Comparative study of synthetic inertia strategies for wind turbine generators

The rapid integration of renewable energy sources, particularly wind power, has significantly reduced the overall rotational inertia of modern power systems. This reduction has an impact on the frequency stability and it increases the Rate of Change of Frequency (ROCOF) during disturbances. To address these issues, this thesis presents a Comparative Study of Synthetic Inertia Strategies for Wind Turbine Generators, aiming at restoring the stabilizing effect traditionally provided by synchronous generators. After the introduction of the concept of synthetic inertia and its role in the compensation of the loss of mechanical inertia, several key approaches are analysed. In the first part, four synthetic inertia control techniques acting on rotor speed are compared: the classical proportional-derivative synthetic inertia control, the Droop Control strategy, the Closed-Loop Synthetic Inertia Control (CL-SIC) associated with a Slightly Over-Speeded De-Loading Operation (SODO) and the Variable Hidden Inertia Emulation (VHIE) approach. Their control logics, response dynamics and impact on frequency nadir and ROCOF are evaluated through detailed simulations. The second part extend the analysis to offshore wind power plants, focusing on synthetic inertia implementation in MMC-HVDC systems, where the converter interface adds complexity to frequency support control. Finally, the thesis explores two advanced strategies that integrate synthetic inertia with external inertia sources (synchronous condensers and supercapacitors). These methods are assessed for the capability to deliver additional inertia without compromising the efficiency and stability of the wind turbine. Simulations highlight that properly tuned synthetic inertia controllers can significantly improve frequency nadir and reduce ROCOF. Among these methods, the CL-SIC with SODO achieves the best compromise between dynamic performance and energy efficiency, while VHIE ensures adaptive and stable frequency support under variable wind conditions. In offshore wind farms, the proposed synthetic inertia controller improves the dynamic performance of the MMC-HVDC system and ensures an effective frequency support, by providing the desired active power response to a variation in the ROCOF in the onshore grid. Furthermore, supercapacitors and synchronous condensers-based solutions improve frequency stability, offering additional inertia, without compromising the efficiency and the stability of the wind turbine.

La rapida integrazione delle fonti energetiche rinnovabili, in particolare l'energia eolica, ha ridotto significativamente l'inerzia rotazionale complessiva dei moderni sistemi energetici. Questa riduzione ha un impatto sulla stabilità di frequenza e aumenta il tasso di variazione di frequenza (ROCOF) durante i disturbi. Per affrontare queste problematiche, questa tesi presenta uno studio comparativo di strategie di inerzia sintetica per generatori eolici, con l'obiettivo di ripristinare l'effetto stabilizzante tradizionalmente fornito dai generatori sincroni. Dopo l'introduzione del concetto di inerzia sintetica e del suo ruolo nella compensazione della perdita di inerzia meccanica, vengono analizzati diversi approcci chiave. Nella prima parte, vengono confrontate quattro tecniche di controllo sintetico dell'inerzia che agiscono sulla velocità del rotore: il classico controllo sintetico dell'inerzia proporzionale-derivativo, la strategia di controllo del Droop, il controllo sintetico dell'inerzia a ciclo chiuso (CL-SIC) associato a un'operazione di scarico leggermente sovra-veloce (SODO) e l'approccio di emulazione dell'inerzia nascosta variabile (VHIE). Le loro logiche di controllo, la dinamica di risposta e l'impatto sul nadir di frequenza e sul ROCOF vengono valutati attraverso simulazioni dettagliate. La seconda parte estende l'analisi agli impianti eolici offshore, concentrandosi sull'implementazione dell'inerzia sintetica nei sistemi MMC-HVDC, dove l'interfaccia del convertitore aggiunge complessità al controllo del supporto di frequenza. Infine, la tesi esplora due strategie avanzate che integrano l'inerzia sintetica con fonti di inerzia esterne (condensatori sincroni e supercondensatori). Questi metodi vengono considerati per la capacità di fornire inerzia aggiuntiva senza compromettere l'efficienza e la stabilità della turbina eolica. Le simulazioni evidenziano che i controllori di inerzia sintetica opportunamente calibrati possono migliorare significativamente il nadir di frequenza e ridurre il ROCOF. Tra questi metodi, il CL-SIC con SODO raggiunge il miglior compromesso tra prestazioni dinamiche ed efficienza energetica, mentre il VHIE garantisce un supporto di frequenza adattivo e stabile in condizioni di vento variabili. Negli impianti eolici offshore, il controllore di inerzia sintetica proposto migliora le prestazioni dinamiche del sistema MMC-HVDC e garantisce un supporto di frequenza efficace, fornendo la risposta in potenza attiva desiderata a una variazione del ROCOF nella rete onshore. Inoltre, le soluzioni basate su supercondensatori e condensatori sincroni migliorano la stabilità della frequenza, offrendo ulteriore inerzia, senza compromettere l'efficienza e la stabilità della turbina eolica.