Towards Plug-and-Play Control of Wind Power Systems: Scalable stability certificate guaranteeing large signal stability for entire wind parks

Abstract

For å redusere den global oppvarming må kraftproduksjonen gå over fra fossile kilder til fornybare energikilder med lavere karbonavtrykk. Det tradisjonelle strømnettet består av store fossildre- vne kraftverk som ofte plassert i nærheten av det største kraftforbruket, f.eks. nær storbyer. Overgangen til fornybare energikilder byr på nye utfordringer. De fornybare energikildene vil sporadisk bli integrert i kraftnettet, potensielt langt unna der det meste av kraften forbrukes, noe som forårsaker mindre forutsigbar kraftproduksjon og mer utfordrende kraftoverføring. Der tradisjonell kraftproduksjon domineres av store synkrongeneratorer med stort treghetsmoment, er de fleste fornybare energikilder koblet til kraftnettet gjennom kraftelektroniske omformere hvor treghetsmomentet ikke kan bidra til stabiliteten regulering i kraftnettet. Den økende innfasingen av fornybar energi har derfor potensialet til å redusere og i verste fall ødelegge stabiliteten og kraftoverføringsevnen til hele kraftsystemet. Derfor er det nødvendig med en ny strategi for å kon- trollere kraftelektroniske omformere som muliggjør en kontinuerlig vekst av distribuerte fornybare energikilder uten at det går på bekostning a stabiliteten i kraftsystemet.

En av disse omformertilkoblede fornybare energikildene er vindkraft, som kan bli en av de største kildene til elektrisk energu i fremtiden. Denne masteroppgaven har som mål å utvikle et skalerbart stabilitetssertifikat som åpner for en plug-and-play-filosofi for en vindpark. Med skalerbart sta- bilitetssertifikat menes det som et sett med kriterier som garanterer stor signalstabilitet for en vindpark som kan bygges ut til ønsket størrelse og kobles til eksternt strømnett uten risiko for ustabilitet. plug-and-play-funksjonen er ment som en tilkoblingsstrategi som gjør det mulig for et system å tilpasse seg endringer med minimale inngrep. Utledningen av stabilitetssertifikatet er basert på en analyse av et vinkraftsystem bestående av en permanent magnet synkrongenerator koblet til fullskala back-to-back to-nivå spenningskildeomformere. Systemet introduserer tre ut- fordrende ulineæriteter: i generatordynamikken, det mekaniske dreiemomentet som genereres av vinden, og i kraftomformerne. Det vises hvordan et slikt vindkraftsystem kan garanteres å være stabilt for store forstyrrelser ved å bruke designkriterier for dempingen i generatoren og regulering- skrav for passivitetsbaserte tilbakekoblingskontrollsløyfer. Det er bevist at ved å tilfredsstille disse stabilitetskriteriene lokalt ved hver vindturbin vil en vindpark bestående av disse vindturbinene også være garantert stabil for store forstyrrelser. Derved er et skalerbart stabilitetssertifikat funnet. Utledningen av stabilitetskriteriene er basert på følgende verktøy fra ulineær systemteori. Passivity brukes som utgangspunkt for kontrolldesign i kombinasjon med port-Hamiltonian modellering. Lyapunovs direkte metode brukes for stabilitetsanalysen, der Lyapunov-kandidatfunksjonen velges basert på energien i systemet. Til slutt brukes grafteori for å utvide modellen fra én vindturbin til en vindpark for å undersøke stabiliteten til et helt system.

I tillegg, sammenligner denne oppgaven i korthet PI-strømkontroll med PI-PBC, ytelses- og sta- bilitetsutfordringene med og uten kaskadekontrollstruktur, og hvordan dempingen i generatoren forbedrer kontrollytelsen.

To reduce global warming, power generation must transition from fossil sources to renewable energy sources with a lower carbon footprint. The traditional power grid structure is comprised of large fossil-fueled power plants often located in the vicinity of the power consumption, such as big cities. The transition to distributed renewable energy sources introduces new challenges. The renewables will be intermittently integrated into the power grid, potentially far away from where most of the power is consumed, causing less predictable power generation and more challenging transmission. Where traditional power generation is dominated by large synchronous generators with large inertia, most renewable energy sources are connected to the power grid through power electronic converters where the inertia cannot contribute to the stability of the power grid. The increasing penetration of renewables, therefore, has the potential to jeopardize the stability and the performance of the entire power system. Therefore, a new strategy for controlling power electronic converters is needed that allows for the continuous growth of distributed renewable energy sources without compromising the stability of the power system.

One of these converter-connected renewable energy sources is wind power, which might become one of the largest power sources in the future. This master thesis aims to develop a scalable stability certificate allowing for a plug-and-play philosophy for a wind park. By scalable stability certificate, it is meant as a set of criteria that guarantee large signal stability for a wind park that can be expanded to the desired size and connected to an external power grid without the risk of instability. The plug-and-play feature is meant as an connection strategy which enables a system to adapt to changes with minimal interventions. The derivation of the stability certificate is based on an analysis of a wind energy conversion system consisting of a permanent magnet synchronous generator connected to full scale back-to-back two-level voltage source converters. The system introduces three challenging non-linearities: in the generator dynamics, the mechanical torque generated by the wind, and in the power converters. It is shown how such a wind energy conversion system can be guaranteed to be stable for large disturbances by using design criteria for the damping in the generator and tuning conditions for passivity-based feedback control loops. It is proven that by satisfying these stability criteria locally at each wind turbine, a wind park consisting of these wind turbines will also be guaranteed to be stable for large disturbances. Thereby, a scalable stability certificate is found.

The derivation of the stability criteria relies on the following tools from non-linear system theory. Passivity is used as a starting point for control design in combination with port-Hamiltonian modeling formalism, which emphasizes the system dissipation, interconnection pattern, and the energy in the system dynamics. Lyapunovs direct method is used for the stability analysis, where the Lyapunov candidate function is inspired by the energy of the system. Lastly, graph theory is used to expand the model from one wind turbine to a wind park to investigate the stability of the entire system.

In addition, this thesis briefly compares PI-current control with PI-PBC, the performance and stability challenges with and without cascaded control structure, and how the damping in the generator improves the control performance.