Impedance-based Methods for Small-signal Analysis of Power Electronics Dominated Systems

Abstract

Kraftsystemet er i endring - vi manglar metodar for å analysere det! Kraftnettet har tradisjonelt hatt ein struktur med store produksjonseiningar tilkopla høgspentnettet, og rollen til nettet har vore å føre denne energiproduksjonen fram til forbrukarane. Denne strukturen er veletablert, men er no i ferd med å endre seg dramatisk. Kraftproduksjonen er meir distribuert, med vind- og solenergi som viktige bidragsytarar. Eit anna element som endrar strukturen til kraftnetttet i stor grad er auka bruk av høgspent likespenningsoverføring (HVDC). Det foregår også mange endringar på forbrukssida, med utrulling av smarte nett og intelligent styring av forbruk som ein fellesnevnar. Ein felles faktor for desse endringane er auka bruk av kraftelektronikk, slik som frekvensomforming, likeretting og vekselretting. Kraftelektronikk er på mange måtar ein døropnar for smarte nett med sin store fleksibilitet og mange muligheiter for styring. Ei utfordring med overgangen til kraftelektronikk-dominerte kraftnett er at nokon av dei tradisjonelle analysemetodane for kraftsystemet ikkje lenger kan nyttast. Denne doktorgraden ønskjer å bidra på dette feltet med nye metodar og betre forståing innan dynamikk- og stabilitetsanalyse. Auka bruk av kraftelektronikk har stor påverknad på kraftnettet sin stabilitet, og dette vil føre til nye utfordringar både ved planlegging og drift. I dag fins det ingen veletablerte metodar for stabilitetsanalyse av kraftelektronikk-dominerte kraftnett, og det er ei viktig forskningsoppgåve å bidra med metodeutvikling. Denne doktoravhandlinga fokuserer på ein lovande metode kalla impedans-basert stabilitetsanalyse. Ein stor fordel med denne metoden er at det er mogeleg å utveksle modellar og data mellom ulike partar utan å avsløre konfidensiell informasjon. Ein anna fordel er at det er mogeleg å validere modellutvikling gjennom lab- og feltmålingar. Målet med avhandlinga er å auke den generelle forståinga for impedans-basert stabilitetsanalyse. Det er fleire ubesvarte spørsmål og oppgåver som må løysast før denne metoden kan bli teken i bruk av andre aktørar enn forskningsmiljø. Resultata frå doktorgradsarbeidet kan delast i følgande tre delar: 1. Utleiing av den generelle samanhengen mellom dei to underkategoriane av impedans-basert stabilitetsanalyse: sekvensbasert og vektorbasert analyse. Herunder er det fleire resultat som viser at sekvensbasert analyse er enklare å anvende, men kan vere mindre nøyaktig for enkelte typar system 2. Ein ny metode for stabilitetsanayse som gjer det mogeleg å hente ut eigenverdiane til eit kraftsystem basert på impedans-ekvivalentar. 3. Ein ny metode som gjer det enkelt å anvende Kirchoffs lover innan vektorbasert impedansanalyse

The power system is changing – analysis methods are missing! The traditional structure of the power system is based on large production units where the main goal of the grid is to bring this production towards the end users. This structure is well established, but is now undergoing a dramatic transition. Production of electric energy is more distributed than before, with wind and solar energy as the main contributors. Another element which changes the structure of the power system is the increasing usage of high voltage DC transmission. Finally, the smart grid paradigm is transforming the end users from passive units into intelligent loads with the ability to respond better to grid requirements and demands. A common factor for all these changes is the increased usage of power electronics, for example frequency conversion, rectification (AD-DC) and inversion (DC-AC). Power electronics can in many ways be viewed as a door opener for smart grids through its great flexibility and many control possibilities. A challenge with the transition into power electronics dominated power systems is that some of the traditional power system analysis methods can no longer be used. This doctoral thesis aims to contribute in this field through new methods and better understanding within stability analysis and dynamic analysis. Increased usage of power electronics has great impact on power system stability, and this will cause new challenges with power system planning and operation. Presently there are no well-established methods for stability analysis of power electronics dominated power systems, hence the research communities has an important task to contribute with methods and modeling framework. This thesis focuses on a promising method called impedance-based stability analysis. A key advantage with this method is the possibility to exchange models and data between parties without revealing confidential information. Another advantage is the ability to validate models through field or laboratory measurements. The objective of the thesis is to increase the general understanding of impedance-based stability analysis. There are several questions and problems to be solved before this method can be widely applied by other groups than the research communities. The thesis results can be divided in three parts: 1. Derivation of the general relation between the two sub-categories of impedance-based stability analysis: sequence impedance and dq impedance. The findings show that sequence impedance is easier to apply than dq-impedance, but can be less accurate for certain types of systems 2. A new method for stability analysis which is able to extract the power system eigenvalues based on impedance equivalents 3. A new method to enable simple usage of Kirchoff laws within dq-based impedance analysis