Small signal analysis of converter-dominated power systems

Autor: Yang, Huoming
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-16291
Popis: The legacy power systems are dominated by synchronous generators providing inertia support, frequency and voltage regulation capabilities. The linear time-invariant (LTI) modal analysis has been widely and successfully applied to their small-signal models for the stability and resonance evaluation. Driven by concerns about global climate changes, the modern power system is undergoing the transition in generation technology from fossil fuel-based generation to renewable generation. The number of power electronic converters used for the integration of renewable energy sources has gradually increased to a significant level. The multiple-timescale control loops of converters cause cross interactions with dynamics of loads and power networks. Moreover, frequency coupling effects caused by converter controllers, the pulse-width modulation process and unbalanced operation conditions further increase the system complexity, which makes the modern converter-dominated power grids become complex nonlinear time-periodic (NLTP) systems. The classical LTI theory based modeling, analysis and design approaches become frangible and less valid. To precisely describe dynamics of converter-dominated power systems operated under different conditions, a linear time-periodic (LTP) modeling framework is developed in the complex-valued domain. The classical modal analysis for the LTI system is generalized to the LTP system. Accordingly, definitions and expressions of damping ratio, participation factor and eigenvalue sensitivity are modified. A time-domain physical interpretation of the LTP system is proposed to quantitatively confirm the necessity of its application. Two accurate and efficient LTP eigenvalue calculation methods are developed, paving the way for easier application of LTP theory. The proposed stability analysis method has been tested with grid-following converter to investigate the interaction between different phase-locked loops, current controllers and power networks on the system stability, and with grid-forming converter to investigate the interaction between its outer power loop and inner voltage-current loop. To evaluate the impact of integration of converters on harmonic resonances of future power systems, analytical closed form of the harmonic transfer matrix (HTM) is deduced to describe the relation between Fourier series coefficients of inputs and outputs of the LTP system. The classical resonance mode analysis (RMA) is generalized by replacing the constant system impedance matrix with a time-periodic matrix obtained from the reformulation of the HTM. The LTP modal analysis leads to the extension of the participation analysis and the sensitivity analysis for resonance frequency identification and resonance severity evaluation of LTP systems. The proposed method is tested with an exemplary multiple-converter system to investigate the impact of the converter controller, the LCL filter and the passive network on the resonance behavior, considering balanced and unbalanced operation conditions. Generalized eigenvalue sensitivity and participation factor analysis provides guidelines for the control parameter and structure optimization of the LTP system. A linear programming problem is formulated by using eigenvalue and damping ratio sensitivity indices to shift critical eigenvalues towards the left-half of the complex plane without degrading the damping performance. Moreover, auxiliary damping loop is designed based on participation analysis results to extend stability margins. The theoretical analysis is confirmed by cross-validation between stability and resonance evaluation results obtained from numerical models, analytical models and hardware measurements.
