Control of grid-forming VSC-based generators to improve transient stability in power systems with 100 % non-synchronous generation

Abstract

El objetivo de esta tesis doctoral es investigar estrategias de control suplementarias para la mejora la estabilidad transitoria en sistemas de potencia con generación 100% no síncrona en convertidores grid-forming (GFM-VSC). Debido a la alta penetración de fuentes de generación no síncronas, que introducen dinámicas rápidas de los convertidores fuentes de tensión (VCS), plantean un reto para la estabilidad del sistema eléctrico, especialmente para la estabilidad transitoria. En este trabajo se proponen estrategias de control basadas en controles de potencia activa y reactiva en GFM-VSC para la mejora de la estabilidad transitoria. Esta tesis doctoral evalúa varios mecanismos de auto-sincronización de los GFM-VSC en diferentes escenarios, analizando su efecto en la estabilidad transitoria. También se proponen dos estrategias basadas en controles de voltaje/potencia-reactiva denominadas “Fast Voltage Booster” (FVB), que buscan mejorar la estabilidad transitoria modificando la tensión de referencia sin afectar significativamente la referencia de la fuente de energía primaria. Una de estas estrategias de control (FVB-L) usa medidas locales, mientras que la otra (FVB-WACS) usa medidas globales tomando en cuenta la frecuencia del centro de inercia (COI). La tesis también estudia el impacto de los FVB al usar diferentes limitadores de corriente (algoritmos de saturación de corriente (CSA) y limitadores de corriente híbridos (HCL)) en generadores GFM-VSC. Además, se propone una estrategia de control de potencia activa que solo usa medidas locales (TSP-L) y se compara con dos estrategias de control existentes en la literatura, con el fin de mejorar aún más la estabilidad transitoria en sistemas de energía con generadores 100% no síncronos. El uso de GFM-VSC en este tipo de sistemas motiva la propuesta de estas estrategias de control para la mejora de la estabilidad transitoria. Los resultados muestran que las estrategias propuestas pueden mejorar significativamente la estabilidad transitoria en sistemas de energía con generación 100% no síncrona.

The aim of this thesis is to investigate supplementary control strategies in Grid-forming voltage source converters (GFM-VSCs) to improve transient stability in power systems with 100% non-synchronous generation. With the increasing integration of non-synchronous generation sources, stability becomes challenging due to the fast dynamics of the voltage source converters (VSCs). This scenario poses a significant challenge to power system stability, particularly transient stability. The study proposes control strategies based on active- and voltage/reactive-power control in GFM-VSC for transient stability improvement. This thesis compares various self-synchronisation mechanisms of GFM-VSCs under different scenarios, analysing their impact on transient stability. Moreover, two proposed Fast Voltage Booster (FVB) strategies based on voltage/reactive-power controls aim to enhance transient stability by adjusting the voltage set-point without significant changes to primary energy source set-points. One control strategy (FVB-L) uses local measurements, while the other (FVB-WACS) uses global measurements of the frequency of the centre of inertia (COI). The thesis also analyses the impact of FVBs when employing different current limiters (current saturation algorithms and hybrid current limiters) in GFM-VSC-based generators. Additionally, a local active-power control strategy (TSP-L) is introduced and compared with two existing control strategies from the literature, aiming to further improve transient stability in power systems with 100% non-synchronous generators. The use of GFM-VSCs in these types of systems creates a need for control strategies that can improve transient stability. Therefore, this thesis aims to address this need by analysing the transient stability of power systems with 100% non-synchronous generation and proposing control strategies based on active- and voltage/reactive-power control in GFVSC for transient stability improvement.