Impedance Modelling and Stability Analysis of Virtual Synchronous Machine-based Wind Energy Conversion System

Abstract

Ettersom antallet kraftelektronikkomformere øker på grunn av økningen i variabel fornybar energi, har det en betydelig innvirkning på dynamikken og stabiliteten til kraftsystemer. Siden kraftsystemer tradisjonelt domineres av synkron maskinbasert fysikk og kontroll, bestemmes dynamikken også av responsen til den dominerende synkronmaskinen. Med hvordan kraftomformere er mer sammenkoblet med nettet, er ikke den konvensjonelle modelleringen for kraftsystemdynamikk nok til å fange opp alle de ønskede fenomenene som er tilgjengelige i kraftsystemer.

Denne oppgaven vil undersøke den omformerdrevne stabiliteten til et Synchronverter-basert vindenergikonverteringssystem (WECS) gjennom en state-of-the-art stabilitetsvurderingsmetode: impedansbasert stabilitetsanalyse. De tre hovedmålene med oppgaven er: å utlede impedansmodellen til WECS analytisk; å sammenligne nøyaktigheten til den avledede analytiske modellen med frekvenssveip-modellen; å utføre den omformerdrevne stabilitetsanalysen av WECS-sammenkobling til et AC-svak nett ved å implementere den impedansbaserte stabilitetsanalysen.

En Synchronverter-basert WECS, som er en type IV vindturbin koblet til en uendelig buss, skal modelleres i Simulink. Begge omformerkontrollene vil bruke Synchronverter-algoritmer der Rotor Side Control vil kontrollere DC-linkspenningen og Grid Side Control vil kontrollere den aktive og reaktive kraften som overføres til nettet. Modellen vil bli validert mot Texas Panhandle Wind Farm-scenario.

Impedansmodellen til Synchronverter-baserte WECS vil bli utledet analytisk ved å bruke den matematiske modellen til Synchronverter. Nøyaktigheten til impedansen som oppnås vil bli sammenlignet med impedansen oppnådd gjennom Single-Tone Sinusoidal Frequency Sweep i Simulink. Impedansene vil bli presentert i Modified Sequence Domain.

Begge impedansene som oppnås vil bli brukt til å vurdere den omformerdrevne stabiliteten til WECS for svak AC-nettforbindelse. Generalisert Nyquist Criterion (GNC) vil bli brukt for å undersøke systemenes åpen-sløyfe-polkarakteristikk. Sensitivitetsstudier vil bli utført, hvor tre parametere til systemet vil varieres: Short Circuit Ratio (SCR); virtuell demping; og virtuell treghet.

Resultatene viser at variasjon av SCR påvirker stabiliteten til systemet i stor grad, og at virtuell demping og virtuell treghet egentlig ikke påvirker den omformerdrevne stabiliteten til WECS, spesielt for svak nettsammenkobling. Den enkle impedansmodellen avledet utførte også tilfredsstillende for den omformerdrevne stabilitetsvurderingen siden den fanger opp alle de ønskede stabilitetsfenomenene.

Simuleringsresultatene klarte også å vise at den impedansbaserte teknikken kombinert med GNC er et kraftig verktøy for å vurdere kraftsystemets stabilitet i form av BIBO-stabilitet.

As the number of power electronics converters increases due to the increase in variable renewable energy, it has a significant impact on the dynamics and stability of power systems. Since power systems are traditionally dominated by synchronous machine-based physics and control, the dynamics are also determined by the response of the dominant synchronous machine. With how power converters are more interconnected to the grid, the conventional modelling for power system dynamics is not enough to capture all the desired phenomena available in power systems.

This thesis will examine the converter-driven stability of a Synchronverter-based wind energy conversion system (WECS) through a state-of-the-art stability assessment method: impedance-based stability analysis. The three main objectives of the thesis are: to derive the impedance model of WECS analytically; comparing the accuracy of the derived analytical model with the frequency sweep model; to perform the converter-driven stability analysis of WECS interconnection to an AC weak grid by implementing the impedance-based stability analysis.

A Synchronverter-based WECS, which is a type IV wind turbine connected to an infinite bus, will be modelled in Simulink. Both converter controls will use Synchronverter algorithms where Rotor Side Control will control the DC link voltage and Grid Side Control will control the active and reactive power transmitted to the grid. The model will be validated against the Texas Panhandle Wind Farm scenario.

The impedance model of the Synchronverter-based WECS will be derived analytically using the mathematical model of Synchronverter. The accuracy of the impedance obtained will be compared with the impedance obtained through the Single-Tone Sinusoidal Frequency Sweep in Simulink. The impedances will be presented in the Modified Sequence Domain.

Both impedances obtained will be used to assess the converter-driven stability of the WECS for weak AC grid interconnection. Generalized Nyquist Criterion (GNC) will be used to examine the systems' open-loop-pole characteristics. Sensitivity studies will be performed, where three parameters of the system will be varied: Short Circuit Ratio (SCR); virtual attenuation; and virtual inertia.

The results show that variation of SCR affects the stability of the system to a large extent, and that virtual damping and virtual inertia do not really affect the converter-driven stability of WECS, especially for weak grid interconnection. The simple impedance model derived also performed satisfactorily for the converter-driven stability assessment since it captures all the desired stability phenomena.

The simulation results also managed to show that the impedance-based technique combined with GNC is a powerful tool for assessing the power system's stability in the form of BIBO stability.