Power Oscillation Damping using Converter Interfaced Generation

Abstract

En las últimas décadas, los sistemas eléctricos han sufrido grandes cambios, los cuales han afectado a varios aspectos de su operación. Entre ellos, el cambio principal está relacionado con una participación cada vez mayor de la generación basada en convertidores electrónicos, como puede ser la generación solar y eólica. Inicialmente, las fuentes de generación basadas en convertidores electrónicos inyectaban a la red toda la potencia eléctrica disponible en la fuente primaria de energía (turbina eólica o paneles solares, por ejemplo). Sin embargo, a medida que ha aumentado la participación de los convertidores electrónicos en el mix de generación, su impacto en la operación del sistema eléctrico ha aumentado. En este sentido, uno de los aspectos más afectados ha sido la estabilidad. Esto se debe a que los convertidores electrónicos operan de manera diferente a como lo harían los generadores eléctricos de las plantas convencionales. Los operadores del sistema eléctrico han reconocido este cambio y han comenzado a imponer requisitos adicionales de operación a los convertidores electrónicos, principalmente basándose en el desarrollo de códigos de red. Las plantas de generación basadas en convertidores electrónicos deben contribuir al amortiguamiento de oscilaciones electromecánicas de baja frecuencia. Para cumplir este requisito, una solución común es añadir un algoritmo de amortigumiento de oscilaciones de potencia (POD) sobre los lazos de control originales del convertidor electrónico. Este controlador modula la cantidad de potencia activa y/o reactiva inyectada a la red, con el fin de recudir las oscilaciones en la frecuencia. Sin embargo, los electricos pueden tener múltiples oscilaciones (modos) de baja frecuencia. Además, el punto de operación y la topología de la red eléctrica afectan al amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas, y estos pueden cambiar en función en función del estado de la red. Estos aspectos suponen un gran desafío para el diseño de controladores POD para convertidores electrónicos. In addition, cuando los convertidores electrónicos operan con algoritmos de formación de red (\textit{grid-forming}), un aspecto esencial es la cantidad de potencia requerida para prestar servicos de POD. La mayoría de las plantas de generación basadas en convertidores electrónicos incluyen un controlador local por cada convertidor, y un convertidor centralizado de planta. Este control centralizado es el responsable de coordinar la acción de los convertidores y, además, de cumplir con los requisitos del cógido de red impuesto por el operador del sistema. En esta tesis se abordan diferentes aspectos relacionados con el amortiguamiento de oscilaciones de potencia utilizando convertidores electrónicos. Se proponen diferentes métodos para diseñar controladores POD. En particular, se aborda el diseño de estos controladores cuando cambia la topología de la red eléctrica, y cuando se tiene en cuenta la naturaliza estocástica del retraso de las comunicaciones en las plantas de generación. Los métodos propuestos se utilizan para diseñar el controlador POD en el dominio de la frecuencia, lo que hace que estos métodos sean adecuados cuando no está disponible un modelo detallado del sistema eléctrico. Además, se explora la capacidad que tienen los convertidores electrónicos con estrategias de control para formación de redes de proporcionar serivicios de POD, y se presenta una propuesta para diseñar un controlador POD para este caso. Algunas de las propuestas de control se verificaron en un entorno de laboratorio, con convertidores reales y una infraestructura de comunicaciones realista. Finalmente, se presentan las conclusiones y directrices para abordar futuros trabajos de investigación.

Over the last two decades, power systems have faced significant changes that affected different aspects of their operation. These changes are caused by an ever-increasing share of the converter-interfaced generation (CIG) that is used to transform energy coming from solar irradiation and wind to electric power. The initial power plants based on CIG were used to deliver electric power whenever the energy from the primary source was available. However, as the share of CIG increases, its impact on the power system operation becomes more noticeable. Some of the aspects that have been more affected are the stability and real-time management of power plants. This happens because the operation of CIG differs to a great extend to that of synchronous generators. System operators have recognised this change and have already started to request additional requirements to CIGs (i.e., grid codes) . CIG-based power plants (e.g., wind farms and photovoltaic plants) connected to transmission networks should contribute to damp low-frequency electro-mechanical oscillations. To meet this requirement, the CIG control algorithm includes a power oscillation damping (POD) controller. This controller is designed to adjust CIG active and/or reactive power output, addressing the oscillation in the network frequency. However, the transmission system to which the CIG is connected might have multiple low-frequency oscillations. Also, the operating point and configuration of the transmission system are changing during the system operation. These factors impose a major challenge in the POD controller design. Furthermore, in the case of CIGs operating in grid-forming mode, the impact of required power for POD service has to be addressed. Also, CIG-based power plants in the majority of the cases include local CIG units and a centralised controller. The centralised controller is responsible for the coordination of the local CIG units and meeting the requirements imposed by the system operators. This thesis deals with different aspects of power oscillation damping with CIGs. Multiple methods for POD controller design are proposed, addressing changes in the network topology and the impact of stochastic communication network on POD controller performance. Furthermore, the proposed methods are used to design the POD controller in the frequency domain, making them suitable for cases in which the detailed power system model is not available. Also, the ability of CIG operating in grid-forming mode to provide POD service was examined, and a proposal to design a POD controller for such an application is presented. Several proposals for POD controller design were verified in the laboratory environment with real hardware and communication network deployed. Finally, conclusions and guidelines for further research are presented.