Study on single-delta bridge-cell converter with adjustable active power

The increasing integration of renewable energy sources, such as wind and solar, has in troduced significant problems in the structure of AC power systems. Unlike traditional synchronous generators, inverter-based resources typically operate in grid-following mode and lack intrinsic voltage and frequency regulation capabilities. This has raised concern over system stability, inducing the adoption of some grid-supporting devices, like static synchronous compensators (STATCOMs). However, conventional STATCOMs, especially those based on modular multilevel cascade converters, are limited to reactive power ex change and cannot regulate active power and contribute to frequency stabilization. However, this issue has been recently overcame by building STATCOM systems equipped with large energy sources. This thesis investigates the potential of a modified single-delta bridge-cell converter, de veloped by the Power Electronics Laboratory at the Tokyo Institute of Science, as a next generation STATCOM. In fact, with an additional single-phase converter and active power control capability, the upgraded SDBC has been evaluated under various grid-interactive control strategies, including grid-forming methods. Key contributions of this work include the development of a realistic grid model for both the simulation and the experimental setup, the implementation of a phase-locked loop, and the design of droop and virtual inertia control strategies. Additionally, an improved internal DC voltage regulation method has been proposed, which enhances the system performances. Experimental and simulation results validate the SDBC’s capability to provide both reactive power compensation and frequency support, making a significant step forward in the research about this converter configuration.

L’integrazione sempre più diffusa di fonti di energia rinnovabile, come l’eolico e il foto voltaico, ha introdotto problemi significativi nella struttura dei sistemi elettrici in corrente alternata. A differenza dei generatori sincroni tradizionali, le risorse basate su inverter op erano generalmente in modalità "grid-following" e non possiedono capacità intrinseche di regolazione della tensione e della frequenza. Questo ha sollevato preoccupazione riguardo alla stabilità del sistema di trasmissione, portando all’adozione di alcuni dispositivi di sup porto alla rete, come gli STATCOM. Tuttavia, gli STATCOM convenzionali, in particolare quelli basati sui convertitori multivello, sono limitati allo scambio di potenza reattiva e non sono in grado di regolare la potenza attiva o contribuire alla stabilizzazione della frequenza. Questo limite è stato recentemente superato grazie allo sviluppo di sistemi STATCOM equipaggiati con grandi impianti di accumulo energetico. Questa tesi si propone di studiare il potenziale di un convertitore multilivello modifi cato, sviluppato dal Power Electronics Laboratory del Tokyo Institute of Science, come possibile STATCOM di nuova generazione. Infatti, grazie all’integrazione di un converti tore monofase aggiuntivo e alla capacità di controllare la potenza attiva, il convertitore è stato analizzato attraverso diverse strategie di controllo interattive con la rete, incluse le modalità in "grid-forming". I principali contributi di questo lavoro includono lo sviluppo di un modello realistico di rete per simulazioni e prove sperimentali, l’implementazione di un sistema di sincroniz zazione con la rete, e la progettazione di strategie di controllo basate su "droop" e inerzia virtuale. Inoltre, è stato proposto un nuovo metodo per la regolazione della tensione DC interna, che migliora le prestazioni complessive del sistema. I risultati ottenuti, sia in simulazione che in ambiente sperimentale, confermano la capacità del SDBC di fornire contemporaneamente compensazione della potenza reattiva e supporto alla frequenza di rete; questo rappresenta un importante passo avanti nella ricerca su questo convertitore.