Dynamic modelling and testing of grid-following inverters across real distribution grid scenarios

In the recent years, the integration of renewable energy resources in distribution networks has led to an increasing dependence on inverter-based resources, which present unique challenges for grid stability and security, due to their lack of inherent inertia and bidirectional power flows. Inverter-based resources are primarily categorized into two categories: Grid-Following and Grid-Forming inverters. While grid-forming inverters can emulate synthetic inertia through dynamic control logics, a deeper investigation into this capability is still needed whereas grid-following inverters – representing the majority of inverters in real distribution grids could pose risks to distribution grid stability, leading to undesired operating conditions, such as oscillatory behaviours or unintentional islanding operation. In this context, the thesis focuses on assessing the dynamic behavior of grid-following inverters within real distribution networks, with a particular emphasis on evaluating their stability under both grid-connected and islanded conditions. To achieve this, a detailed time-domain model of grid-following inverters has been developed to accurately describe the dynamic behavior of inverters by their power and current control strategies. Inverters dynamic responses have been analyzed for multiple grid-following units under different grid conditions, evaluating how several factors (e.g., GFL placement and penetration level) can impact grid operation. Both the grid-following inverter model and numerical assessments have been implemented in DIgSILENT PowerFactory, using Electromagnetic Transient simulations. As a case study, this research utilizes an exhaustive model of a real distribution network that highlights the importance of a proper controller tuning to mitigate oscillations, enhancing stability under varying inverter-dominated grid conditions. Additionally, it examines grid-following interactions with synchronous generators during unintentional islanding operations, identifying the island duration before voltage or frequency protection tripping. This research advances the understanding of dynamic grid-following inverter behaviors, and underscores the necessity for robust control strategies to maintain stable grid performance as renewable integration intensifies. The insights gained are pivotal for the future development of distribution networks where both grid-following and grid-forming inverters may coexist, fostering a resilient and sustainable power system.

La sempre più massiva integrazione delle risorse rinnovabili nelle odierne reti di distribuzione ha portato ad un crescente utilizzo di inverter, ponendo una serie di sfide per la stabilità e la sicurezza delle reti elettriche dovute alla riduzione di inerzia e ai flussi di potenza bidirezionali. In particolare, gli inverter sono classificati in Grid-Following e Grid-Forming ; mentre i primi riescono ad emulare l'inerzia sintetica attraverso specifiche logiche di controllo, non è ancora stato investigato se i grid-following inverter (che rappresentano la maggior parte degli inverter nelle reti odierne) possano rappresentare un rischio per la stabilità della rete, portando a condizioni indesiderate d’esercizio, come comportamenti oscillatori o formazione di isole non intenzionali. Questa tesi valuta il comportamento dinamico degli grid-following inverter nelle reti di distribuzione reali, analizzando la loro stabilità sia in condizioni di normale funzionamento, che d’emergenza. A tal fine, è stato sviluppato un modello dettagliato del dominio del tempo dei grid-following inverter in modo da descrivere accuratamente il loro comportamento dinamico attraverso l’implementazione di logiche di controllo in potenza e corrente. Le analisi dinamiche sono state sviluppate per diverse unità di grid-following, valutando come diversi fattori (es., la loro collocazione e il livello di penetrazione del GFL) possano influire sul funzionamento della rete. Sia il modello grid-following che le analisi dinamiche sono state sviluppati in ambiente DIgSILENT PowerFactory, utilizzando simulazioni elettromagnetici. Scegliendo come caso studio una porzione di rete di media tensione reale, l’analisi evidenzia l'importanza di una corretta sintonizzazione delle logiche di controllo del grid-following per mitigare le oscillazioni, migliorando la stabilità di rete. Inoltre, sono state esaminate le interazioni del grid-following con i generatori sincroni durante il funzionamento in isola non intenzionale, identificando la durata dell'isola prima dell'intervento delle protezioni di tensione o frequenza. Questa ricerca sottolinea la necessità di strategie di controllo robuste per mantenere stabili le prestazioni della rete con l'intensificarsi dell'integrazione delle fonti rinnovabili. Le conoscenze acquisite sono fondamentali per sviluppi futuri nelle reti di distribuzione, in cui possano coesistere (ed interagire) inverter grid-following e grid-forming, favorendo un sistema energetico resiliente e sostenibile.