Impact of solar PV plants with synchronous power controllers on power system stability
Authors:   , Remón Rodríguez Daniel 
Published: July 2023

The irruption of renewable energy sources with power electronics interfaces is transforming power systems. To minimize the possible adverse effects that these generating systems may have on the power grid, transmission system operators define different strategies, such as increasing the active power reserves for frequency control and power balancing purposes, and require all connected systems to comply with various rules and regulations. In an effort to better integrate these renewable sources in power systems, some power converter controllers have been proposed that aim at reproducing certain features of conventional synchronous machines. This work deals with the analysis of the impact that large power-electronics-based power plants, in the range of hundreds of megawatts, have on the stability of power systems. First, the main characteristics of these advanced controllers, sometimes referred to as virtual synchronous machines, are reviewed, and their constituting blocks are systematically classified. This classification allows performing a detailed comparison of different aspects regarding their implementation and dynamics. The proposals usually found in the literature are compared in terms of their need for ancillary synchronization systems, their ability to energize a grid, or their effectiveness to limit the current injected during a fault and keep the converters connected to the grid. Additionally, time-domain simulations comparing the response of power converters employing these controllers are carried out and analyzed. Afterwards, since the study of power system stability requires adequate models of the elements interacting with the system, the modeling of an actual 100 MW photovoltaic power plant, consisting of 100 power converters, is addressed. Thus, a detailed model of the power plant is developed, considering a single-phase equivalent for transient stability studies in balanced systems. This model includes the internal network buses, cables, and transformers, and the power converters with their control systems and primary resources. Moreover, the model is implemented in a flexible way that allows considering power converters employing conventional controllers or synchronous power controllers, and the photovoltaic resource can be replaced by a storage system. Furthermore, a method to derive an equivalent model of power plants employing these advanced controllers is developed, and three equivalent models of the power plant, with different degrees of detail, are implemented employing this method. These models allow reducing the complexity of the original model and its associated computational burden, while reproducing its dynamics with accuracy, making them more suitable for the analysis of power systems with a large number of generating units, loads, passive elements, and controllers. Finally, the stability of power systems integrating this type of generating stations is analyzed. A first analysis is carried out in a 12-bus test system, considering a simpler model of the plant where the photovoltaic characteristics are modeled only through an active power limitation, and comparing the impact of these plants as the solar penetration grows, up to a 50% level. This is followed by the analysis of the power system of northern Chile, considering the actual location of the power plant previously modeled, and including the full detail of the photovoltaic resource. Lastly, the impact of hybrid power plants consisting of a synchronous generator and a photovoltaic system, with different configurations with the possibility of curtailing the solar production or employing a storage system, is assessed. These analyses comprise the study of the eigenvalues of the system and its response to different types of events through time-domain simulation, and prove the ability of the studied controllers to increase the damping of the system , to reduce the oscillations suffered by other generators, and to limit maximum frequency deviations.

La irrupción de fuentes de energía renovables como la energía solar fotovoltaica está transformando los sistemas eléctricos. Para minimizar los posibles efectos adversos sobre la red eléctrica de los sistemas de generación conectados mediante convertidores de electrónica de potencia, los operadores de los sistemas eléctricos definen diferentes estrategias y exigen que todos los sistemas conectados a la red cumplan diferentes normas. Con el objetivo de permitir una mejor integración de estas fuentes renovables, se han propuesto varios controladores de convertidores de potencia que intentan reproducir algunas características de las máquinas síncronas convencionales. Esta tesis trata sobre el análisis del impacto que las centrales eléctricas de grandes dimensiones basadas en electrónica de potencia tienen en la estabilidad de los sistemas eléctricos. En primer lugar, se clasifican estos controladores avanzados, lo que permite realizar una comparación detallada de varios aspectos relacionados con su implementación y su dinámica. Las propuestas más comunes se comparan en cuanto a su necesidad de sistemas de sincronización auxiliares, su habilidad para energizar una red, o su efectividad a la hora de limitar la corriente inyectada durante una falta y mantener los convertidores conectados a la red. Además, se realizan y analizan simulaciones de la respuesta de convertidores de potencia que utilizan estos controladores. A continuación, se presenta el modelado de una planta fotovoltaica real de 100 MW formada por 100 convertidores de potencia, considerando su equivalente monofásico para estudios de estabilidad transitoria en sistemas equilibrados. Este modelo incluye los terminales, cables y transformadores de la red interna, así como los convertidores de potencia con sus sistemas de control y recursos primarios. Además, el modelo está diseñado de manera flexible, permitiendo considerar controladores convencionales o controladores de potencia síncronos, y el recurso fotovoltaico se puede sustituir por un sistema de almacenamiento. Adicionalmente, se desarrolla un método para calcular un modelo equivalente de las centrales eléctricas que utilizan esta clase de controladores avanzados y se obtienen tres modelos equivalentes de la planta, con distintos niveles de detalle. Estos modelos permiten reducir la complejidad del modelo original y su carga computacional asociada, al mismo tiempo que reproducen su dinámica con precisión, haciéndolos más adecuados para el análisis de sistemas eléctricos con un gran número de unidades de generación, cargas, elementos pasivos y controladores. Finalmente, se analiza la estabilidad de sistemas eléctricos que integran este tipo de plantas generadoras. Se lleva a cabo un primer análisis en un sistema de pruebas de doce barras, considerando un modelo más sencillo de la planta donde las características fotovoltaicas se modelan únicamente mediante una limitación de la potencia activa, y se compara el impacto de estas plantas en distintos escenarios con una penetración solar creciente, llegando a un nivel del 50% de la generación total. Después, se analiza el Sistema Interconectado del Norte Grande de Chile, teniendo en cuenta la situación real de la planta modelada previamente e incluyendo el recurso fotovoltaico en detalle. Por último, se evalúa el impacto que pueden tener las plantas híbridas formadas por un generador síncrono y un sistema fotovoltaico, con diferentes configuraciones con la posibilidad de reservar parte de la producción solar o utilizar un sistema de almacenamiento. Estos análisis comprenden el estudio tanto de los valores propios del sistema como de su respuesta a diferentes tipos de eventos mediante simulaciones en el dominio del tiempo, y demuestran la capacidad de los controladores estudiados para incrementar el amortiguamiento del sistema, reducir las oscilaciones a las que se ven sometidos otros generadores y limitar las máximas desviaciones de frecuencia.