Analysis of transient stability in power systems with 100% converter-based generation with grid-forming power converters

Abstract

El creciente auge de las energías renovables en la generación de energía eléctrica en todo el mundo está sustituyendo de forma progresiva los métodos tradicionales de generación como los generadores síncronos por generación basada en convertidores de electrónica de potencia. Esta nueva tecnología reduce por naturaleza la inercia total del sistema eléctrico que, a su vez, es fundamental para mantener la estabilidad transitoria tras una perturbación severa. La estabilidad transitoria se entiende como estabilidad de ángulo ante grandes perturbaciones, aplicable tanto a generadores síncronos como a convertidores GFM-VSC. En este contexto, los convertidores "grid-forming" (GFM-VSC) son una tecnología fundamental al ser capaces por sí mismos de fijar tensión y frecuencia además de aportar una inercia sintética (artificial) al sistema eléctrico. Este Trabajo de Fin de Grado analiza la estabilidad transitoria de un sistema eléctrico con generación 100% renovable basada en convertidores GFM-VSC. El sistema de prueba y simulación empleado es una versión modificada del conocido sistema Kundur de dos áreas, pero con la singularidad de que los generadores síncronos han sido reemplazados por convertidores GFM-VSC. Se utiliza como indicador de robustez el parámetro de Tiempo Crítico de Despeje (CCT), que se calcula a partir de simulaciones en Matlab y Simulink. La inercia sintética de cada GFM-VSC es un parámetro que se puede elegir libremente (existiendo unos límites), por lo que el principal objetivo de este TFG es analizar cómo afecta la distribución de inercia entre los cuatro convertidores GFM-VSC y entre las dos áreas del sistema, de forma que se maximice la robustez del sistema. Las conclusiones de este TFG destacan que no solo es importante la cantidad total de inercia en el sistema, sino también dónde se ubica esta. Se muestran mejores resultados en casos con más concentración de inercia en la ubicación de la falta (o cercana a ella), sin la necesidad real de invertir en nuevos equipos más allá de los propios convertidores GFM-VSC.

The growing rise of renewable energies in electrical power generation all over the world is progressively replacing traditional generation methods such as synchronous generators with generation based on power electronic converters. This new technology naturally reduces the total inertia of the power system, which is fundamental to keep transient-stability after a severe disturbance. Transient stability is understood as angle stability under severe disturbances, applicable both to synchronous generators and to GFM-VSC converters. In this context, grid-forming converters (GFM-VSC) are a fundamental technology, since they are able to provide a synthetic (artificial) inertia to the power system. This Bachelor's Thesis analyses the transient-stability of a power system with 100% renewable energy generation based on GFM-VSC converters. The test and simulation system used is a modified version of the well-known Kundur two-area system, but with the singularity that the synchronous generators have been replaced by GFM-VSC converters. The Critical Clearing Time (CCT) parameter is used as a robustness indicator, which is calculated from simulations in Matlab and Simulink. The synthetic inertia of each GFM-VSC is a parameter that can be freely chosen (within certain limits), so the main objective of this Thesis is to analyse how the inertia distribution between the four GFM-VSCs and between the two areas of the system affects it, so that the robustness of the system is optimised. The conclusions of this Thesis highlight that not only is the total amount of inertia in the system important, but also the location of it. Better results are shown in cases with a higher concentration of inertia at the location of the fault (or close to it), without the real need to invest in new equipment beyond the GFM-VSC converters themselves.