Contribution of novel synchronization methods in the dynamic response of modern power systems

Abstract

The continuous emergence of weak power networks in modern power systems, together with the new operation conditions of interconnected Renewable Energy Sources (RESs), presents significant technical challenges that obstruct the increased RES integration into modern power grids. The analyses and models describing the operation of Voltage Source Inverters (VSIs), which interface the respective RES to the grid, as well as the innovative synchronization and control schemes proposed in this dissertation, aim to contribute in enhancing the operational characteristics of modern power networks and facilitate deeper RESs penetration. Investigating the behaviour of the synchronization layer under such interconnection conditions is equally critical to studying the dynamics of the controllers, implemented by Grid Following (GFL) converters. Analysing the phenomena that result in problematic responses from conventional synchronization units requires appropriate mathematical modeling, a thorough understanding of the underlying causes, and, ultimately, their mitigation through modifications to their dynamic behaviour, in conjunction with existing or newly proposed controllers. In light of the aforementioned needs, the primary contribution of this dissertation lies in the development of coherent models that capture the dynamics of GFL converters interconnected in both strong and weak networks. These models enable the analysis of conventional Phase Locked Loop (PLL) synchronization units and the identification of issues that arise under weak grid conditions, such as the damping terms reduction phenomenon, also known as positive feedback effect. The proposed analysis describes the positive feedback phenomenon through appropriate mathematical equations, offering valuable insights into its root causes and its detrimental impact on the dynamic performance of conventional PLL units. Building upon this framework, an innovative dynamic synchronization mechanism, the Robust Synchronization Unit (RSU), is proposed that mitigates these adverse effects. The RSU not only exhibits an improved dynamic response but also enables grid frequency support services through virtual inertia injection—a critical feature absent in conventional GFL implementations. The inertia and other parameters of the proposed mechanism can be suitably adjusted to achieve the desired frequency response profile. Moreover, the developed modeling framework of GFL converters, enables the stability analysis of the RSU using both large- and small-signal approaches. Furthermore, it can be extended to analyse the interaction between multiple GFL converters interconnected at a Point of Common Coupling (PCC). Through an explicit stability analysis based on matrix theory, it is demonstrated that when all converters synchronize with the grid through the RSU, their interaction remains stable, leading to asymptotic convergence to the desired equilibrium points. The proposed synchronization unit forms the basis for designing a novel mechanism, the Frequency Limiting (FL) RSU, which preserves the key features of the RSU, while limiting its output frequency within predefined limits. This property effectively addresses technical issues associated with the implementation of saturation units by conventional PLLs. Notably, this frequency-limiting capability is established through a rigorous mathematical analysis. Furthermore, like the RSU, the FL RSU can also provide ancillary services to support grid frequency. Recognizing that conventional GFL control schemes require precise synchronization with the frequency and phase of the input voltage, an advanced structure, the Bandwidth Limiting (BaLi) PLL, is proposed. Based on the FL RSU framework, the BaLi PLL offers accurate phase detection of the input voltage, similar to conventional PLLs. Both the FL RSU and BaLi PLL were analysed under strong and weak grid conditions using the modelling framework introduced earlier. The results offer valuable insights into the impact of these two mechanisms on stability and their improved dynamic performance compared to conventional PLLs. The proposed innovative synchronization units can operate in two different modes by appropriately tuning their gains: either with a fast dynamic response and near-zero steady-state error, functioning similar to a PLL, or with a slower response to enable the provision of ancillary services to the power grid. In the first case, the RSU and FL RSU can be seamlessly integrated into the GFL structure and appropriately used to implement the conventional control systems. On the other hand, the steady-state phase error that occurs when using the proposed synchronization schemes for ancillary service provision requires needed modifications to higher-level GFL control schemes. To address this, a modified outer-loop controller is developed to regulate the converter's active and reactive power to reference values in steady state, irrespective of the phase error introduced by the synchronization unit. Additionally, a modified voltage support controller is introduced to effectively regulate the voltage at the PCC, while the inner current control loops are enhanced with an RMS current limiting capability. Building on these innovations, a local energy community comprising multiple GFL converters connected to a strong grid with fixed frequency is examined. A dynamic coordination algorithm is proposed, enabling the control system to drive the community’s total output power to specific reference values while ensuring power sharing among its members. The key contribution of this developed coordination algorithms becomes clear, considering that, due to the nature of grid frequency, conventional droop control techniques are unable to coordinate the energy community or distribute the generated power as intended.

