Impedance-Based Stability Analysis and Adaptive Control of Grid-Connected Converter

Abstract

De siste tiårene har andelen av kraftelektronikk tilkoblet strømnettet økt drastisk, og denne trenden er for- ventet å fortsette i årene som kommer. Hovedårsaken til er dette er den økte integrasjonen av fornybare energikilder, siden mesteparten av disse kildene er koblet til strømnettet via kraftomformere. Kraftomformerne har den egenskapen at de kan transformere energien til en passende form for innmating i strømnettet. Resultatet av dette for å bremse klimaendringer er forventet å være enorm, og det betyr at både produksjon og overføring, men også sluttforbrukere, er mer avhengige av kraftelektronikkteknologi. Samtidig som an- delen nett-tilkoblede omformere fortsetter å øke, vil innvirkningen på strømnettets dynamikk og stabilitet påvirkes i større grad enn før. De siste årene har det vært flere uforutsette hendelser tilknyttet ustabilitet i kraftelektronikk-dominerte strømnett, tilsynelatende grunnet resonans mellom omformeren og strømnettet. For å sørge for en fortsatt integrasjon av fornybare energikilder, må disse problemene studeres nøyere, og passende tiltak må iverksettes for å unngå tilsvarende stabilitetsproblemer i fremtiden.

Det er mange måter å evaluere stabiliteten i interaksjonen mellom strømnettet og omformeren, og en av dem er den såkalte små-signal impedans-baserte stabilitetsmetoden, som er anvendt i denne oppgaven. Første del av oppgaven er derfor dedikert til å utvikle modeller for en spesifikk kraftomformer, og strømnettet, så denne metoden kan bli brukt. Deretter følger hovedbidraget i denne oppgaven, to nye adaptive kontrollmetoder som er basert på å endre kontrollsparemeterne for strømkontrolleren og fase-synkroniserings-kontrolleren basert på impedansestimatet av strømnettet. Etter metodene var utviklet ble de implementert som simuleringer.

Simuleringsverktøyet Matlab ble først brukt til å implementere omformer og strømnett modellene, og så de adaptive kontrollmetodene. Resultatet av den første metoden, som kun endret parameterne i fase-synkroniserings- kontrolleren, viste seg å være effektiv i å øke stabilitetsgrensen for systemet, sammenlignet med andre statiske kontrollmetoder. Men kontrolleren viste dårlig dynamisk ytelse under visse forhold. Den andre metoden endret både fase-synkroniserings-kontrolleren og strømkontrolleren, og resultatet viste seg å være bedre enn alle andre statiske og adaptive metoder den ble sammenlignet med, når det kom til dynamisk ytelse. Til slutt ble begge metodene implementert i tids-domene i form av en Simulink modell. Konklusjonen var at resultatet fra små-signal modellen kunne overføres til Simulink modellen. Også i dette tilfelle viste den multivariable adaptive kontrollmetoden seg i å være overlegen de andre metodene under alle forhold, helt til stabilitetsgrensen var nådd.

Over the last several decades, the penetration of power electronics connected to the grid has increased dramatically, and the trend is expected to further accelerate in the years to come. The main reason is the increased integration of renewable energy sources, as the majority are connected to the grid through power electronic converters due to the converter’s ability to transform the energy from the source to a suitable form for injection to the power grid. The resulting impact in mitigating climate change problems is expected to be enormous, and it means that both generation and transmission, but also the consumers, are increasingly dependent on the power electronics technology. Accordingly, as the number of grid-connected converters continues to increase, so will its impact on power system dynamics and stability. Recently there have been several unexpected events of instability in power electronics dominated grids, apparently due to resonance between the converters and the grid. Therefore, to ensure the continued integration of renewable energy sources, the instability problems should be analyzed, and measures should be taken to avoid similar instability problems in the future.

There are several ways to assess the stability of the interaction between the grid and the converter, and one of them is the so-called small-signal impedance-based stability method, which is studied in this thesis. The first part of this thesis is dedicated to developing appropriate models for a specific converter, and the grid, so that this method can be applied. Then follows the main contributions of this thesis, two novel adaptive control methods based on changing the control parameters for the current controller and the phase-locked loop depending on the grid impedance. After the necessary methods were developed, they were implemented in simulation.

The simulation software Matlab was first used to implement the converter and grid models, then the adaptive control methods. The result of the first method, which only adapts the phase-locked loop parameters, proved to be effective in increasing the stability limit compared to other static methods. However, it also showed poor behavior under certain grid conditions, even compared to simple static methods. The second method adapted both the phase-locked loop and the current controller, and the implementation proved to be superior to all other static and adaptive methods tested. Finally, both of the methods were implemented in the time- domain in form of a Simulink model. In general, the results from the small-signal model translated well to the Simulink model, and also in this case, the second adaptive control method was highly effective under all grid conditions, until the stability limit was reached.