Frequency regulation in an islanding microgrid through virtual synchronous machine

Year after year the use of Renewable Energy Sources (RES) has become more urgent, due to the increase of fossil fuels costs and because of some diffuse energy politics, which led many countries to the decision of the abandon of Nuclear Energy. However, while centralized power generation with unidirectional power flow and passive electricity distribution are concepts well settled, the use of Distributed Energy Sources is being developed in the configuration called microgrid, a small autonomous region of power systems that can offer increased reliability and efficiency. An interesting configuration for microgrids is the Islanded Mode, i.e. an operating configuration where the microgrid works without link to the grid. In such a usage, the grid has less stability than standard grids, for what concerns both frequency and voltage. It is hence extremely important that the inverters have an adequate control that can deal with these drawbacks. This thesis wants to focus on the frequency stability in an Islanded Microgrid, considering the control techniques used to deal with this issue; in particular the main goal is to analyse effectiveness of releasing virtual inertia through the implementation of a Virtual Synchronous Machine. In Chapter 1 an introduction to the matter is presented. In Chapter 2 the main indicators for frequency quality in a grid were listed and explained. Chapter 3 presents the state of the art for inverter control in microgrids, focusing especially on the techniques to release virtual inertia. Chapter 4 shows the realization of the model of an Islanded Microgrid, with emphasis on the chosen control techniques.

Col passare degli anni l’utilizzo delle energie rinnovabili diventa sempre più importante per il fabbisogno energetico mondiale: da un lato per via di politiche sempre più diffuse e condivise nel ricercare energie alternative a quella nucleare, dall’altro per l’imprevidibilità dei costi e della durata della riserva di combustibili fossili. Negli ultimi decenni il continuo sviluppo dell’elettronica di potenza ha permesso un’evoluzione di tecniche di controllo sempre più avanzate per interfacciare i generatori di energie rinnovabili (RES) alla rete. Ricerche su algoritmi di ottimizzazione per sfruttare l’energia eolica e solare hanno reso questi settori sempre più duttili e importanti. Nel passato la microgenerazione di energia elettrica era considerata sostanzialmente come una generazione ausiliaria, e le risorse di energia rinnovabile risultavano essere parte passiva e rigida della rete. Tuttavia negli ultimi anni l’apporto di nuove tecniche di comunicazione unito allo sviluppo nell’elettronica di potenza ha permesso lo sviluppo di una nuova soluzione tecnica per l’integrazione delle energie rinnovabili, la microgrid, una piccola regione autonoma della rete elettrica che possa offrire un aumento di affidabilità ed efficienza. Una caratteristica tipica delle microgrid è quella di potere operare sia in modalità connessa che isolata. Normalmente tali reti sono pensate per lavorare con logiche autonome ma comunque connesse alla rete, mentre la modalità isolata è vista più che altro come circostanza accidentale o comunque non voluta. Eppure in tutto il mondo sono presenti migliaia di reti isolate dalla rete principale, per via di impedimenti geografici o per convenienze economiche, basate sostanzialmente su risorse fossili. I recenti sviluppi tecnologici e necessità economiche stanno portando alcuni operatori all’ipotesi di sviluppare e realizzare microreti isolate con alta penetrazione di energie rinnovabili: Microgrid che rimangano costantemente e volutamente disconnesse dal resto della rete. Sia i vantaggi, tecnici ed economici, che la fattibilità di tale configurazione sono strettamente legati all’adeguatezza dei controllori e alle prestazioni operazionali della microgrid. Tale questione va trattata con attenzione, poichè mentre la distribuzione energetica convenzionale può godere di più di un secolo di studi e pone le sue basi su generatori di grandi dimensioni e dalla buona stabilità, le microgrid traggono alimentazione da risorse volatili e non controllabili, interfacciate tramite convertitori privi di masse rotanti. Proprio da questa mancanza deriva la problameticità che questa tesi intende affrontare: le masse rotanti sono infatti una riserva energetica preziosissima per la stabilità della rete, in particolare in caso di perdite di carichi o di generatori. Le risorse rinnovabili nella loro configurazione comune non rilasciano naturalmente inerzia alla rete. In una rete elettrica la mancanza di inerzia provoca instabilità sia alla tensione che alla frequenza, andando a lederne robustezza e affidabilità. Anche a causa di tali limitazioni lo sviluppo di microgrid isolate è ancora in divenire. Questo lavoro si concentra sul problema della stabilità della frequenza in microreti isolate. Il primo scopo di questo lavoro, dopo una comprensione degli strumenti per valutare i transitori di frequenza, è un’analisi critica dei metodi presenti in letteratura per il rilascio di inerzia fittizia alla rete. L’obiettivo è poi quello di valutare in maniera critica il controllo di inverter tramite Generatore Sincrono Virtuale (Virtual Synchronous Machine), e di studiarne le prestazioni tramite l’implementazione di un modello di microgrid ed accurati scenari di simulazione.