Computational analysis of modern power systems with power electronics
Authors:   , Song Jie 
Published: February 2024

(English) Modern power systems have been and will continue to be increasingly penetrated with power electronics at different voltage levels. Such high penetration of power electronics elements changes the nature of modern power systems as they can operate in different control modes, which introduces non-linear operation characteristics to the grid. In addition, power electronics converters saturate current in case of being overloaded or under the fault, which results in various current saturation states of converters' operation. In such context, a different methodology is desired for steady-state computational analysis of power systems with high penetration of power electronics.

This thesis deals with the challenge of computational analysis of power systems with power electronics. A systematic approach has been proposed for short-circuit calculation of power systems with a significant penetration of power electronics converters.

Firstly, an element-based formulation has been presented to model the studied system for steady-state analysis where the operation of power converters are included. In particular, various current saturated states of power converters are modeled with different equations.

Then, two different methodologies have been proposed to search for equilibrium points that satisfy converters' operation limits by solving systems of equations corresponding to various converters' current saturation states. In particular, a comprehensive methodology traverses all possible combinations of converters' current saturation states and could identify all possible equilibrium points. An efficient methodology goes through only selected combinations iteratively and identifies only one equilibrium point. Case studies have been presented with balanced three-phase systems, unbalanced three-phase systems and hybrid AC/DC systems with a VSC-HVDC link.
Finally, a novel grid equivalent has been proposed based on voltage-current (U-I) characteristic as an alternative of the conventional Thévenin equivalent. The grid equivalent representation could accurately capture the complex operation characteristics of power electronics converter and is suitable for both balanced and unbalanced power systems.

(Español) Los sistemas eléctricos de potencia modernos han sido y seguirán siendo penetrados cada vez más con electrónica de potencia a diferentes niveles de tensíon. Esta alta penetración de elementos electrónicos de potencia cambia el carácter de los sistemas eléctricos de potencia modernos, ya que pueden funcionar en diferentes modos de control, lo que introduce características de operación no lineal en la red. Además, los convertidores de electrónica de potencia saturan la corriente en caso de sobrecarga o cortocircuito, lo que da como resultado varios estados de saturación de corriente en la operación de los convertidores. En tal contexto, se necesita una metodología diferente para el análisis computacional en estado estacionario de sistemas eléctricos de potencia con alta penetración de electrónica de potencia.

Esta tesis se desarrolla en relación al reto del análisis computacional de sistemas de potencia con electrónica de potencia. Se ha propuesto un metodología sistemática para el cálculo de cortocircuitos de sistemas de potencia con una penetración significativa de convertidores de electrónica de potencia.

Primeramente, se ha presentado una formulación basada en elementos para modelar el sistema estudiado en el análisis estacionaria incluyendo la operación de convertidores de potencia. En particular, la saturación de corriente de convertidores se modela en varios estados representados con diferentes ecuaciones.

Luego, se han propuesto dos metodologías diferentes para buscar puntos de equilibrio que pueden satisfacer los límites de operación de los convertidores resolviendo los sistemas de ecuaciones correspondientes a los estados de saturación de corriente de varios convertidores. En particular, una metodología detallada atraviesa todas las combinaciones posibles de estados de saturación de corriente de los convertidores y podría identificar todos los puntos de equilibrio posibles. Una metodología eficiente pasa iterativamente solo por combinaciones seleccionadas e identifica solo un punto de equilibrio. Se han presentado casos de estudio con sistemas trifásicos equilibrados, sistemas trifásicos desequilibrados y sistemas híbridos AC/DC con una conexión VSC-HVDC.
Finalmente, se ha propuesto un nuevo equivalente de red basado en la característica tensión-corriente (U-I) como alternativa al equivalente convencional de Thévenin. La representación equivalente a la red podría capturar precisamente características complicadas de operación del convertidor de electrónica de potencia y es adecuada tanto para sistemas de potencia equilibrados como desequilibrados.