Stabilitetsvurdering ved Nettimpedansmetoden og Adaptiv Kontroll

Abstract

I løpet av de siste tiårene har mengden kraftomformere i det elektriske kraftnettet økt raskt. En økende del av effekten i nettet sendes også gjennom slike omformere da økende mengder fornybar kraft introduseres. Denne nødvendige økningen i fornybar kraft skaper derimot nye utfordringer for omformerne. Dette er fordi mye av den fornybare kraften installeres under veldig varierende nettforhold. Det har vært flere hendelser med uforutsett ustabilitet i slike systemer. Det anses som sannsynlig at flere av disse er forårsaket av resonans mellom omformeren og nettimpedansen. Tiltak burde iverksettes for å unngå slike hendelser om den ønskede økningen i fornybar kraft skal kunne fortsette på en trygg måte.

En mulig måte å oppdage slike problemer på er å bruke den såkalte nettimpedansmetoden. I denne avhandlingen undersøkes og forklares det teoretiske grunnlaget for denne metoden. Basert på dette blir også et stabilitetskriterie avledet. An viktig del av dette stabilitetskriteriet er å ha tilgang til den ekvivalente nettimpedansen utenfor omformeren. I virkelige systemer vil denne være ukjent og variere med tiden. Flere mulige måter å estimere nettimpedansen på undersøkes, og «maximum length binary sequence» metoden velges på bakgrunn av anvendbare kriterier. Det teoretiske grunnlaget for den valgte estimeringsmetoden undersøkes og forklares før den implementeres både i datasimuleringer og laboratorieeksperimenter. Den estimerte nettimpedansen viser tett korrelasjon med de teoretiske verdiene for enkle simuleringer uten begrensninger på samplingstid eller dataintegritet. Videre blir det vist at estimeringsmetoden på sin nåværende form ikke er egnet for bruk i oppsett med de nevnte begrensningene på dataintegritet. Dette er også gjelder også for de utførte laboratorieeksperimentene. På grunn av dette ble stabilitetsvurderingene gjort utelukkende ved bruk av teoretiske verdier for nettimpedansen for å unngå falske resultater. Stabilitetsvurderingen viste seg å være nøyaktig innenfor 16\% av sanntidssimuleringer. Det konkluderes med at dette er et akseptabelt avvik da sanntidssimuleringene inneholder elementer som ikke inkluderes i de analytiske modellene. En original adaptiv kontroll prosedyre, basert på den utledede stabilitetsvurderingen, foreslås også mot slutten av avhandlingen. Tester viser at den adaptive kontrollen presterer bra da den øker stabiliteten til omformeren ved hjelp av minimale endringer av omformerens kontrollparametere.

In the last decades, the amount of power electronic converters in the electrical power grid has been growing rapidly. Increasing amounts of power is also being interfaced to the grid through such converters, as more and more renewable energy generation is included in the grid. The necessary increase in renewable power does, however, pose added challenges to the converters. This is because much of the renewable energy is being installed in a vast variation of grid conditions. There has been several accounts of unexpected instabilities in such systems. It is expected that resonance triggered between the converter and grid impedance is a likely cause of several of these events. Measures should be taken to avoid such unexpected instabilities if the desirable increase in renewable energy installation is to continue in a safe way.

One possible solution to assess this problem is the utilization of the so-called grid impedance method. In this thesis, the theoretical foundation of the grid impedance method is examined and explained. Based on this, a stability criteria is deduced. An important part of this stability criteria is knowledge of the equivalent impedance of the power system beyond the converter. For actual systems this impedance will be unknown and time-varying. Several possible methods for estimating this impedance are reviewed and the maximum length binary sequence method is selected, based on applicable criteria. The theoretical foundation of the grid impedance estimation method is examined and explained, before the method is implemented in both simulations and laboratory experiments. The grid impedance estimates exhibited a close match with theoretical values for simple simulations without constraints on sampling time or data-integrity. Furthermore, it was proven that the grid estimation method in its current form is not suitable for application in setups under the above data-integrity constraints. This does unfortunately also include the laboratory experiment. As a consequence of the former, it was decided that the stability assessment should be done exclusively by the use of theoretical values for the grid impedance to avoid false results. Under testing, the developed stability criteria, with theoretical grid impedance values, showed to be accurate within 16% of a real time simulation model. This was concluded to be acceptable as the simulation model contained elements present in actual systems, but which were not included in the analytical model. An original adaptive control procedure, based on the developed stability assessment, is also proposed in this thesis. The adaptive control is based on a graphical interpretation of the developed stability criteria. The proposed adaptive control performed well under testing as it improved the stability of the converter with minimal changes to its parameters.