Analisi e modellazione di Power System Stabilizer: studio della stabilità transitoria

Abstract

Il sistema energetico sta vivendo una trasformazione epocale verso una maggiore sostenibilità ambientale, con un ruolo sempre più centrale delle fonti rinnovabili per perseguire gli obiettivi di decarbonizzazione. Tuttavia, l’incremento delle rinnovabili, caratterizzate da una generazione aleatoria e spesso connesse alla rete tramite convertitori elettronici, sta riducendo l'inerzia e il margine di adeguatezza del sistema elettrico, aggravato dalla chiusura di centrali termoelettriche che garantivano stabilità grazie alle elevate masse rotanti. Questa situazione richiede nuove strategie per mantenere stabilità e sicurezza della rete.

Tra gli interventi chiave si annoverano: espansione delle interconnessioni, costruzione di impianti di accumulo idrico ed elettrochimico, e integrazione di generatori a gas. Inoltre, tecnologie innovative come i compensatori sincroni e gli inverter grid forming (GFMI) stanno assumendo un ruolo rilevante, fornendo rispettivamente maggiore inerzia meccanica e "inerzia sintetica".

In questo contesto, i Power System Stabilizer (PSS) rappresentano una tecnologia consolidata per smorzare le oscillazioni elettromeccaniche (0,1-3,5 Hz) causate da piccole perturbazioni, che possono compromettere l'efficienza della trasmissione di potenza. Integrati nel sistema di controllo di eccitazione del generatore sincrono, i PSS forniscono una coppia elettrica sincronizzata con la velocità del rotore, contribuendo a prevenire perdite di sincronismo e attivazioni indesiderate delle protezioni.

La tesi analizza l’impatto della trasformazione della rete elettrica e offre una panoramica delle principali tipologie di PSS sviluppate. Successivamente, vengono presentati i modelli matematici dei PSS e condotti studi con MATLAB/Simulink su diversi punti di lavoro del sistema, confrontando le prestazioni del sistema in assenza e in presenza di PSS per evidenziare il loro contributo alla stabilità della rete.

The energy system is undergoing a transformative shift towards greater environmental sustainability, with renewable energy sources playing an increasingly central role in achieving decarbonization goals. However, the growth of renewables, characterized by intermittent generation and often connected to the grid through power electronics converters, is reducing the inertia and adequacy margin of the power system. This challenge is exacerbated by the closure of thermal power plants, which previously provided stability due to their high mechanical inertia linked to large rotating masses. These changes necessitate new strategies to ensure grid stability and security.

Key measures include expanding interconnections, building hydroelectric and electrochemical storage facilities, and integrating gas generators. Additionally, innovative technologies such as synchronous condensers and grid-forming inverters (GFMI) are gaining importance, providing increased mechanical inertia and "synthetic inertia," respectively.

In this context, Power System Stabilizers (PSS) are a well-established technology for damping electromechanical oscillations (0.1–3.5 Hz) caused by small disturbances, which can compromise power transmission efficiency. Integrated into the excitation control system of synchronous generators, PSS deliver an electrical torque synchronized with the rotor speed, helping to prevent loss of synchronism and unwanted protection system activations.

This thesis examines the impact of power grid transformation and provides an overview of the main types of PSS developed over time. Subsequently, it presents the mathematical models of PSS and performs MATLAB/Simulink studies on different operating points of the system, comparing system performance in the absence and presence of PSS to highlight their contribution to grid stability.