Development of Accurate Voltage Source-based RMS Models of Type III and Type IV Wind Parks Suitable for Transient Studies

Avec le développement rapide des énergies renouvelables, l'intégration des ressources basées sur des onduleurs (IBR) dans le réseau à tous les niveaux de tension a considérablement augmenté ces dernières années. Parmi les IBR, les parcs éoliens (WP) représentent une part substantielle, leur capacité d'installation augmentant rapidement dans le monde entier. Des convertisseurs électroniques sont généralement nécessaires pour connecter les IBR au réseau électrique. Par exemple, les WP de type IV utilisent des générateurs synchrones (SG) pour produire de l'électricité. Cependant, la sortie des SG est intrinsèquement instable en termes de tension et de fréquence, ce qui nécessite l'utilisation de convertisseurs électroniques pour réguler leur sortie. Contrairement aux SG traditionnels, le comportement des IBR varie selon les différents scénarios, en fonction de la conception de leur contrôleur. Par conséquent, une modélisation précise des IBR est essentielle pour les études de systèmes électriques impliquant l'intégration des IBR. De nombreux outils logiciels existants, tels que les programmes de transitoires électromagnétiques (EMT) et MATLAB Simulink, fournissent des modèles détaillés des WP de type III et de type IV pour les simulations dans le domaine temporel et sont largement utilisés dans les études de systèmes électriques. Cependant, les simulations EMT pour les grands réseaux avec des niveaux élevés d'intégration IBR nécessitent beaucoup de calculs et prennent du temps, ce qui rend certaines études, telles que les analyses d'oscillation de puissance et de stabilité transitoire, difficiles. En revanche, les simulations RMS (Root Mean Square) sont efficaces sur le plan informatique et largement utilisées pour les études de systèmes électriques à grande échelle. Cependant, la plupart des modèles RMS existants de WP sont trop simplifiés, souvent représentés comme des sources de courant contrôlées. Cette simplification excessive peut conduire à des résultats inexacts ou même à des réseaux instables lorsque la pénétration IBR est élevée.

Abstract

With the rapid development of renewable energy, the integration of inverter-based resources (IBRs) into the grid at all voltage levels has increased significantly in recent years. Among IBRs, wind parks (WPs) comprise a substantial portion, with their installation capacity growing rapidly worldwide. Electronic converters are typically required to connect IBRs to the power grid. For example, Type IV WPs use synchronous generators (SGs) to produce power. However, the output of SGs is inherently unstable in terms of voltage and frequency, necessitating the use of electronic converters to regulate their output. Unlike traditional SGs, the behavior of IBRs varies across different scenarios, depending on their controller design. As a result, accurate modeling of IBRs is critical for power system studies involving IBR integration. Many existing software tools, such as electromagnetic transient (EMT) programs and MATLAB Simulink, provide detailed models of Type III and Type IV WPs for time-domain simulations and are widely used in power system studies. However, EMT simulations for large networks with high levels of IBR integration are computationally intensive and time-consuming, making certain studies—such as power swing and transient stability analyses—challenging. In contrast, root mean square (RMS) simulations are computationally efficient and widely used for large-scale power system studies. However, most existing RMS models of WPs are overly simplified, often represented as controlled current sources. This oversimplification can lead to inaccurate results or even unstable networks when IBR penetration is high.