Inertia Supervision for BESS Grid Forming Inverter

This thesis addresses the increasing need for sophisticated grid stability solutions in the context of growing renewable energy integration. The study's uniqueness come from its focus on the application of Battery Energy Storage Systems (BESS) to provide ancillary services, particularly in enhancing grid inertia. The work explores novel grid-forming inverter technologies that allow BESS to emulate the inertial response of conventional synchronous generators. The thesis takes a comprehensive approach, beginning with examination of BESS role in ancillary services, highlighting their fast response and versatility. It proceeds to analysis different grid-forming control methods, concentrating on the Virtual Synchronous Machine (VSM), Generalized Virtual Synchronous Generator (GVSG), and Compensated Generalized Virtual Synchronous Generator (CGVSG) approaches. The control structure is defined to include outer voltage controller and inner current controller to avoid stead-state errors and introduce current limitation strategies. A virtual impedance is added to achieve decoupled active and reactive power flow. The methodology main objective is to model and tune the VSM, GVSG, and CGVSG blocks to achieve constant inertial response with good dynamics. Dynamic simulations using Simulink are performed, assessing the response of these systems under frequency perturbations and power setpoint changes. Moreover, the effectiveness of varying short circuit ratio (SCR) on the dynamics of these systems is investigated to examine how much they preserve their response. The research findings reveal that specific grid-forming control methods, namely the VSM and Compensated GVSG, effectively provide constant inertial response, offer good transient response, and comparatively maintain response dynamics with SCR adjustments. The study demonstrates how these systems can offer grid support, ensuring more stable and reliable grid operations, particularly in areas with a high renewable energy penetration.

Questa tesi affronta la crescente necessità di soluzioni sofisticate per la stabilità della rete nel contesto della crescente integrazione delle energie rinnovabili. L'unicità dello studio deriva dal suo focus sull'applicazione dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) per fornire servizi ausiliari, in particolare per migliorare l'inerzia della rete. Il lavoro esplora nuove tecnologie di inverter per la formazione della rete che consentono a BESS di emulare la risposta inerziale dei generatori sincroni convenzionali. La tesi adotta un approccio globale, a partire dall'esame del ruolo dei BESS nei servizi ancillari, evidenziandone la rapidità di risposta e la versatilità. Si procede all'analisi di diversi metodi di controllo della formazione della griglia, concentrandosi sugli approcci Virtual Synchronous Machine (VSM), Generalized Virtual Synchronous Generator (GVSG) e Compensated Generalized Virtual Synchronous Generator (CGVSG). La struttura di controllo è definita per includere il regolatore di tensione esterno e il regolatore di corrente interno per evitare errori di stato stazionario e introdurre strategie di limitazione della corrente. Viene aggiunta un'impedenza virtuale per ottenere un flusso di potenza attivo e reattivo disaccoppiato. L'obiettivo principale della metodologia è quello di modellare e mettere a punto i blocchi VSM, GVSG e CGVSG per ottenere una risposta inerziale costante con una buona dinamica. Vengono eseguite simulazioni dinamiche utilizzando Simulink, valutando la risposta di questi sistemi alle perturbazioni di frequenza e alle variazioni del setpoint di potenza. Inoltre, viene studiata l'efficacia della variazione del rapporto di corto circuito (SCR) sulla dinamica di questi sistemi per esaminare quanto preservino la loro risposta. I risultati della ricerca rivelano che specifici metodi di controllo della formazione della griglia, vale a dire il VSM e il GVSG compensato, forniscono efficacemente una risposta inerziale costante, offrono una buona risposta ai transienti e mantengono relativamente le dinamiche di risposta con le regolazioni SCR. Lo studio dimostra come questi sistemi possano offrire supporto alla rete, garantendo operazioni di rete più stabili e affidabili, in particolare nelle aree con un'elevata penetrazione di energia rinnovabile.