Generalized modeling and stability analysis for modern power systems with large scale integration of converter interfaced RES

Abstract

This dissertation is placed in the general context of power systems modeling, control, and analysis. Specifically, modern power systems of varying topology featuring large scale integration of renewable energy sources (RES) are considered for the modeling of which, a generalized method is proposed. By taking into account all units located within a modern electricity grid infrastructure, including locally controlled power converter interfaces and electromechanical components, the introduced modeling approach effectively captures the entirety of the system dynamics. Since the proposed formulation retains its structure under changes in grid layout, it can be deployed so as to model varying topology systems, whereas the form of the model itself is nonlinear in order to match and accurately describe the inherently nonlinear nature of modern grid topologies. One of the remarkable properties this approach features is the capability of directly establishing strong stability and state convergence properties for any kind of system that is compatible with this formulation, regardless of its scale or structure. This fact is rigorously proven by adopting a theoretical framework based on advanced nonlinear analysis tools. In this sense, the introduced modern power system representation has a twofold use; it stands both as an accurate and universal power system model and as a direct stability analysis tool.An important part of this dissertation is also devoted on developing suitable control schemes for various types of power converter interfaces, mainly focusing on the one type dominating the power grids nowadays, the three-phase voltage source converter (VSC). The proposed control designs are of simple PI-type and they feature several innovations in their structure that effectively withdraw many adversities this kind of control schemes usually have. In this frame, several VSC-based configurations are considered, including the cases of a VSC connected to a stiff or a weak grid. For the latter case, a novel PLL mechanism is also proposed that effectively copes with the challenging issue of maintaining synchronism. In addition, VSC-based dc-link configurations are considered and appropriate control designs are proposed for such topologies as well. The stabilizing effect of the developed control designs on the closed-loop performance of these systems can be proven by adopting the theoretical framework used in the unified CIAT model analysis. As it becomes apparent, all of the considered topologies are absolutely compatible with a simpler variation of the CIAT model and thus, strong stability and state convergence properties can be directly extracted.The case of constant power loads (CPLs) is also investigated in relation to the developed CIAT representation. Several aspects regarding the need of characterizing some loads as constant power ones in the modern power system paradigm is also discussed, whereas the basic properties of such loads are examined by considering a typical dc/dc boost converter/CPL configuration. Finally, the complete CIAT formulation is employed in order to accurately model a realistic modern DG-based power system example featuring both controlled power converter interfaces and electromechanical components. In this process, the remarkable properties accompanying this modeling approach are being fully showcased.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο της μοντελοποίησης, του ελέγχου και της ανάλυσης των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ). Ειδικότερα, εξετάζονται σύγχρονα ΣΗΕ μεταβλητής τοπολογίας με μεγάλη ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) για τη μοντελοποίηση των οποίων προτείνεται μια γενικευμένη μέθοδος. Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις μονάδες που βρίσκονται σε μια σύγχρονη υποδομή ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των τοπικά ελεγχόμενων μετατροπέων ισχύος και των ηλεκτρομηχανικών συνιστωσών, η προτεινόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης περιλαμβάνει με λεπτομερή και ακριβή τρόπο την πλήρη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Δεδομένου ότι η προτεινόμενη γενικευμένη αναπαράσταση διατηρεί τη δομή της ανεξαρτήτως δομικών αλλαγών του εξεταζόμενου συστήματος, μπορεί να αναπτυχθεί έτσι ώστε να μοντελοποιεί επιτυχώς σύγχρονα ΣΗΕ διαφόρων τοπολογιών, ενώ η ίδια η μορφή του μοντέλου είναι μη γραμμική ούτως ώστε να είναι απολύτως συμβατή και να περιγράφει με ακρίβεια την εγγενώς μη γραμμική φύση των σύγχρονων ΣΗΕ. Μία από τις αξιοσημείωτες ιδιότητες που διαθέτει αυτή η προσέγγιση είναι η δυνατότητα άμεσης εξαγωγής ιδιοτήτων ευστάθειας και σύγκλισης των καταστάσεων για οποιοδήποτε είδος συστήματος που είναι συμβατό με αυτήν την γενικευμένη αναπαράσταση, ανεξάρτητα από το μέγεθος ή τη δομή του. Αυτό το γεγονός αποδεικνύεται με λεπτομερή και ακριβή τρόπο, υιοθετώντας ένα θεωρητικό πλαίσιο το οποίο βασίζεται σε προηγμένα εργαλεία μη γραμμικής ανάλυσης. Υπό αυτή την έννοια, η προτεινόμενη αναπαράσταση σύγχρονων ΣΗΕ έχει διπλή υπόσταση, καθώς αποτελεί τόσο ένα ακριβές και γενικευμένο μοντέλο ενός ΣΗΕ, όσο και εργαλείο άμεσης ανάλυσης ευστάθειας. Ένα σημαντικό μέρος αυτής της διατριβής αφιερώνεται επίσης στην ανάπτυξη κατάλληλων συστημάτων ελέγχου για διαφορετικά είδη τοπικά ελεγχόμενων μετατροπέων ισχύος, εστιάζοντας κυρίως στον τύπο που κυριαρχεί στα σύγχρονα ΣΗΕ, τον τριφασικό μετατροπέα πηγής τάσης (VSC). Τα προτεινόμενα σχήματα ελέγχου είναι απλής μορφής και βασίζονται σε ελεγκτές τύπου αναλογικού-ολοκληρωτικού όρου (PI), ενώ διαθέτουν αξιοσημείωτες καινοτομίες στη δομή τους οι οποίες ακυρώνουν με αποτελεσματικό και ευσταθή τρόπο πολλά μειονεκτήματα που παρατηρούνται συνήθως σε τέτοιου είδους σχήματα ελέγχου. Σε αυτό το πλαίσιο, εξετάζονται διάφορες τυπικές εφαρμογές των οποίων οι τοπολογίες βασίζονται σε VSCs, συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων ενός VSC που συνδέεται είτε με ένα ισχυρό ή με ένα ασθενές κυρίως δίκτυο. Για την τελευταία περίπτωση, προτείνεται επίσης ένας κατάλληλο μηχανισμός βρόχου κλειδώματος φάσης (PLL) που συνεισφέρει καθοριστικά στην διατήρηση των συνθηκών συγχρονισμού του τριφασικού μετατροπέα. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη οι περιπτώσεις τοπολογιών διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος (dc-links) που βασίζονται σε τριφασικούς VSCs, ενώ ταυτόχρονα προτείνονται κατάλληλα σχήματα ελέγχου για τις συγκεκριμένες εφαρμογές. Η ευσταθής επίδραση των υλοποιηθέντων σχημάτων ελέγχου στην δυναμική απόκριση του συστήματος κλειστού-βρόχου για τις παραπάνω εφαρμογές αποδεικνύεται υιοθετώντας το ίδιο θεωρητικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται και για την ανάλυση του γενικευμένου μοντέλου σύγχρονων ΣΗΕ. Όπως γίνεται αντιληπτό, όλες οι εξεταζόμενες τοπολογίες είναι απολύτως συμβατές με μια απλούστερη παραλλαγή του γενικευμένου μοντέλου σύγχρονων ΣΗΕ και κατ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν να εξαχθούν άμεσα αυστηρές ιδιότητες ευστάθειας και σύγκλισης των καταστάσεων των δεδομένων συστημάτων. Η περίπτωση φορτίων σταθερής μιγαδικής ισχύος (CPL) διερευνάται επίσης σε σχέση με την προτεινόμενη γενικευμένη αναπαράσταση CIAT. Εξετάζονται διάφορες πτυχές σχετικά με την ανάγκη χαρακτηρισμού ορισμένων φορτίων ως σταθερής μιγαδικής ισχύος στο πρότυπο των σύγχρονων ΣΗΕ, ενώ οι βασικές ιδιότητες τέτοιων φορτίων εξετάζονται λαμβάνοντας υπόψη μια τυπική τοπολογία ελεγχόμενου μετατροπέα ανύψωσης τάσης dc/dc ο οποίος τροφοδοτεί ένα CPL. Τέλος, χρησιμοποιείται η γενικευμένη αναπαράσταση CIAT για την ακριβή μοντελοποίηση μιας ενδεικτικής εφαρμογής ενός σύγχρονου ΣΗΕ, το οποίο διαθέτει ελεγχόμενες διεπαφές μετατροπέων ισχύος καθώς και ηλεκτρομηχανικές συνιστώσες. Σε αυτήν τη διαδικασία, οι αξιοσημείωτες ιδιότητες που συνοδεύουν αυτήν την προσέγγιση μοντελοποίησης αναδεικνύονται πλήρως.