Η αυξημένης κλίμακας διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) αυξάνει σημαντικά την πολυπλοκότητα τους και οδηγεί στην εμφάνιση ασθενών δικτύων τα οποία με την σειρά τους επιφέρουν σημαντικές επιπτώσεις στην δυναμική απόκριση των διασυνδεδεμένων διεπαφών ηλεκτρονικών ισχύος. Η διερεύνηση της προβληματικής λειτουργίας του επιπέδου συγχρονισμού υπό τέτοιες συνθήκες διασύνδεσης θεωρείται εξίσου κρίσιμη με την δυναμική των συστημάτων ελέγχου που εφαρμόζονται από τους αντιστροφείς τύπου παρακολούθησης δικτύου (ΠΔ). Η ανάλυση των φαινομένων που οδηγούν στην προβληματική απόκριση των συμβατικών μονάδων συγχρονισμού απαιτεί κατάλληλη μαθηματική μοντελοποίηση η οποία ενδέχεται να προσφέρει πιο παραστατικά δεδομένα τα οποία θα μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση και σε δεύτερη φάση αντιμετώπιση τους. Στο πλαίσιο των προαναφερθέντων αναγκών, βασική συνεισφορά αυτής της διατριβής έγκειται στην πρόταση συνεκτικών αλγεβρικών μοντέλων που καταγράφουν τη δυναμική των μετατροπέων ΠΔ κατά την διασύνδεσή τους σε ισχυρά και ασθενή δίκτυα. Αυτά τα μοντέλα, επιτρέπουν την ανάλυση των συμβατικών μονάδων συγχρονισμού, που βασίζονται σε σχήματα βρόχων κλειδώματος φάσης (ΒΚΦ) αλλά και την αναγνώριση των υποκείμενων αδυναμιών που προκύπτουν κατά την λειτουργία τους σε συνθήκες διασύνδεσης σε ασθενή δίκτυα. Ένα ανεπιθύμητο φαινόμενο που υφίσταται κατά την διασύνδεση μετατροπέων ΠΔ σε ασθενή δίκτυα είναι το φαινόμενο μείωσης όρων απωλειών του επιπέδου συγχρονισμού, το οποίο προκαλεί την εκδήλωση υπερυψώσεων και ταλαντώσεων χαμηλής συχνότητας στους ΒΚΦ. Σε αντίθεση με άλλες εργασίες που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία, η προτεινόμενη μέθοδος μοντελοποίησης δύναται να περιγράψει το φαινόμενο θετικής ανάδρασης με κατάλληλες μαθηματικές εξισώσεις οι οποίες προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τους παράγοντες που το προκαλούν, αλλά και πως αυτό επιδρά στην δυναμική απόκριση των συμβατικών μονάδων ΦΚΦ. Επιπλέον, η μοντελοποίηση αυτή αποτελεί την βάση για τον σχεδιασμό ενός καινοτόμου μηχανισμού συγχρονισμού που ονομάζεται σθεναρή μονάδα συγχρονισμού (ΣΜΣ), ο οποίος όχι μόνο ελαττώνει την επίδραση του φαινομένου στην δυναμική απόκριση του, αλλά διαθέτει και τη δυνατότητα παροχής υπηρεσιών υποστήριξης συχνότητας δικτύου, μέσω έγχυσης εικονικής αδράνειας. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό χαρακτηριστικό καθώς οι υλοποιήσεις ΠΔ από την φύση τους αποκλειστικά ακολουθούν την συχνότητα του δικτύου και δεν προσφέρουν υπηρεσίες υποστήριξής της. Έτσι, γίνεται προφανές ότι ο εξοπλισμός της δομής ΠΔ με την ικανότητα υποστήριξης της συχνότητας του δικτύου μπορεί να διευκολύνει περαιτέρω την εγκατάσταση αυξημένης χωρητικότητας ΑΠΕ. Ο προτεινόμενος μηχανισμός συγχρονισμού βασίζεται στον έλεγχο στατισμού που