Grid forming converter design and application in distribution networks with a focus on protection systems

The development of renewable energy sources has accelerated the transition from a centralized power system, which traditionally relied on synchronous machines (SMs), to a more decentralized distributed generation system. This evolution introduces challenges that Distribution System Operators (DSOs) must address to maintain system stability, continuity and reliability. Innovative inverter operating configurations, such as Grid Forming Converters (GFCs), are expected to play a central role in facing those issues. Due to the gradual replacement of SMs with inverter-based resources, the GFC aims to mimic the SM’s properties and functions in order to maintain a safe and stable system. Despite those advantages, some challenges will be introduced too. This thesis investigates the contribution of Grid Forming Converters in MV Distribution Networks, with a focus on its interaction with the protection systems. The research comprises a brief overview of the existing GFC control methods and a more detailed description of the control strategies implemented in a DigSilent PowerFactory model. Based on the standards, the description of a typical MV network introduces a more specific analysis on the Distribution Network model implemented for this study. Some simulations are carried out to analyze the GFC behavior and the protection system response during operational events or fault conditions. In particular, a case study focuses on the process of GFC reconnection to the distribution grid, through a synchronization method. The second scenario describes the correct and expected dynamics occurring after a three-phase short circuit on a busbar of a passive user. Another analysis emphasizes how the GFC can lead to undesirable distribution network configurations, such as unintended islanding. The obtained results demonstrate that the integration of Grid Forming Converter into a distribution power system presents both advantages and challenges. Thanks to its ability to mimic SMs, the GFC contributes to fault current responses and to frequency regulation, which represents valuable benefits. While particular attention must be paid to the possible establishment of unintended islands, conditions that are highly undesirable in distribution networks.

Lo sviluppo delle fonti rinnovabili ha accelerato la transizione da un sistema di distribuzione dell'energia centralizzato, che tradizionalmente si basava su macchine sincrone, a un sistema di generazione distribuita. Questa evoluzione introduce delle sfide che i gestori delle reti di distribuzione (Distribution System Operators: DSO) devono affrontare al fine di mantenere la stabilità, la continuità e l'affidabilità del sistema elettrico. Alcune configurazioni innovative di inverter, come i Grid Forming Converter (GFC), sono destinate ad avere un ruolo centrale nell'affrontare questi problemi. Vista la graduale sostituzione delle macchine sincrone con risorse basate su inverter, il GFC mira a imitare le proprietà e le funzioni delle macchine sincrone al fine di mantenere un sistema sicuro e stabile. Nonostante questi vantaggi, la transizione presenta anche molteplici sfide. Questa tesi esamina il contributo del Grid Forming Converter nelle reti di distribuzione in media tensione, con particolare attenzione alla sua interazione con i sistemi di protezione. La ricerca comprende una panoramica dei metodi di controllo esistenti per il GFC e una descrizione più dettagliata delle strategie di controllo implementate in un modello di DigSilent PowerFactory. La descrizione di una tipica rete in media tensione, basata sugli standard nazionali, introduce un'analisi più specifica sul modello di rete di distribuzione implementato per questo studio. Sono state eseguite delle simulazioni per analizzare il comportamento del GFC e la risposta dei sistemi di protezione durante richiusure operative o condizioni di guasto. In particolare, uno dei casi studio si concentra sul processo di riconnessione del GFC alla rete di distribuzione, attraverso un metodo di sincronizzazione. Il secondo scenario descrive le corrette e previste dinamiche che si verificano dopo un cortocircuito trifase su una barra di un utente passivo. Un'altra analisi evidenzia come il GFC possa portare a configurazioni indesiderate sulla rete di distribuzione, in questo caso un’isola non intenzionale. I risultati ottenuti dimostrano che l'integrazione del Grid Forming Converter in un sistema elettrico di distribuzione presenta sia vantaggi che criticità. Grazie alla sua capacità di imitare il funzionamento di una macchina sincrona, il GFC contribuisce alla risposta alle correnti di guasto e alla regolazione della frequenza, aspetti che rappresentano vantaggi significativi. Tuttavia, deve anche essere prestata particolare attenzione alla possibile formazione di isole non intenzionali, una condizione altamente indesiderata nelle reti di distribuzione.