Stability Analysis of Unbalanced Microgrids with Grid-Forming and Grid-Following Electronic Power Converters

Abstract

En la literatura recent no s’ha atorgat prou atenció a l’estudi de l’estabilitat en sistemes de poténcia desequilibrats. Atesa la importància d’aquest escenari, especialment en sistemes de distribució amb generació distribuïda, aquesta tesi reexamina les tècniques emprades mitjançant l’anàlisi modal per a l’avaluació de l’estabilitat en sistemes de potència i exposa com abordar sistemes de potència desequilibrats amb càrregues dependents de la tensió i càrregues de potència constant. El procediment es descriu detalladament i s’aplica a un cas d’estudi simple de baixa tensió (BT) amb convertidors electrònics de potència de formació de xarxa i seguidors de xarxa, juntament amb tres models diferents del llaç de seguiment de fase (PLL) i càrregues desequilibrades, per investigar possibles interaccions entre aquests components. Posteriorment, els resultats es comparen amb els obtinguts mitjançant el popular mètode basat en la impedància. Mentre que aquest últim mètode és més senzill d’implementar utilitzant simulació o dades de camp, el primer mètode esmentat requereix una comprensió integral de les característiques del sistema, però ofereix una millor comprensió del problema. Donat que tots dos mètodes es basen en una aproximació del sistema mitjançant pertorbacions en petita senyal, proporcionen idèntics resultats, però ofereixen informació diferent. Per endinsar-se més en la investigació, es considera un segon cas d’estudi més ampli: un sistema de distribució de baixa tensió definit per CIGRE. En l’anàlisi es fa servir un model exhaustiu desenvolupat en Simulink de la microxarxa, incorporant convertidors electrònics de potència, amb la finalitat d’extreure i examinar els resultats.

En la literatura reciente se ha prestado una atención insuficiente al análisis de la estabilidad en sistemas de potencia desequilibrados. Dada la importancia de este escenario, especialmente en sistemas de distribución con generación distribuida, esta tesis reexamina las técnicas empleadas mediante el análisis modal para la evaluación de la estabilidad en sistemas de potencia, y expone cómo abordar sistemas de potencia desequilibrados con cargas dependientes de tensión, y cargas de potencia constante. El procedimiento se describe en detalle y se aplica a un caso de estudio simple de baja tensión (BT) con convertidores electrónicos de potencia de formación de red y seguidores de red, junto con tres modelos diferentes del bucle de enganche de fase (PLL) y cargas desequilibradas, para investigar posibles interacciones entre estos componentes. Posteriormente, los resultados se comparan con los obtenidos mediante el popular método basado en la impedancia. Mientras que este último método es más sencillo de implementar utilizando simulación o datos de campo, el primer método citado requiere una comprensión integral de las características del sistema, pero ofrece una mejor comprensión del problema. Dado que ambos métodos se basan en una aproximación del sistema mediante perturbaciones en pequeña señal, ambos proporcionan idénticos resultados, pero ofrecen información diferente. Para ahondar más en la investigación, se considera un segundo caso de estudio más amplio: un sistema de distribución de baja tension definido por CIGRE. En el análisis se emplea un modelo exhaustivo desarrollado en Simulink de la microrred, incorporando convertidores electrónicos de potencia, con el propósito de extraer y examinar los resultados.

Insufficient attention has been dedicated to the study of stability in unbalanced power systems within the existing literature. Given the significance of this scenario, particularly in distribution systems featuring distributed generation, this thesis revisits modal analysis techniques for stability assessment in power systems, and explains how to tackle unbalanced power systems with voltage-dependent loads and constant-power loads. The procedure is described in detail and applied to a low-voltage (LV) simple case study with Grid-Forming and Grid-Following electronic power converters, along with three different Phase-Locked-Loop models, and unbalanced loads, to investigate potential interactions among these components. The results are then compared with those obtained with the popular impedance-based method. While the latter is easier to implement using simulation or field data, the former requires a comprehensive understanding of the system’s attributes, but gives a better insight into the problem. Since both methods are based on a small-signal perturbation of the system, they provide identical results, but they discern different information. To delve deeper into the subject, an extended second case study is introduced: an LV CIGRE distribution system. This study employs a comprehensive Simulink model of the microgrid, incorporating electronic power converters, to derive and analyze the results.