A Comparison of Grid-Forming and Grid-Following Control for BESS-STATCOM On Industrial Isolated Grids
Master thesis
Date
2024Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2565]
Abstract
Integrasjonen av fornybare energikilder og energilagringssystemer har revolusjonert dynamikken i kraftnett, og krever mer avanserte kontrollstrategier for spenningskildeomformere (VSC-er) i nett-tilkoblede systemer. Spesielt Norges økende avhengighet av en blanding av fornybare energikilder og den resulterende utviklingen av isolerte nett tilkoblet disse bærekraftige energikildene, understreker viktigheten av effektive VSC-kontroller for å sikre nettstabilitet og pålitelighet. Denne avhandlingen presenterer den sammenlignende ytelsen til nett-følgende og nett-dannende kontrollmetoder for et 5 MVA batterilagringssystem (BESS) koblet med en statisk synkron kompensator (STATCOM) for et industrielt isolert nett under varierende kortslutningsforhold (SCR).
Studiene som er utført i denne avhandlingen, omfatter utvikling av Simulink-modeller for både nettfølgende og nettdannende kontroller og sammenligning av deres ytelse under varierende nettstyrke. Resultatene viser at nettfølgende regulering med en faselåst sløyfe (PLL) har problemer i svake nett, noe som resulterer i dårlig strømkvalitet og ustabilitet. Den fungerer imidlertid godt i sterke nett. Omvendt utmerker nettdannende regulering seg i svake nett ved at den genererer sine egne spennings- og frekvensreferanser, noe som sikrer stabil kraftleveranse og minimerer frekvensproblemer. I sterke nett utfordres imidlertid kontrollautoriteten, noe som resulterer i ustabilitet og redusert ytelse.
I tillegg vurderer studien kontrollene under transienter ved oppstart av motorer, og viser at nettdannende kontroll gir bedre resultater ved å minimere spenningsfall og opprettholde systemfrekvensen mer effektivt enn nettfølgende kontroll. Forskningen konkluderer med at selv om hver kontrollstrategi har sine styrker og svakheter avhengig av nettforholdene, gir nettdannende kontroll en mer robust løsning for svake nett og under transienter, mens nettfølgende kontroll er bedre egnet for sterke nettmiljøer og stasjonære scenarier. Simuleringene viser at nettforming opprettholder spenningsfallet på over 0,9 per enhet under oppstart av motoren i den implementerte modellen, mens denne verdien synker til 0,86 per enhet i tilfellet med nettfølging. Videre ble det også observert en frekvensforbedring ved nettdannende kontroll, noe som gjør dette til et bedre valg for nett med lastendringer. The integration of renewable energy sources and energy storage systems has revolutionized the dynamics of power grids, requiring more advanced control strategies for voltage source converters (VSCs) in grid-connected systems. Particularly, Norway’s increasing growing dependence on the mixture of renewable energy sources and the resulting development of isolated grids connected to these sustainable energy sources highlight the importance of efficient VSC controls to ensure grid stability and reliability. This thesis presents the comparative performance of grid-following and grid-forming control methods for a 5 MVA Battery Energy Storage System (BESS) coupled with a Static Synchronous Compensator (STATCOM) for an industrially isolated grid under varying Short Circuit Ratio (SCR) conditions.
The studies performed in this thesis include developing Simulink models for both grid-following and grid-forming controls and comparing their performance under varying grid strengths. The results obtained indicate that grid-following control with a phase-locked loop (PLL) faces issues in weak grids which results in poor power quality and instability. However, it performs well in strong grids. Conversely, grid-forming control excels in weak grids by generating its own voltage and frequency references, ensuring stable power delivery and minimizing frequency issues. However, in strong grids, its control authority is challenged, resulting in instability and reduced performance.
Additionally, the study assesses the controls during motor startup transients, revealing that grid-forming control performs better by minimizing voltage drops and maintaining system frequency more effectively than grid-following control. The research concludes that while each control strategy has its strengths and weaknesses depending on grid conditions, grid-forming control provides a more robust solution for weak grids and during transients, whereas grid-following control is better suited for strong grid environments and steady-state scenarios. The simulations show that grid-forming maintains the voltage drop above 0.9 per unit during motor startup in the implemented model, whereas in the case of grid-following, this value decreases to 0.86 per unit. Furthermore, frequency improvement was also observed in the case of grid-forming control making it a preferable choice for grids with load changes.