Controles Grid-Forming en convertidores HVDC

Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado aborda el diseño, simulación y análisis de distintas estrategias de control para convertidores de potencia en sistemas eléctricos con enlace HVDC, que utilizan modo de operación grid-forming (formador de red). En un contexto de transición energética, en el que la estabilidad de red debe garantizarse sin depender de máquinas síncronas convencionales, los convertidores grid-forming se presentan como una solución clave para el futuro de la transmisión eléctrica. La primera parte del trabajo compara el comportamiento de un convertidor que opera en modo grid-following (seguidor de red), basado en un control proporcional de potencia activa y reactiva con referencia externa de tensión y frecuencia, con otro basado en el concepto de Virtual Synchronous Machine (VSM), que sí permite una operación autónoma en modo grid-forming al emular el comportamiento dinámico de una máquina síncrona real. Las simulaciones muestran cómo el modelo VSM introduce inercia virtual y amortiguamiento, proporcionando una respuesta más robusta y estable frente a perturbaciones, en contraste con la limitada capacidad del convertidor grid-following para responder dinámicamente ante eventos del sistema. En una segunda fase, se amplía el modelo VSM mediante la incorporación de tres bloques de control avanzados: Voltage Phase Synchronization System (VPSS, Sistema de Sincronización de Fase de Tensión), Transient Droop Response (TDR, Respuesta Transitoria del Droop) y regulación de tensión DC (Gdc). Estas estrategias se implementan en una red HVDC point-to-point (HVDC punto a punto) con dos convertidores, permitiendo analizar su impacto ante un escalón de inyección de corriente en uno de los nudos. Las simulaciones se han desarrollado con la herramienta VFlexP, un entorno de modelado modular que permite el análisis detallado de redes híbridas AC/DC en régimen transitorio. Los resultados obtenidos evidencian mejoras significativas al aplicar estos nuevos controles, en especial en la regulación de la tensión DC y en la distribución de potencia activa entre convertidores. La ganancia del regulador Gdc (Kdp) se revela como un parámetro especialmente crítico para mitigar oscilaciones de tensión en el enlace HVDC. Además, se observa una reducción notable en el tiempo de asentamiento y en el ruido residual en variables clave como la frecuencia o la potencia inyectada. En conjunto, el trabajo demuestra cómo una adecuada estrategia de control grid-forming puede mejorar sustancialmente la estabilidad dinámica de redes HVDC modernas. La incorporación de controles más avanzados permite mejorar de forma significativa el comportamiento dinámico del convertidor. Se consigue una respuesta más rápida y estable, capaz de adaptarse mejor a los desafíos actuales de los sistemas eléctricos, especialmente en redes con alta penetración renovable y baja inercia, donde es fundamental garantizar la estabilidad sin depender de la inercia mecánica de las máquinas síncronas tradicionales.

This Final Degree Project addresses the design, simulation, and analysis of various control strategies for power converters in HVDC-linked electrical systems operating in grid-forming mode. In the context of the energy transition, where grid stability must be ensured without relying on conventional synchronous machines, grid-forming converters are emerging as a key solution for the future of electricity transmission. The first part of the project compares the behavior of a converter operating in grid-following mode, based on proportional control of active and reactive power with external voltage and frequency references, with another based on the Virtual Synchronous Machine (VSM) concept, which allows for autonomous operation in grid-forming mode by emulating the dynamic behavior of a real synchronous machine. The simulations show how the VSM model introduces virtual inertia and damping, delivering a more robust and stable response to disturbances, in contrast to the limited dynamic capabilities of the grid-following converter. In the second phase, the VSM model is enhanced by incorporating three advanced control blocks: Voltage Phase Synchronization System (VPSS), Transient Droop Response (TDR), and DC voltage regulation (Gdc). These strategies are implemented in a point-to-point HVDC network with two converters, enabling the analysis of their impact under a current injection step at one of the nodes. Simulations were conducted using the VFlexP tool, a modular modeling environment that enables detailed analysis of hybrid AC/DC grids under transient conditions. The results reveal significant improvements when applying these new control strategies, especially in DC voltage regulation and the distribution of active power between converters. The Gdc regulator gain (Kdp) proves to be a particularly critical parameter for mitigating voltage oscillations in the HVDC link. Additionally, a notable reduction is observed in settling time and residual noise in key variables such as frequency and injected power. Overall, the project demonstrates how an appropriate grid-forming control strategy can significantly enhance the dynamic stability of modern HVDC networks. The integration of advanced controls leads to a faster and more stable converter response, better suited to the current challenges of electrical systems, especially in networks with high renewable penetration and low inertia, where ensuring stability without relying on mechanical inertia from synchronous machines is essential.