Frequency Stability of an Island with Grid Forming converters

Due to the widespread use of renewable energies, there are some challenges introduced to the grid. One of these challenges is the instability of systems in terms of frequency since there are no synchronous generators that provide rotational inertia. The power generated by renewable generators is connected to the grid via power electronic converters which operate very fast. Control systems are recommended as a solution to such problems. So far, grid-following systems have used Phase-Locked Loops to control voltage and angle, and they depend on a stiff grid voltage. These controls work well when they are connected to a strong grid and another control system is needed when the grid is weak. As a result, grid-forming was welcomed for regulating frequency and voltage. With better frequency control, the frequency dynamic dependence on inertia decreases, which is very pleasant for the system. As a result, grid-forming or specifically, Virtual Synchronous Machine is chosen for this research in addition to wind energy as a renewable energy source. In this research, a grid connected to the external grid has also been designed, and two case studies have been considered. In the first case study, the external grid imports power into the grid, and in the second case study, the external grid exports power from the grid. Therefore, in order to operate the grid as an island, the external grid is separated from the internal grid. To better evaluate the grid with renewable energy, four scenarios have been created in each of these two case studies. The differences between the four scenarios relate to the penetration rate of renewable wind energy. The Digsilent PowerFactory software was used to conduct simulations to evaluate frequency stability in two case studies and four scenarios.

A causa della diffusione dell'uso delle energie rinnovabili, la rete deve affrontare alcune problematiche. Una di queste sfide è l'instabilità dei sistemi in termini di frequenza poiché non ci sono generatori sincroni che forniscono inerzia rotazionale. L'energia generata dai generatori rinnovabili è collegata alla rete tramite convertitori elettronici di potenza che funzionano molto velocemente. I sistemi di controllo sono consigliati come soluzione a tali problemi. Finora, i sistemi che seguono la rete hanno utilizzato i circuiti ad aggancio di fase per controllare la tensione e l'angolo e dipendono da una tensione di rete rigida. Questi controlli funzionano bene quando sono collegati a una rete forte ed è necessario un altro sistema di controllo quando la rete è debole. Di conseguenza, la formazione della griglia è stata accolta favorevolmente per regolare la frequenza e la tensione. Con un migliore controllo della frequenza, la dipendenza dinamica della frequenza dall'inerzia diminuisce, il che è molto piacevole per il sistema. Di conseguenza, per questa ricerca, oltre all'energia eolica come fonte di energia rinnovabile, viene scelta la macchina formatrice di griglia o, in particolare, la macchina sincrona virtuale. In questa ricerca è stata progettata anche una rete connessa alla rete esterna e sono stati presi in considerazione due casi di studio. Nel primo caso di studio, la rete esterna importa energia nella rete e nel secondo caso di studio, la rete esterna esporta energia dalla rete. Pertanto, per far funzionare la rete come un'isola, la rete esterna è separata dalla rete interna. Per valutare meglio la rete con energia rinnovabile, in ciascuno di questi due casi studio sono stati creati quattro scenari. Le differenze tra i quattro scenari riguardano il tasso di penetrazione dell'energia eolica rinnovabile. Il software Digsilent PowerFactory è stato utilizzato per condurre simulazioni per valutare la stabilità della frequenza in due casi di studio e quattro scenari.