Comparison of droop-based grid-forming and PLL-based grid-following control of VSC during symmetrical fault

Abstract

Denne oppgaven handler om kontroll av spenningsomformere under et feilscenario. Mer spesifikt så handler oppgaven om sammenligning av to forskjellige kontrollmetoder, droop-basert nettdannende kontroll og faselåst-sløyfe basert nettfølgende kontroll. Feilscenarioene vil bli variert for å bestemme karakteristikken til de to forskjellige kontrollmetodene, og for å kvantifisere fordelene og ulempene ved de. Under simuleringen ble det oppdaget vanskeligheter med å begrense feilstrømmene i den nettdannende kontrollmodusen. To enkle måter å begrense feilstrømmene ble funnet ut av, og sammenlignet med hverandre, samt den nettfølgende kontrollmetoden. Sammenligningen er gjort i et scenario gitt av Siemens Energy - Offshore Marine Center. De har felterfaring med droop-basert nettdannende kontrol av spenningsomformere gjennom deres arbeid med å levere kraftsystem og ladesystem til elektriske passasjerferger i Norge. De har opplevd utfordringer knyttet til feilsituasjoner i ytterliggende nett under lading, og dette vil være bakgrunnen for simuleringene som gjøres i denne oppgaven. Scenarioet er modellert i Matlab/Simulink, og analysen gjøres i tids-domenet. Hovedforskjellene mellom kontrollmetodenes evne til å håndtere en symmetrisk feil er knyttet til kontrollmålene deres. Den nettdannende spenningsomformeren vil injisere reaktive strømmer til kraftsystemet for å opprettholde spenningsnivået, mens den nettfølgende spenningsomformeren vil tillate spenningen å falle. Feilstrømbegrensningene ble gjort gjennom å innføre metningsgrenser på foroverkoblingen i spenningsløkka eller fjerne den totalt. Dette gikk veldig på bekostning av prestasjonen til den nettdannende spenningsomformeren, som gjorde at den nettfølgende spenningsomformeren håndterte feilsituasjonen betydelig bedre. Den nettdannende spenningsomformeren var mindre robust når det gjaldt økt feiltid, og hadde en lavere kritisk klareringstid sammenlignet med nettfølgende spenningsomformeren. Effekten av økende feilstørrelse, m.a.o feilstrøm, var mindre skadelig enn effekten av økt feiltid. Den nettfølgende spenningsomformeren sin svakhet ble tydelig da linjeimpedansen ble økt, ettersom den er sterkt avhengig av en god forbindelse til det ytterliggende nettet. Det ble derfor konkludert at uten riktige strømbegrensningsmetoder på den droop-baserte nettdannende spenningsomformeren, så vil den faselåste-sløyfe-baserte nettfølgende spenningsomformeren prestere bedre utenom i scenarioer med høy linjeimpedanse.

This thesis is about controlling of voltage source converters during a fault scenario. More specifically it is about comparing two different control methods, namely droop-based grid-forming control and PLL-based grid-following control. The fault conditions are varied in order to uncover the performance characteristics of the two control methods and quantify their advantages and disadvantages. During the simulation study the difficulty of limiting fault currents in grid-forming control was discovered. Two simple methods of limiting the fault current was discovered, and compared with each other, as well as with the grid-following control. The comparison was done in a scenario provided by Siemens Energy - Offshore Marine Center. They have field experience with operation and control of droop-based grid-forming converters, through their work in delivering power system solutions to electric passenger ferries in Norway. Their challenges related to handling of faults in the outer-lying grid during charging, is the background for the simulation study in this thesis. The scenario was modelled in the Matlab/Simulink environment, and the simulation study performed in the time-domain. The main difference between the control methods ability to handle a symmetrical fault is related to their control objectives. The grid-forming converter injects large reactive currents to prevent the voltage from dropping, whereas the grid-following converter allows the voltage to drop. The fault current limitation was done through saturating or removing the feed-forward term in the voltage control loop. This came at a large cost of performance for the grid-forming control, resulting in a superior ability to handle the fault for the grid-following control. The grid-forming converter had less robustness when it came to varying fault duration, and had a smaller critical clearing time than compared to the grid-following converter. The effect of increasing the fault magnitude, i.e fault current, was less detrimental than increasing the fault duration. The grid-following converters point of weakness was discovered when increasing the line impedance, as it highly dependant on a strong connection to the power grid. It was therefore concluded that without proper fault current limitations techniques in the droop-based grid-forming converter, the PLL-based grid-following converter performs better whenever not exposed to a high impedance grid