Development and analysis of real-time power system model for future scenarios in Germany

Electrical system stability is a crucial aspect of the field of electrical engineering. It pertains to the comprehensive analysis of an electrical system’s capacity to uphold stable voltage and frequency levels in the face of perturbations or disturbances in such a way as to avoid extended blackouts. Studies on electrical system stability have gained significant relevance and complexity with the expansion of both the size and complexity of electrical networks and the introduction of novel technologies. The large-scale integration of renewable energy sources as part of the energy transition compels us to reconsider the electrical system as it was built in previous decades. Furthermore, electromagnetic transient simulations are becoming increasingly vital and imperative due to the reduced time constants introduced by the power converters of renewable energy sources. This thesis aims to develop a model of a segment of the German transmission network for the year 2035 within real-time simulators. An initial analysis of the development plan for the German transmission network in 2035 has been conducted. Subsequently, an analysis of various control strategies for inverter-based resources, specifically "grid-following" and "grid-forming", has been carried out to identify the optimal solution for the control unit of renewable energy sources. The main issues with the phase-locked loop, a key component of grid-following technology, in a weak grid are presented. Based on this, the virtual synchronous generator control strategy is introduced and it has been chosen for implementation in the German transmission grid model of 2035. Once the model has been implemented in the real-time digital simulator RTDS, the connection with the digital twin of the Forschungszentrum Jülich campus, which is modelled in OPAL RT, through the Aurora communication protocol has been implemented to facilitate co-simulations. Lastly, an application programming interface in Python has been developed to enable the real-time control and monitoring of simulations in order to make the user interface more user-friendly.

La stabilità del sistema elettrico costituisce un aspetto cruciale del campo dell’ingegneria elettrica. Essa si riferisce all’analisi completa della capacità di un sistema elettrico di mantenere livelli stabili di tensione e frequenza di fronte a perturbazioni o disturbi, in modo da evitare blackout estesi. Questa disciplina ha acquisito significativa rilevanza e complessità con l’espansione delle dimensioni e della complessità delle reti elettriche e l’introduzione di nuove tecnologie. L’integrazione delle fonti di energia rinnovabile come parte della transizione energetica ci obbliga a riconsiderare il sistema elettrico rispetto a come è stato costruito nelle decadi precedenti. Inoltre, le simulazioni elettromagnetiche stanno diventando sempre più fondamentali ed essenziali a causa delle costanti di tempo ridotte introdotte dai convertitori di potenza delle fonti rinnovabili. Questa tesi mira allo sviluppo di una porzione della rete di trasmissione tedesca per l’anno 2035 all’interno di simulatori in tempo reale. È stata condotta un’analisi iniziale del piano di sviluppo della rete di trasmissione tedesca per il 2035. Successivamente, è stata effettuata un’analisi di diverse strategie di controllo per le risorse basate su inverter, in particolare il "grid-following" e il "grid-forming", al fine di identificare la soluzione ottimale per il controllo delle fonti di energia rinnovabile. Sono presentati i principali problemi legati al Phase-Locked Loop, componente chiave della tecnologia grid-following, in una rete elettrica debole. Sulla base di ciò, viene introdotta la strategia di controllo del generatore sincrono virtuale, la quale è stata scelta per l’implementazione nel modello di rete di trasmissione tedesca del 2035. Una volta che il modello è stato implentato nei simulatori in tempo reale RTDS, è stata realizzata la connessione con il gemello digitale del campus del centro di ricerca di Jülich, modellato in OPAL RT, tramite il protocollo di comunicazione Aurora per agevolare le co-simulazioni. Infine, è stato sviluppato un’interfaccia in Python per consentire il controllo e il monitoraggio in tempo reale delle simulazioni al fine di semplificare l’interfaccia con l’utente.