is suitable for the analysis multi-engineering systems. This work starts with the description of the theoretical concepts and the fundamental equations describing the behaviour of the electrical systems involved and that are later used to develop models in the Dymola environment. In the continuation of the thesis, these models are then combined with each other to simulate certain typical configurations in the normal system operations: island, grid-only and grid-connected. Finally, the diagrams of some simulations of specific interest are presented to verify the behavior of the various modeled components.

In Europa, così come in tanti paesi di tutto il mondo, le reti elettriche sono in fase di profonda trasformazione. In futuro la produzione di energia elettrica da fonti tradizionali, centralizzata e basata su grandi generatori sincroni, sarà sempre più marginale a favore di una generazione rinnovabile distribuita, spingendo i gestori delle reti a mettere in atto misure di adattamento a questa evoluzione. Non si tratta di un futuro lontano, ma molto vicino, in quanto iniziano ad essere sempre più frequenti i periodi in cui le fonti rinnovabili producono tutta, o quasi tutta, la richiesta di energia elettrica. Le fonti energetiche rinnovabili e i sistemi di accumulo che assieme ad esse si diffonderanno, infatti, sono tipicamente interfacciati alla rete tramite convertitori di potenza che di base hanno un comportamento molto diverso da quello dei generatori sincroni. Tuttavia, per permettere un sempre maggiore contributo delle rinnovabili alla produzione elettrica complessiva è possibile applicare determinate strategie di controllo ai convertitori note come grid-forming, che andranno ad affiancarsi agli attuali inverter grid-following. In questa tesi sono state dunque analizzate le strategie di controllo dei convertitori usati nel settore energetico e sono stati sviluppati i modelli necessari sul software Dymola per simulare il comportamento di un inverter controllato con gli algoritmi noti come Virtual Synchronous Machine (VSM), una delle principali strategie di grid-forming. Dymola è un software basato sul linguaggio Modelica e, grazie alle sue caratteristiche, è versatile per la analisi di sistemi multi-ingegneristici. Questo lavoro si apre con la descrizione dei concetti teorici e delle equazioni fondamentali che descrivono il comportamento dei sistemi elettrici coinvolti e che sono successivamente utilizzati per sviluppare i modelli in Dymola. I modelli sviluppati, nel seguito della tesi, vengono poi combinati tra loro per simulare determinate configurazioni tipiche caratteristiche di una micro-grid: isola, grid-only e grid-connected. Infine, sono presentati i diagrammi di alcune simulazioni di specifico interesse per verificare il comportamento dei vari componenti modellati.