Grid-forming strategies for renewable energy sources

Abstract

(English) Modern power systems are increasingly integrating a larger share of renewable energy resources to mitigate climate change. These renewable resources are gradually replacing conventional power plants, which employ synchronous machines for power generation. Synchronous generators behave as voltage sources governed by their electromechanical dynamics. Moreover, they possess intrinsic inertia, which stabilizes the network frequency. In contrast, renewable energy sources primarily use power electronics converters to connect to the electrical grid. The behavior of power electronics is dominated by their implemented control strategies, as their physical dynamics are substantially faster. Currently, the most widely used control approach for converters is grid‐following control. This strategy drives converters to behave as current sources. However, the AC network requires voltage sources for operation and stability. Thus, the integration of grid-following converters displaces voltage-source generators with current-source devices, potentially affecting system stability and dynamics. To improve overall network stability, grid‐forming control was introduced. Grid-forming converters operate as voltage sources and may incorporate virtual inertia. Virtual inertia is emulated because power electronics lack rotating mass. Moreover, by behaving as voltage sources, grid-forming converters contribute to system stability. The present thesis provides a fundamental assessment of both grid‐following and grid‐forming control strategies. First, the internal controls of grid-following converters are analyzed, and their key components are defined. Then, different implementations of the internal control strategies of grid-forming converters (synchronization control and voltage control) are explored, and the most suitable configuration is assessed in different chapters. Specifically, a tuning methodology for the voltage control is presented, which accounts for the power electronics' inherent limitations. This methodology is employed to identify the optimal control structure based on the specific configuration of the implemented AC connection filter. Later, the industry-class synchronization controls are examined, focusing on their behavior when employing a frequency estimator. Afterwards, the limitations of renewable resources when operating the power electronics in grid‐forming mode are investigated. To allow renewable energy sources to operate in grid-forming mode despite their limitations, this thesis introduces a Resource‐Aware Grid‐Forming (RAGFM) control. RAGFM strategy aims to maximize the frequency response, considering the resource limitations. The proposed control is validated through various analytical studies and simulations. RAGFM control is also simulated for a single-stage photovoltaic power plant. This topology exhibits a non-linear relationship between the DC-link voltage and power generation, which introduces significant control challenges. Thus, RAGFM operation is validated under this specific operating condition. Finally, the proposed control structure is further validated through experimental results. This work contributes to enhancing the integration of renewable resources through grid-forming control, supporting the transition to a more sustainable energy future.

(Català) Els sistemes elèctrics de potència cada vegada inclouen una proporció més gran de recursos renovables per tal de mitigar el canvi climàtic. Aquests recursos renovables substitueixen progressivament les plantes de generació convencionals, les quals utilitzen màquines síncrones per generar electricitat. Els generadors síncrons es comporten com a font de tensió gràcies a les seves dinàmiques electromecàniques. A més, disposen d’una inèrcia intrínseca que contribueix a estabilitzar la freqüència de la xarxa. En canvi, les fonts d'energia renovables generalment es connecten a la xarxa mitjançant convertidors d'electrònica de potència. El comportament d’aquests convertidors està determinat pel control implementat, ja que les seves dinàmiques físiques són molt més ràpides. Actualment, l'estratègia de control més estesa en electrònica de potència és el control grid-following. Aquesta estratègia fa que els convertidors actuïn com a fonts de corrent. El problema és que les xarxes elèctriques requereixen de fonts de tensió per garantir-ne l'operació i l'estabilitat. Per tant, la integració de convertidors grid-following desplaça generadors que actuen com a fonts de tensió per dispositius que actuen com a fonts de corrent, fet que pot comprometre l’estabilitat i les dinàmiques del sistema. Amb l'objectiu d'incrementar l'estabilitat de la xarxa, es presenta el control grid-forming. Els convertidors amb control grid-forming es comporten com a fonts de tensió i poden incorporar inèrcia virtual. Aquesta inèrcia és emulada, ja que l'electrònica de potència no disposa de massa rotatòria. Gràcies al comportament com a font de tensió, els convertidors grid-forming contribueixen positivament a l'estabilitat del sistema elèctric. Aquesta tesi es presenta de manera fonamental tant el control grid-following com el control grid-forming. Primer, s’estudien els controls interns dels convertidors grid-following i se’n defineixen els components clau. A continuació, s’exploren diferents implementacions dels controls interns dels convertidors grid-forming, concretament el control de sincronització i el control de tensió, avaluant quina configuració és la més adequada en diferents capítols. En particular, es presenta una metodologia de sintonització del control de tensió que té en compte les limitacions del convertidor. S'aprofita aquesta metodologia per definir l'estructura de control més adient en funció del filtre que s'ha utilitzat. Seguidament, s'analitzen els controls de sincronització d'ús industrial, centrant-se en el seu comportament quan s'hi incorpora un estimador de freqüència. Posteriorment, s'aborden les limitacions dels recursos renovables a l'hora d'operar amb el control grid-forming. Per tal de permetre que aquests recursos operin en mode grid-forming, la tesi presenta un control grid-forming que és conscient del recurs renovable (RAGFM). El RAGFM maximitza la resposta freqüencial tenint en compte les restriccions del recurs. Aquesta estratègia de control s'ha validat amb diversos estudis analítics i simulacions. El control RAGFM també s'ha simulat amb una planta fotovoltaica d'etapa única. Aquesta topologia presenta una relació no lineal entre la tensió del bus de corrent continu i la generació de potència, cosa que introdueix reptes de control significatius. Així, l’operació del RAGFM s’ha validat en aquestes condicions específiques. Finalment, el RAGFM també ha estat validat mitjançant resultats experimentals. Aquest treball contribueix a la integració dels recursos renovables mitjançant el control grid-forming, donant suport a la transició cap a un futur energètic més sostenible.

