Study of a current limitation strategy for grid-forming inverters in case of short-circuit faults

Abstract

The use of renewable energies and their participation in the electricity market has been increasing in recent years with the aim of achieving a future where 100% of the generation comes from renewable sources. In this new scenario, in which most of the synchronous generators with high inertias will no longer participate, the main reference of the network will have to be formed in an alternative and robust way. Given that renewable energy generation and storage systems require power converters to adapt to an AC grid, they already now shall have power distribution control algorithms based on the network voltage and frequency. On the other hand, a power converter can behave and be modeled as a controlled voltage source or controlled current source according to the variable that is been regulated. In the absence of synchronous generators in the future, the formation and responsibility of a stable grid must be distributed among different converters working as voltage controlled sources with power distribution algorithms. When a converter works as a controlled voltage source, it presents a new challenge in the field of the corresponding control algorithm when facing a fault scenario at the grid side. In the event of a short circuit, the output current of the inverter must be saturated to prevent possible damage of the inverter. This limitation can have consequences for the upper control loops if they are not consistently adapted. This master thesis presents a new control strategy for dealing with short-circuit scenarios by saturating the amplitude of the reference voltage from the droop power distribution loop. In this way, possible windup effects are avoided, which would cause the instability of the system.

El uso de las energias renovables y su participación en el mercado eléctrico viene en aumento durante los últimos años con el objetivo de alcanzar un futuro donde el 100% de la generación provenga de fuentes renovables. En este nuevo escenario, en el cual los generadores síncronos con grandes inercias dejarán de participar en gran medida, la red principal de referencia deberá formarse de una manera alternativa y rebusta. Teniendo en cuenta que los sistemas de generación renovables y almacenamiento de enegia eléctrica requieren de convertidores de potencia para adaptarse a una red AC, estos en la actualidad ya deben contar con algoritmos de control de distribución de potencia en función de la tensión y frecuencia de la red. Por otro lado, un convertidor de potencia puede comportarse y modelarse como una fuente de tensión controlada o fuente de corriente controlada según la variable a monitorizar. En un futuro ausente de generadores síncronos, la formación y responsabilidad de una red estable debe estar distribuida entre los distintos convertidores trabajando como fuente de tensión controlada con algoritmos de distribución de potencia. Cuando un convertidor trabaja como fuente de tensión controlada presenta un nuevo reto en el ámbito del correspondiente algoritmo de control frente a un escenario de falta en el lado de la red. En caso de cortocircuito, la corriente de salida del convertidor debe saturarse para evitar posibles daños de este. Esta limitación, puede tener consecuencias en los lazos de control superiores si estos no son adaptados de forma coherente. Este trabajo presenta una nueva estrategia de control para abordar escenarios de cortocircito mediante la saturación de la amplitud de la tensión de referencia proviniente del lazo de repartición de potencias "droop". De esta forma, se evitan posibles efectos de "windup", los cuales causarian la inestabilidad del sistema.

L'ús de les energies renovables i la seva participació en el mercat elèctric ve en augment durant els darrers anys amb l'objectiu d'assolir un futur on el 100% de la generació provingui de fonts renovables. En aquest nou escenari, en el qual els generadors síncrons amb grans inèrcies deixaran de participar-hi en gran mesura, la xarxa principal de referència haurà de formar-se d'una manera alternativa i robusta. Tenint en compte que els sistemes de generació renovables i emmagatzemament d'energia elèctrica requereixen de convertidors de potència per a adaptar-se a una xarxa AC, aquests en la actualitat ja han de comptar amb algoritmes de control de distribució de potència en funció de la tensió i freqüència de la xarxa. Per altra banda, un convertidor de potència pot comportarse i modelarse segons una font de tensió controlada o font de corrent controlada segons la variable a monitoritzar. En un futur absent de generadors síncrons, la formació i responsabilitat d'una xarxa estable ha d'estar distribuida entre diferents convertidors treballant com a font de tensió controlada amb algoritmes de distribució de potència. Quan un convertidor treballa com a font de tensió controlada presenta un nou repte en l'àmbit del corresponent algoritme de control davant un escenari de falta al costat de la xarxa. En cas de curtcircuit, la corrent de sortida del convertidor s'ha de saturar per a evitar possibles danys d'aquest. Aquesta limitació, pot tenir conseqüènices ens els llaços de control superiors si aquests no són adaptats coherentment. Aquest treball presenta una nova estrategia de control per a afrontar escenaris de curtcircuit mitjançant la saturació de l'amplitud de la tensió de referència provinent del llaç de repartició de potència "droop". D'aquesta forma, s'eviten possibles efectes de "windup", els quals causarien la inestabilitat del sistema.