Synthetic inertia applied to a multi-modular permanent-magnet synchronous generator connected to the grid through some switch-mode rectifiers (one for each module of the generator) and a switch-mode grid inverter

As global energy systems transition towards renewable energy sources, the challenge of maintaining grid stability becomes increasingly critical. Traditional power systems relied on large synchronous generators, which inherently provided rotational inertia to dampen frequency fluctuations and maintain system equilibrium. However, with the increasing penetration of renewable energy sources (RES) such as wind and solar, which are interfaced through power electronic converters, the natural inertia of the grid is significantly reduced. This reduction in inertia can lead to rapid frequency deviations, increasing the risk of instability, blackouts, and system failures. To address this issue, synthetic inertia has emerged as an essential solution, enabling inverter-based resources to emulate the inertial response of traditional rotating machines. This thesis explores the application of synthetic inertia in a Multi-Modular Permanent-Magnet Synchronous Generator (PMSG) system, which is connected to the grid through switch-mode rectifiers and a grid inverter. The study investigates the impact of load variations on DC voltage behavior, analyzing how sudden changes in power demand affect voltage and frequency transients. A key aspect of this research is the development and implementation of advanced control strategies, including synthetic inertia control and field-oriented control (FOC), to regulate the system response and optimize power-sharing mechanisms. The thesis examines how different levels of synthetic inertia affect the damping of voltage and frequency fluctuations, particularly in scenarios where the system experiences sudden load reductions or increases. By modifying the control loops of power converters, synthetic inertia can be dynamically adjusted to mitigate rapid frequency changes and improve overall system stability. Through detailed simulation studies, this research demonstrates the effectiveness of synthetic inertia in smoothing frequency and voltage transients. The results show that increasing the inertia ratio leads to a more stable system response, reducing the amplitude of overshoots and improving the resilience of the power grid. Moreover, the thesis highlights the importance of integrating synthetic inertia into future low-inertia power systems, particularly in grids with high penetration of renewables. This work contributes to the advancement of grid-support mechanisms, providing insights into how synthetic inertia can enhance frequency stability, power quality, and renewable energy integration. By bridging the gap between traditional inertia-based control and modern power electronics-based solutions, this study offers a framework for designing robust and reliable power networks that can support the increasing share of renewable energy sources while maintaining grid reliability and security.

Con la transizione dei sistemi energetici globali verso fonti rinnovabili, la sfida di mantenere la stabilità della rete diventa sempre più critica. I sistemi elettrici tradizionali si basavano su grandi generatori sincroni, che fornivano inerzia rotazionale per smorzare le fluttuazioni di frequenza e mantenere l’equilibrio del sistema. Tuttavia, con la crescente penetrazione delle fonti di energia rinnovabile (RES), come eolico e solare, che sono connesse alla rete tramite convertitori elettronici di potenza, l’inerzia naturale del sistema elettrico si riduce significativamente. Questa riduzione di inerzia può portare a rapide deviazioni di frequenza, aumentando il rischio di instabilità, blackout e guasti di sistema. Per affrontare questo problema, l’inerzia sintetica è emersa come una soluzione essenziale, consentendo alle risorse basate su inverter di emulare la risposta inerziale delle macchine rotanti tradizionali. Questa tesi esplora l’applicazione dell’inerzia sintetica in un sistema Multi-Modulare con Generatore Sincrono a Magneti Permanenti (PMSG), collegato alla rete tramite raddrizzatori a commutazione e un inverter di rete. Lo studio analizza l’impatto delle variazioni di carico sul comportamento della tensione in continua, esaminando come i cambiamenti improvvisi della domanda di potenza influenzino i transitori di tensione e frequenza. Un aspetto chiave di questa ricerca è lo sviluppo e l’implementazione di strategie di controllo avanzate, tra cui il controllo inerziale sintetico e il controllo orientato al campo (FOC), per regolare la risposta del sistema e ottimizzare i meccanismi di condivisione della potenza. La tesi esamina come diversi livelli di inerzia sintetica influenzino lo smorzamento delle fluttuazioni di tensione e frequenza, in particolare in scenari con improvvise riduzioni o aumenti di carico. Modificando gli anelli di controllo dei convertitori di potenza, l’inerzia sintetica può essere regolata dinamicamente per mitigare rapide variazioni di frequenza e migliorare la stabilità complessiva del sistema. Attraverso studi di simulazione dettagliati, questa ricerca dimostra l’efficacia dell’inerzia sintetica nel ridurre i transitori di frequenza e tensione. I risultati mostrano che un aumento del rapporto di inerzia porta a una risposta del sistema più stabile, riducendo l’ampiezza dei sovraelongamenti e migliorando la resilienza della rete elettrica. Inoltre, la tesi evidenzia l’importanza dell’integrazione dell’inerzia sintetica nei futuri sistemi elettrici a bassa inerzia, in particolare nelle reti con un’alta penetrazione di fonti rinnovabili. Questo lavoro contribuisce all’avanzamento dei meccanismi di supporto alla rete, fornendo approfondimenti su come l’inerzia sintetica possa migliorare la stabilità di frequenza, la qualità della potenza e l’integrazione delle energie rinnovabili. Colmando il divario tra il controllo basato sull’inerzia tradizionale e le moderne soluzioni basate sull’elettronica di potenza, questo studio propone un quadro di riferimento per la progettazione di reti elettriche robuste e affidabili, in grado di sostenere una quota crescente di energia rinnovabile mantenendo l’affidabilità e la sicurezza del sistema elettrico.