Stability analysis of modern power systems

Abstract

(English) The massive installation of converter-based resources, such as wind and solar photovoltaic power plants and High Voltage Direct Current (HVDC) systems, is resulting in a profound transformation of power systems and their operation. In this context of modern power-electronics-dominated power systems, the converters’ control will play a key role in their performance and stability. This thesis focuses on the stability analysis of converter-dominated power systems, encompassing both small-signal and transient stability, aiming to understand the fundamental operation and limitations of such modern power systems. First, the two most extended Voltage Source Converter’s (VSC) control approaches, grid-following (GFOL) and grid-forming (GFOR), are compared via time domain simulations under different disturbances to identify the main characteristics and potential limitations of both control strategies. Regardless of the converter’s control selected, power system stability must always be ensured, both for small-signal and transient disturbances. In this work, thorough fundamental small-signal analysis are conducted to understand the principles governing network stability in converter-dominated power systems. For this purpose, a methodology to build accurate EMT linear state-space models of large power systems has been implemented. Using these models, a detailed analysis is developed to identify the stability limits of grid-following operation in an essential system, investigating the influence of the VSC’s controllers on the system stability, revealing the main mechanisms of interaction and identifying the minimum synchronous generation to ensure system stability. This work is later extended to a larger power system with several generators in presence of an HVDC link. To this end, an index-based methodology has been developed, which determines the steady-state, small-signal and transient analysis regions of stability. Additionally, previous publications have proved that grid-forming operation can improve power system stability for high penetrations of converters. In this thesis, a comprehensive study of frequency dynamics in modern low-inertia power systems is provided, revealing that the VSC’s dominance can be an opportunity to shape frequency dynamics, which can be designed to follow the desired response. However, considering the GFOR converter’s limitations can lead to synchronisation loss. Therefore, this work analyses the risk of synchronisation loss during frequency excursions for droop-based GFOR converters when active power limitations are considered. In addition, a control modification is proposed to extend the operation frequency range of GFOR converters. Finally, a transient stability study is performed for a future HVDC system that will connect the Balearic power system to the Spanish peninsula. In this realistic scenario, both GFOL and GFOR operation modes are studied, considering several contingencies in the system, such as faults in different locations and line disconnections.

(Català) La instal·lació massiva de convertidors de potència, com les centrals eòliques i solars fotovoltaiques i els sistemes de corrent continu d'alta tensió (HVDC), està donant lloc a una profunda transformació dels sistemes elèctrics i del seu funcionament. En aquest context de sistemes de potència moderns dominats per l'electrònica de potència, el control dels convertidors jugarà un paper clau en el seu comportament i estabilitat. Aquesta tesi se centra en l'anàlisi de l'estabilitat dels sistemes de potència dominats per convertidors, abastant tant l'estabilitat de senyal petit com l'estabilitat transitòria, amb l'objectiu d'entendre el funcionament fonamental i les limitacions d'aquests sistemes de potència moderns. En primer lloc, es comparen les dos estratègies de control del convertidor de font de tensió (VSC) més emprades a la literatura, el seguiment de la xarxa (grid-following, GFOL) i la formació de la xarxa (grid-forming, GFOR), mitjançant simulacions en el domini del temps sota diferents pertorbacions per identificar les característiques principals i les limitacions potencials d'ambdues estratègies de control. ndependentment del control del convertidor seleccionat, sempre s'ha de garantir l'estabilitat del sistema elèctric, tant per a pertorbacions de petit senyal com per a transitòries. En aquest treball, es duen a terme una anàlisi fonamental de petit senyal per entendre els principis que regeixen l'estabilitat de la xarxa en sistemes elèctrics de potència dominats per convertidors. Amb aquest propòsit, s'ha implementat una metodologia per construir models lineal d'espai d'estat lineals de grans sistemes de potència que permeten capturar amb precisió las dinàmiques electromagnètiques (EMT). Amb aquests models, es desenvolupa una anàlisi detallada per identificar els límits d'estabilitat de l'operació grid-following en un sistema essencial, investigant la influència dels controladors del convertidor en l'estabilitat del sistema, revelant els principals mecanismes d'interacció i identificant la generació síncrona mínima per garantir estabilitat del sistema. Aquest treball s'amplia posteriorment a un sistema elèctric més complex, amb diversos generadors i en presència d'un enllaç HVDC. Per a això, s'ha desenvolupat una metodologia basada en índexs, que determina les regions d'estabilitat en estat estacionari, de petit senyal i d'anàlisi transitòria. Per altra banda, estudis previs a la literatura han demostrat que l'operació grid-forming pot millorar l'estabilitat del sistema elèctric per a altes penetracions dels convertidors. En aquesta tesi, s'ofereix un estudi exhaustiu de la dinàmica de freqüència en sistemes de potència de baixa inèrcia, que revela que el domini dels convertidors pot ser una oportunitat per dissenyar la dinàmica de freqüència. No obstant això, considerar les limitacions del convertidor GFOR pot provocar una pèrdua de sincronització. Per tant, aquest treball analitza el risc de pèrdua de sincronització durant grans desviacions de freqüència per als convertidors GFOR basats droop quan es consideren limitacions de potència activa. A més, es proposa una modificació de control per ampliar el rang de freqüència de funcionament d’aquests convertidors. Finalment, es realitza un estudi d'estabilitat transitòria per a un sistema HVDC futur que connectarà el sistema elèctric balear amb la península ibèrica. En aquest escenari realista, s'estudia el comportament del convertidor operant tant en mode GFOL com en GFOR, considerant diverses contingències del sistema, com desconnexions de diversos generadors, faltes en diferents ubicacions i desconnexions de línies.