εφαρμόζεται σε εικονικές γεννήτριες. Για αυτό τον λόγο, εισάγει ένα στατικό σφάλμα φάσης ανάμεσα στην ΣΜΣ και της τάσης εισόδου, με σκοπό την προσφορά επικουρικών υπηρεσιών υποστήριξης συχνότητας. Σημειώνεται εδώ ότι σε αντίθεση με τις συμβατικές γεννήτριες, η αδράνεια και ο συντελεστής στατισμού του προτεινόμενου μηχανισμού μπορούν να ρυθμιστούν χωρίς κάποιο περιορισμό ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό προφίλ απόκρισης συχνότητας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μοντελοποίηση των μετατροπέων ΠΔ αλλά και της ΣΜΣ επιτρέπει την ανάλυσή της ευστάθειας τους μέσω μεθόδων μεγάλου και μικρού σήματος. Η ανάλυση αυτή μπορεί να γενικευθεί για την μοντελοποίηση πολλαπλών μετατροπέων ΠΔ που συνδέονται σε κοινό σημείο ζεύξης. Μέσω κατάλληλης ανάλυσης ευστάθειας βασισμένη στην θεωρία πινάκων αποδεικνύεται ότι στην περίπτωση όπου όλοι οι μετατροπείς συγχρονίζονται στο δίκτυο μέσω της ΣΜΣ, πως η αλληλεπίδρασή τους είναι ευσταθής και συγκλίνουν ασυμπτωτικά σε έγκυρα σημεία ισορροπίας. Η προτεινόμενη μονάδα συγχρονισμού αποτελεί τη βάση για τον σχεδιασμό ενός καινοτόμου μηχανισμού, της φραγμένης συχνότητας (ΦΣ) ΣΜΣ, η οποία προσφέρει παρόμοιες ιδιότητες με το ΣΜΣ, αλλά και τη δυνατότητα φραγμού της συχνότητας εξόδου του εντός καθορισμένων ορίων, αντιμετωπίζοντας με αυτό τον τρόπο τα τεχνικά προβλήματα που σχετίζονται με την χρήση μονάδων περιορισμού. Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ πως η ιδιότητα περιορισμού της συχνότητας αποδεικνύεται μέσω αυστηρής μαθηματικής ανάλυσης. Επίσης, με παρόμοιο τρόπο με την ΣΜΣ, μπορεί να προσφέρει επικουρικές υπηρεσίες υποστήριξης της συχνότητας του δικτύου. Δεδομένου ότι τα συμβατικά σχήματα ελέγχου της δομής ΠΔ απαιτούν ακριβή συγχρονισμό με την συχνότητα και φάση της τάσης εισόδου, προτείνεται το φραγμένου εύρους ζώνης (ΦΕΖ) ΦΚΦ, το οποίο βασίζεται στη δομή της ΦΣ ΣΜΣ και προσφέρει ακριβή ανίχνευση της φάσης της τάσης εισόδου όπως οι συμβατικοί ΦΚΦ. Και οι δύο σχεδιασμοί αναλύθηκαν υπό συνθήκες διασύνδεσης σε ισχυρά και ασθενή δίκτυα χρησιμοποιώντας τα προαναφερθέντα δυναμικά μοντέλα των μετατροπέων ΠΔ. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης προσέφεραν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την ευστάθεια αυτών των δύο μηχανισμών, την ρύθμιση των κερδών τους αλλά και την βελτιωμένη δυναμική απόκριση σε σχέση με τους συμβατικούς ΦΚΦ. Οι νέες καινοτόμες μονάδες συγχρονισμού μπορούν να λειτουργήσουν με δύο διαφορετικούς τρόπους, είτε να προσφέρουν επικουρικές υπηρεσίες στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας είτε να ρυθμιστούν κατάλληλα τα κέρδη τους ώστε το σφάλμα μόνιμης κατάστασης να είναι πρακτικά μηδέν και να λειτουργήσουν με παρόμοιο τρόπο με τους ΦΚΦ, αλλά με σημαντικά βελτιωμένη δυναμική απόκριση. Στην δεύτερη περίπτωση λειτουργίας, οι