Studio e implementazione di una tecnica di controllo grid-forming per la fornitura di inerzia sintetica da parte di impianti interfacciati con inverter

Abstract

La crescente richiesta di produzione di energia elettrica a partire da fonti di energia rinnovabile, in particolare eolico e fotovoltaico, sta provocando grossi cambiamenti nel sistema elettrico. Infatti, gli impianti di produzione di energia elettrica basati su inverter stanno sostituendo le centrali di generazione tradizionali, basate su generatori rotanti, andando a diminuire gradualmente l’inerzia naturale del sistema elettrico. La riduzione dell’inerzia complessiva fa sì che la frequenza della rete elettrica subisca variazioni più rapide e di maggiore entità, mettendo a rischio la stabilità del sistema elettrico. Per fronteggiare questo problema, la comunità scientifica sta studiando delle tecniche di controllo per i convertitori connessi alla rete che permettano di fornire inerzia sintetica, emulando il comportamento di un generatore tradizionale. Tali tecniche di controllo sono dette grid-forming. In questa tesi, vengono presentate le due principali tecniche di controllo per i convertitori connessi alla rete, ossia quella grid-following e quella grid-forming. Viene poi proposta la modellazione di una tecnica di controllo grid-forming in ambiente MATLAB/Simulink in grado di fornire inerzia sintetica. Il modello è poi testato in diversi scenari di simulazione. In particolare, i contributi più significativi di questa tesi vogliono essere: - Confrontare le diverse tecniche di controllo grid-forming; - Proporre l’implementazione di una tecnica di controllo grid-forming che non faccia uso di PLL e che possa fornire inerzia sintetica e partecipare alla regolazione primaria; -Proporre il dimensionamento del convertitore a livelli di tensione (690 V) e potenza (1 MVA) tipici di applicazioni in ambito wind e che richiedano frequenze di switching non elevate (1-2 kHz); - Potere, in questo modo, utilizzare il modello implementato come base per futuri studi di applicazione di tecniche grid-forming con fonti di energia rinnovabili.

The growing demand for electrical energy produced from renewable energy sources, especially wind and photovoltaic, is causing significant changes in the electrical grid. In fact, electricity generation facilities based on inverters are replacing traditional power plants based on rotating synchronous generators, gradually reducing the natural inertia of the electrical grid. The reduction in overall inertia causes the frequency of the electrical grid to experience faster and more significant fluctuations, thus reducing the stability of the electrical system. To address this issue, the research community is studying control techniques for grid-connected converters that allow the provision of virtual inertia, emulating the behavior of a synchronous generator. These control techniques are referred to as grid-forming.

This thesis presents the two main control techniques for grid-connected converters, grid-following and grid-forming. Then, it presents the modeling of a grid-forming control technique in the MATLAB/Simulink environment capable of providing virtual inertia. The model is then tested in various simulation scenarios.

In particular, the most significant contributions of this thesis aim to:

-Compare different grid-forming control techniques. -Propose the implementation of a PLL-free grid-forming control technique and can provide virtual inertia while participating in primary regulation. -Propose the sizing of the converter at typical voltage (690 V) and power levels (1 MW) for wind applications that require not high switching frequencies (1 - 2 kHz). -Use the implemented model to serve as a starting point for future studies on the application of grid-forming techniques with renewable energy sources.