(Español) Los sistemas eléctricos de potencia incluyen cada vez una mayor proporción de recursos renovables con el objetivo de mitigar el cambio climático. Estos recursos renovables sustituyen progresivamente a las plantas de generación convencionales, las cuales utilizan máquinas síncronas para generar electricidad. Los generadores síncronos se comportan como fuentes de tensión gracias a sus dinámicas electromecánicas. Además, disponen de una inercia intrínseca que contribuye a estabilizar la frecuencia del sistema eléctrico. En cambio, las fuentes de energía renovables generalmente se conectan a la red mediante convertidores de electrónica de potencia. El comportamiento de estos convertidores está determinado por el control implementado, ya que sus dinámicas físicas son mucho más rápidas. Actualmente, la estrategia de control más extendida en electrónica de potencia es el control grid-following. Esta estrategia hace que los convertidores actúen como fuentes de corriente. El problema es que las redes eléctricas requieren fuentes de tensión para garantizar su operación y estabilidad. Por lo tanto, la integración de convertidores grid-following desplaza generadores que actúan como fuentes de tensión por dispositivos que actúan como fuentes de corriente, lo cual puede comprometer la estabilidad y las dinámicas del sistema. Con el objetivo de incrementar la estabilidad del sistema eléctrico, se presenta el control grid-forming. Los convertidores con control grid-forming se comportan como fuentes de tensión y pueden incorporar inercia virtual. Esta inercia es emulada, ya que la electrónica de potencia no dispone de masa rotatoria. Gracias a su comportamiento como fuente de tensión, los convertidores grid-forming contribuyen positivamente a la estabilidad del sistema eléctrico. Esta tesis presenta de forma fundamental tanto el control grid-following como el control grid-forming. Primero, se estudian los controles internos de los convertidores grid-following y se definen sus componentes clave. A continuación, se exploran diferentes implementaciones de los controles internos de los convertidores grid-forming, concretamente el control de sincronización y el control de tensión, evaluando cuál es la configuración más adecuada en distintos capítulos. En particular, se presenta una metodología de sintonización del control de tensión que tiene en cuenta las limitaciones del convertidor. Se aprovecha esta metodología para definir la estructura de control más adecuada en función del filtro que se haya utilizado. Seguidamente, se analizan los controles de sincronización de uso industrial, centrándose en su comportamiento cuando se incorpora un estimador de frecuencia. Posteriormente, se abordan las limitaciones de los recursos renovables a la hora de operar con control grid-forming. Para permitir que estos recursos operen en modo grid-forming, la tesis presenta un control grid-forming consciente del recurso renovable (RAGFM). El RAGFM maximiza la respuesta frecuencial teniendo en cuenta las restricciones del recurso. Esta estrategia de control ha sido validada mediante diversos estudios analíticos y simulaciones. El control RAGFM también ha sido simulado con una planta fotovoltaica de etapa única. Esta topología presenta una relación no lineal entre la tensión del bus de corriente continua y la generación de potencia, lo que introduce retos de control significativos. Así, el funcionamiento del RAGFM ha sido validado en estas condiciones específicas. Finalmente, el RAGFM también ha sido validado mediante resultados experimentales. Este trabajo contribuye a la integración de los recursos renovables mediante el control grid-forming, apoyando la transición hacia un futuro energético más sostenible.