Contribution to Assessment Methods for Low-Frequency Interactions in Inverter Dominated Power Systems

Dans le cadre de l´actuelle transition énergétique, les réseaux électriques ont connu un essor ra-pide du raccordement d'onduleurs de puissance, principalement motivé par l´intégration à grande échelle de production éolienne et solaire ainsi qu´à l´utilisation de systèmes de courant continu à haute tension (HVDC). Même si les onduleurs couplés au réseau peuvent offrir des services réseaux avancés, leurs caractéristiques et dynamiques diffèrent de celles bien connues des composants du système classique. Par conséquent, l'accroissement rapide de leur utilisation change de façon significative la dynamique des réseaux électriques. Plusieurs événements ont été signalés indiquant des interactions néfastes entre des onduleurs et les réseaux électriques sur lesquels ils sont connectés. Ces incidents, en particulier ceux survenus ces dernières années, démontrent de façon probante la nécessité de revoir substantiellement la planification et les méthodes d'analyse des réseaux électriques afin d'intégrer harmonieusement ces « nouveaux » dispositifs et d'évaluer leur impacts sur les réseaux. Dans ce contexte, un des principaux défis rencontrés auxquels est confronté l'industrie des réseaux électriques est la nécessité de comprendre et d'évaluer correctement et efficacement les risques potentiels de telles interactions indésirables, même si en pratique, pour des raisons de protection de la propriété intellectuelle, peu d'information et des données sur les composants sont disponibles, notamment aussi à cause de l'utilisation de modèles « boîtes noires ». Afin de relever ce défi, des méthodes rapides de détection d´interactions ont été présentées dans plusieurs études. Le recours à des représentations très simplifiées des onduleurs et les réseaux électriques dans ces études rendent toutefois difficile l´application de ces résultats à des cas réels. À cette fin, cette thèse vise à proposer une analyse fondamentale de la stabilité à basse fréquence impliquant des onduleurs raccordés aux réseaux électriques, tout en considérant une représentation détaillé et réaliste des onduleurs et des réseaux.

Abstract

In the framework of ongoing energy transition, power systems have experienced a rapid increase in the use of grid-connected inverters, mostly driven by large-scale integration of wind and solar power plants as well as the use of voltage-sourced converter-based high-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Although grid-connected inverters are capable of providing advanced grid services, their characteristics and dynamics differ from those well-known of classical system components and, thus, their rapid widespread application is significantly changing power system dynamics. Several field events involving grid-connected inverters have been reported, indicating that these devices can adversely interact with existing grid infrastructure. These events, especially those of recent years, are convincing evidence that substantial revision of existing power system planning and study methodologies is required in order to properly address these “new” devices and their impacts in the grid. In this context, one of the major challenges faced by the power system industry is the necessity of correctly and efficiently understanding and assessing potential risks of such adverse interactions, even when in practical cases, mostly due to intellectual property issues, not much information of components is available and protected (i.e., black-box) models are used. Several studies have been reported and approaches for fast interaction screening have been pro-posed to address the aforementioned needs, however, these results mostly relied on oversimplified representations of grid-connected converters and electrical grids, thus, making it difficult to translate findings to practical cases. To address these needs, this thesis aims to contribute with new analyses of low frequency stability phenomena involving grid-connected converters in power systems under detailed and realistic consideration of power equipment. An overview of existing electromagnetic transient (EMT) type benchmark models is provided and an additional benchmark is proposed to address the investigation of low frequency interaction of wind farms connected to series compensated grids.