Grid-forming converter control for modern high-voltage transmission networks

Abstract

(English) The voltage source converter (VSC) operating in grid-forming (GFM) mode is one of the promising control approaches for the integration of renewable energy sources in future power systems. GFM technology offers numerous advantages due to its inherent voltage-source behavior, enabling improved system stability as well as support for grid restoration services. Technologies capable of providing GFM functionalities include high voltage direct current (HVDC) systems, flexible alternating current transmission systems (FACTS), power park modules (PPMs), and battery energy storage systems (BESS). In recent years, the GFM control concept has gained significant attention due to its potential benefits in grid stabilization and auxiliary services. Several manufacturers are already offering assets with GFM control capabilities; however, the associated control strategies, limitations, and system-level interactions have yet to be comprehensively addressed in the literature. This work focuses on the application of GFM control to HVDC system and static synchronous compensator (STATCOM) integrated with energy storage. First, detailed electromagnetic transient (EMT) models and control implementations of STATCOMs operating in both GFM and grid-following (GFL) modes are presented, along with a generic synchronous condenser model for comparison. Different configurations of voltage and current control loops are analyzed. A complete converter control scheme, including grid-side and internal energy controllers for the MMC topology, is developed and tuned according to TransnetBW GFM requirements, including AC current and DC voltage limiting functions. The system-level performance is evaluated using a developed 9-bus benchmark grid based on the TransnetBW network. Initial time-domain simulations are conducted to improve and refine the GFM-STATCOM control. The impact of different fault locations on the fault ride-through (FRT) performance of the GFM-STATCOM is analyzed and compared using both time-domain simulations and scanning methods. Finally, based on the experience and results obtained from PSCAD modeling, control tuning, and development of the 9-bus benchmark, a set of conformity tests for GFM-STATCOMs is proposed. (Català) El convertidor de font de tensió (VSC) que opera en mode de grid-forming (GFM) és un dels enfocaments de control més prometedors per a la integració de fonts d'energia renovable en els futurs sistemes elèctrics. La tecnologia GFM ofereix nombrosos avantatges a causa del seu comportament inherent de font de tensió, la qual cosa permet una estabilitat del sistema millorada, així com el suport als serveis de restabliment de la xarxa. Les tecnologies capaces de proporcionar funcionalitats GFM inclouen els sistemes d'alta tensió en corrent continu (HVDC), els sistemes de transmissió flexibles de corrent altern (FACTS), els mòduls de parc energètic (PPM) i els sistemes d'emmagatzematge d'energia en bateries (BESS). En els darrers anys, el concepte de control GFM ha guanyat una atenció significativa a causa dels seus beneficis potencials en l'estabilització de la xarxa i els serveis auxiliars. Diversos fabricants ja ofereixen actius amb capacitats de control GFM; no obstant això, les estratègies de control, les limitacions i les interaccions a nivell de sistema associades encara no s'han abordat de manera exhaustiva en la bibliografia. Aquest treball se centra en l'aplicació del control GFM a un sistema HVDC i a un compensador síncron estàtic (STATCOM) integrat amb emmagatzematge d'energia. En primer lloc, es presenten models detallats de transitoris electromagnètics (EMT) i implementacions de control de STATCOMs que operen tant en mode de control de freqüència i fase (GFM) com en mode de seguiment de la xarxa (GFL), juntament amb un model genèric de condensador síncron per a la comparació. S'analitzen diferents configuracions de bucles de control de tensió i corrent. S'ha desenvolupat i ajustat un esquema de control de convertidor complet, que inclou controladors d'energia interns i de la banda de la xarxa per a la topologia MMC, d'acord amb els requisits GFM de TransnetBW, incloent-hi funcions de limitació de corrent altern i de tensió contínua. El rendiment a nivell de sistema s'avalua mitjançant una xarxa de referència de 9 busos desenvolupada basada en la xarxa de TransnetBW. Es duen a terme simulacions inicials en el domini temporal per a millorar i refinar el control del GFM-STATCOM. S'analitza i es compara l'impacte de diferents ubicacions de fallades en el rendiment de la fault ride-through (FRT) del GFM-STATCOM, utilitzant tant simulacions en el domini temporal com mètodes d'escanneig. Finalment, basant-se en l'experiència i els resultats obtinguts de la modelització amb PSCAD, la sintonització del control i el desenvolupament del banc de proves de 9 busos, es proposa un conjunt de proves de conformitat per als GFM-STATCOM. (Español) El convertidor de fuente de voltaje (VSC) operando en modo grid-forming (GFM) es uno de los enfoques de control ms prometedores para la integracin de fuentes de energa renovable en los sistemas elctricos del futuro. La tecnologa GFM ofrece numerosas ventajas debido a su comportamiento inherente de fuente de voltaje, lo que permite una mejora en la estabilidad del sistema, as como el soporte para servicios de restauracin de la red. Las tecnologas capaces de proporcionar funcionalidades GFM incluyen sistemas de corriente continua de alta tensin (HVDC), sistemas de transmisin de corriente alterna flexible (FACTS), mdulos de parques de energa (PPMs) y sistemas de almacenamiento de energa en bateras (BESS). En los ltimos aos, el concepto de control GFM ha ganado una atencin significativa debido a sus posibles beneficios en la estabilizacin de la red y los servicios auxiliares. Varios fabricantes ya estn ofreciendo activos con capacidades de control GFM; sin embargo, las estrategias de control asociadas, las limitaciones y las interacciones a nivel de sistema an no se han abordado de manera exhaustiva en la literatura. Este trabajo se enfoca en la aplicacin del control GFM a sistemas HVDC y compensadores sncronos estticos (STATCOM) integrados con almacenamiento de energa. En primer lugar, se presentan modelos detallados de transitorios electromagnticos (EMT) e implementaciones de control de STATCOMs que operan tanto en modo GFM como en modo grid-following (GFL), junto con un modelo genrico de condensador sncrono para comparacin. Se analizan diferentes configuraciones de bucles de control de voltaje y corriente. Se desarrolla y ajusta un esquema completo de control del convertidor, incluyendo controladores de energa tanto del lado de la red como internos para la topologa MMC, conforme a los requisitos GFM de TransnetBW, incluyendo funciones de limitacin de corriente alterna (AC) y voltaje de corriente continua (DC). El desempeo a nivel de sistema se evala utilizando una red de referencia de 9 barras basada en la red de TransnetBW. Se realizan simulaciones iniciales en el dominio del tiempo para mejorar y refinar el control GFM-STATCOM.Seanaliza y compara el impacto de diferentes ubicaciones de fallas en el rendimiento de fault ride-through (FRT) del GFM-STATCOM utilizando tanto simulaciones en el dominio del tiempo como mtodos de escaneo. Finalmente, basado en la experiencia y los resultados obtenidos del modelado en PSCAD, la sintonizacin del control y el desarrollo de la red de referencia de 9 barras, se propone un conjunto de pruebas de conformidad para los GFM-STATCOMs.