Das konventionelle Stromnetz wird von Synchrongeneratoren dominiert, die Trägheitsunterstützung, Frequenz- und Spannungsregelung bieten. Die lineare zeitinvariante (engl.: linear time-invariant, LTI) Modalanalyse wurde weithin und erfolgreich auf ihre Kleinsignalmodelle für die Stabilitäts- und Resonanzbewertung angewandt. Vor dem Hintergrund der globalen Klimaveränderung vollzieht sich in modernen Stromnetzen ein technologischer Wandel von der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen hin zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die Zahl der leistungselektronischen Umrichter, die für die Integration erneuerbarer Energiequellen eingesetzt werden, hat allmählich ein signifikantes Ausmaß erreicht. Die mehrstufigen Regelkreise von Umrichtern verursachen Wechselwirkungen mit der Dynamik von Lasten und Stromnetzen. Darüber hinaus erhöhen Frequenzkopplungseffekte, die durch Umrichterregler, den Pulsbreitenmodulationsprozess und unsymmetrische Betriebsbedingungen verursacht werden, die Systemkomplexität weiter, wodurch die modernen, von Umrichtern dominierten, Stromnetze zu komplexen nichtlinearen zeitperiodischen (engl.: nonlinear timeperiodic, NLTP) Systemen werden. Die klassischen, auf der LTI-Theorie, basierenden Modellierungs-, Analyse- und Entwurfsansätze werden angreifbar und verlieren an Gültigkeit. Um die Dynamik von umrichterdominierten Stromnetzen, die unter verschiedenen Bedingungen betrieben werden, genau zu beschreiben, wird ein linearer zeitperiodischer (engl.: linear timeperiodic, LTP) Modellierungsrahmen im komplexwertigen Bereich entwickelt. Die klassische Modalanalyse für das LTI-System wird auf das LTP-System verallgemeinert. Dementsprechend werden die Definitionen und Ausdrücke des Dämpfungsgrads, des Partizipationsfaktors und der Eigenwertsensitivität modifiziert. Es wird eine physikalische Interpretation des LTP-Systems im Zeitbereich vorgeschlagen, um die Notwendigkeit seiner Anwendung quantitativ zu bestätigen. Es werden zwei genaue und effiziente LTP-Eigenwertberechnungsmethoden entwickelt, die den Weg für eine einfachere Anwendung der LTP-Theorie ebnen. Die vorgeschlagene Stabilitätsanalysemethode wurde mit netzfolgenden Umrichtern getestet, um die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Phasenregelkreisen, Stromreglern und Stromnetzen auf die Systemstabilität zu untersuchen, und mit netzbildenden Umrichtern, um dieWechselwirkung zwischen dem äußeren Leistungsregelkreis und dem inneren Spannungs-Strom-Regelkreis zu untersuchen. Um die Auswirkungen der Integration von Umrichtern auf die harmonischen Resonanzen künftiger Stromnetzen zu bewerten, wird eine analytisch geschlossene Form der harmonischen Übertragungsmatrix (engl.: harmonic transfer matrix, HTM) abgeleitet, um die Beziehung zwischen den Fourierkoeffizienten der Ein- und Ausgänge des LTP-Systems zu beschreiben. Die klassische Resonanzmodenanalyse (engl.: resonance mode analysis, RMA) wird verallgemeinert, indem die konstante Systemimpedanzmatrix durch eine zeitperiodische Matrix ersetzt wird, die sich aus der Umformulierung der HTM ergibt. Die LTP-Modalanalyse führt zu einer Erweiterung der Partizipationsanalyse und der Sensitivitätsanalyse zur Identifizierung der Resonanzfrequenz und zur Bewertung des Einflusses dieser Resonanzfrequenzen. Die vorgeschlagene Methode wird mit einem beispielhaften Mehrfachumrichtersystem getestet, um die Auswirkungen des Umrichterreglers, des LCL-Filters und des passiven Netzwerks auf das Resonanzverhalten zu untersuchen, wobei symmetrische und unsymmetrische Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Die verallgemeinerte Eigenwertsensitivitäts- und Partizipationsfaktoranalyse liefert Leitlinien für die Optimierung der Regelparameter und der Struktur des LTP-Systems. Ein lineares Programmierproblem wird unter Verwendung von Eigenwert- und Dämpfungsgrad-Sensitivitätsindizes formuliert, um kritische Eigenwerte in Richtung der linken Halbebene zu verschieben, ohne die Dämpfungsleistung zu verschlechtern. Darüber hinaus wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Partizipationsanalyse eine Hilfsdämpfungsschleife entworfen, um die Stabilitätsbereiche zu erweitern. Die theoretische Analyse wird durch eine Kreuzvalidierung von Stabilitäts- und Resonanzbewertungsergebnissen aus numerischen Modellen, analytischen Modellen und Hardwaremessungen bestätigt.
Databáze: OpenAIRE
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