Stability Assessment of a Microgrid

Abstract

Det økte fokuset på klimagassutslipp har ført til forandringer i kraftindustrien. I dag ser vi en økende integrering av fornybare energikilder for å sikre en grønnere energisektor. For å muliggjøre denne overgangen vil kraftelektronikk være en viktig nøkkel for å innfri de nye kravene til framtidens nett som innebærer høyere ytelse, større pålitelighet og kontrollerbarhet. Imidlertid fører den voksende andelen kraftelektronikk også til problemer med kraftkvalitet og stabilitet.

Fokuset til denne oppgaven er å gjenkjenne ulike kilder til ustabilitet og å forstå viktigheten av en forhåndsvurdering av et systems stabilitet. Videre fokuseres det på stabilitetsanalyse i frekvensdomenet og den impedansbaserte stabilitetsanalysen er introdusert som en metode for å forutsi stabiliteten til et system dominert av kraftelektronikk.

I denne oppgaven har stabiliteten til en strømstyrt omformer, en spenningsstyrt omformer, et mikrogrid tilkoblet nettet og et mikrogrid frakoblet nettet blitt undersøkt. Ved hjelp av den impedansbaserte stabilitetsanalysen har påvirkningen til system- og kontrollparametre blitt belyst og årsaken til ustabiliteten har blitt identifisert. Den forutsagte stabilitetstyrken har blitt verifisert gjennom simuleringer i tidsdomenet. Konklusjonen fra analyseresultatene er at den impedansbaserte stabilitetsanalysen egner seg som et godt og nøyaktig verktøy til bruk for å vurdere stabiliteten til de undersøkte systemene.

The increased focus on environmental pollution has also led to changes in the power industry. Today, it can be observed an increased integration of renewable energy sources to ensure a greener energy sector. The enabling technology is power electronics which can fulfill the new requirements of the future grid, including improved performance, higher reliability and controllability. However, the emerging proportion of power electronics also lead to power quality and stability issues, such as harmonic oscillations.

The focus of this thesis is to recognize sources of instability and to understand the importance of preliminary stability assessment of systems dominated by power electronics. Furthermore, it focuses on small-signal stability analysis in the frequency domain and introduces the impedance-based stability analysis as a method to predict the stability of a power electronics dominated system.

Throughout this thesis, the stability of a current controlled voltage source converter (VSC), a voltage controlled VSC, a grid connected microgrid and an islanded microgrid is investigated. The impact on the stability from control and system parameters are researched applying the impedance-based stability method. Additionally, the thesis identifies the causes of instability and predicts the stability strength of the systems. The predicted stability is further verified by time domain simulations and the method is proven to be accurate and useful as a tool to help assess the stability of the investigated systems.