Feasibility of inertia emulation in HVDC system with line commutated converters

Ever since the inception of the electrical grid, synchronous generators are the backbone of it. These large rotating machines offer a significant amount of inertia to the electrical system and play a vital role in grid stability. But, due to rampantly mounting concerns about climate change electrical energy industry is moving from conventional power generation to renewable energy. Typically, renewable energy sources are connected with the grid through power electronics converters and do not offer inertia to the system. Therefore, high penetration of converter-fed renewable energy sources affect negatively to the equivalent inertia of the system. The aim of this thesis is to address the issue of a low inertia system and explore the feasibility of inertia support to the electrical grid through the LCC-HVDC system. The first part of the thesis contains a brief introduction of the HVDC system including the structure, components, and control of the LCC converter. In the middle of the thesis, various research papers and case studies on synthetic inertia are briefly discussed. Then, the thesis delves into the modelling of the LCC-HVDC system and AC grid using small signal approximations. Proposed inertia emulation control strategies are evaluated on the developed mathematical model. Additionally, the thesis investigated the possibility of utilizing the stored energy in the smoothing reactor. To indorse the results obtained from the mathematical analysis, a MATLAB/Simulink model of LCC-HVDC comprising the physical components and inertia emulation control strategies are simulated. Simulation results prove the effectiveness of control strategies of inertia emulation in improving the frequency dynamics by providing the synthetic inertia to the grid during the transient events.

Sin dai primi sviluppi della rete elettrica, i generatori sincroni ne costituiscono i perni imprescindibili. Queste grandi macchine rotanti forniscono una notevole quantità di inerzia al sistema e svolgono un ruolo fondamentale nella stabilizzazione della rete. Tuttavia, a causa delle crescenti preoccupazioni riguardo i cambiamenti climatici, l'industria dell'energia elettrica si sta spostando dalla generazione tramite fonti di energia convenzionale alla produzione di elettricità da fonti rinnovabili. Tipicamente questi impianti di generazione si interfacciano con la rete elettrica tramite convertitori elettronici di potenza che non offrono inerzia al sistema. Pertanto, il rapido diffondersi in rete di convertitori associati alla produzione da rinnovabili influisce negativamente sull'inerzia equivalente del sistema. Lo scopo della tesi è affrontare il problema del sistema a bassa inerzia ed esplorare la fattibilità del supporto inerziale alla rete elettrica attraverso il sistema LCC-HVDC. La prima parte della tesi contiene una breve introduzione del sistema HVDC, in cui si evidenziano la struttura, i componenti e il controllo del convertitore LCC. Nella seconda metà vengono discussi diversi documenti di ricerca e casi studio sull'inerzia sintetica. Successivamente la tesi si concentra sulla modellazione del sistema LCC-HVDC e della rete AC utilizzando approssimazioni a piccoli segnali. Le strategie di controllo dell'emulazione dell'inerzia proposte sono dunque valutate sul modello matematico sviluppato. Inoltre, la tesi ha studiato la possibilità di utilizzare l'energia immagazzinata nel reattore di livellamento. Per convalidare i risultati ottenuti dall'analisi matematica, viene simulato un modello MATLAB/Simulink di sistema LCC-HVDC che tiene in considerazione i componenti fisici e le strategie di controllo dell'emulazione dell'inerzia. I risultati della simulazione dimostrano l'efficacia delle strategie di controllo dell'emulazione dell'inerzia nel migliorare la dinamica di frequenza, dotando efficacemente la rete di inerzia virtuale durante gli eventi transitori.