ΣΜΣ και ΦΣ ΣΜΣ μπορούν να υλοποιηθούν στην δομή ΠΔ και να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα για την εφαρμογή των συμβατικών συστημάτων ελέγχου αυτών των μετατροπέων. Από την άλλη πλευρά, το σφάλμα φάσης μόνιμης κατάστασης κατά την λειτουργία των προτεινόμενων σχημάτων συγχρονισμού για προσφορά επικουρικών υπηρεσιών, προκαλεί τεχνικές προκλήσεις κατά την υλοποίηση των συμβατικών σχημάτων ελέγχου ανωτέρων επιπέδων της δομής ΠΔ. Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι τεχνικές προκλήσεις, οι συμβατικοί ελεγκτές εσωτερικών και εξωτερικών βρόχων της δομής ΠΔ, τροποποιούνται κατάλληλα στα πλαίσια αυτής της διατριβής, προκειμένου να προσαρμοστούν με καταλληλότερο τρόπο με τις μονάδες της ΣΜΣ. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ένας τροποποιημένος ελεγκτής εξωτερικού βρόχου που έχει ως στόχο τον έλεγχο ενεργού και άεργου ισχύος του μετατροπέα στις τιμές αναφοράς με μηδενικό σφάλμα μόνιμης κατάστασης, ανεξάρτητα από το σφάλμα φάσης της μονάδες συγχρονισμού. Επίσης παρουσιάζεται ένας τροποποιημένος ελεγκτής υποστήριξης τάσης που μπορεί να ρυθμίσει αποτελεσματικά την τάση του σημείου κοινής ζεύξης. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένας νέος ελεγκτής εσωτερικού βρόχου ρευμάτων, ο οποίος προσφέρει την δυνατότητα φραγμού της RMS τιμής ρεύματος του αντιστροφέα. Βασική συνεισφορά του συγκεκριμένου σχήματος ελέγχου αποτελεί η σθεναρότητα που παρουσίαση η ιδιότητα φραγής του ρεύματος, εναντίον σφαλμάτων που προκύπτουν κατά την υλοποίηση του ελέγχου εξαιτίας της εσφαλμένης ρύθμισης των μετρητικών οργάνων. Επίσης, παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος συντονισμού μιας τοπικής ενεργειακής κοινότητας που αποτελείται από πολλαπλούς μετατροπείς ΠΔ οι οποίοι συνδέονται σε ένα ισχυρό δίκτυο με σταθερή συχνότητά. Το σύστημα ελέγχου μπορεί να οδηγήσει την συνολική ισχύ εξόδου της κοινότητας σε συγκεκριμένες τιμές αναφοράς, ενώ παράλληλα πετυχαίνει διαμοιρασμό ισχύος ανάμεσα στα μέλη της κοινότητας. Σημειώνεται ότι λόγω της φύσης της συχνότητας του δικτύου, συμβατικές τεχνικές ελέγχου στατισμού δεν έχουν την δυνατότητα να συντονίσουν την ενεργειακή κοινότητα. Συμπερασματικά, με την συνεχή εμφάνιση ασθενών δικτύων στα σύγχρονα ΣΗΕ και τα νέα δεδομένα λειτουργίας των διασυνδεδεμένων ΑΠΕ δημιουργούνται σημαντικές τεχνικές προκλήσεις οι οποίες εμποδίζουν την αυξημένη ενσωμάτωση των ΑΠΕ στα σύγχρονα δίκτυα ηλεκτρονικής ενέργειας. Οι παραστατικές τεχνικές μοντελοποίησης της λειτουργίας των αντιστροφέων που συνδέουν τις ΑΠΕ στο δίκτυο, τα καινοτόμα σχήματα συγχρονισμού αλλά και ελέγχου που προτάθηκαν στα πλαίσια της διατριβής έχουν ως στόχο να συνεισφέρουν στην ενίσχυση της δομής ΠΔ και των λειτουργικών χαρακτηριστικών της για την αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ στα σύγχρονα ΣΗΕ.