Analysis and control of multi–area HVDC interconnected power systems by using virtual inertia
Authors:   , Rakhshani Elyas 
Published: July 2023

Virtual inertia is known as an inevitable part of the modern power systems. Recent trend of research is oriented in different methods of emulating virtual inertia in different part of the systems. This dissertation is focused on modelling, analysing and application of virtual inertia concept in frequency control and Automatic Generation Control (AGC) issue in high level control AC/DC interconnected power systems. Since the virtual inertia is provided by advanced control concepts of power electronic based components, the HVDC links are the main focus of this dissertation for emulating inertia.
AGC in a multi-area power system during load and resource variation is known as a very important mechanism that could facilitate various tasks like: frequency restoration, tie-line power control between authority areas and economic dispatch of generation units. The AGC concept is known as higher level control at the transmission level. This higher level control will generate the set-points for all the local components, like generators or power converter stations, which are under control by their local controllers.
In this thesis two different methods for emulating virtual inertia are proposed and introduced in AGC modelling and control of AC/DC interconnected power systems.
The first method which is one of the common methods for emulating inertia in various filed of applications, is derivative control technique. In this thesis, derivative control technique is used for higher level application of inertia emulation. This
method of inertia emulation is developed for two-area AGC system which is connected by parallel AC/DC transmission lines. Based on the proposed technique, the dynamic effect of inertia emulated for frequency and active power control of interconnected systems are evaluated. The effects of frequency measurements delay and Phase Locked Loop (PLL) effects are also considered by introducing a second-order function. Simulations performed by Matlab software demonstrate how virtual inertia emulation can effectively improve the performance of the power system. A detailed eigenvalue and sensitivity analyses have been also performed to support the positive effects of the proposed method.
Since the first method is based on derivation for grid frequency, the measurement of frequency is very important and application of different method for frequency measurements like PLL will bring some limitations for this method. Therefore, as an ultimate solution, the second method for virtual inertia emulation is introduced in this thesis. The second method is based on Virtual Synchronous Power (VSP) concept. The concept of VSP to simulate the dynamic effects of inertia emulations by HVDC links for higher level control applications is introduced and reflected in the multi-area AGC model. By using this proposed combination in AGC model, the dynamic performance of the systems shows a significant improvement. The active power loop control on VSP based HVDC link has second-order characteristic which make a simultaneous enabling of damping and inertia emulations into the system. Trajectory sensitivities and eigenvalue analyses are used to analyse the effects of VSP on the system stability. The effectiveness of proposed concept on dynamic improvements is tested through Matlab simulation of multi-area test system.
Finally, it became clear that virtual inertia will add additional degree of freedom to the system dynamics which makes a considerable improvement in first overshoot in addition to damping characteristics of HVDC links. Comparing the results of these two different methods of inertia emulation shows that VSP technique has better performance with several advantages for emulating the inertia. In the VSP technique, PLL and frequency estimation are not required. Also considering the fact that simultaneous damping and inertia could be emulated, a powerful method based on VSP for improving the system dynamics during the contingencies is proposed.

El concepto de inercia virtual se está convirtiendo en una parte imprescindible de los sistemas de energía modernos y en la actualidad hay diferentes líneas de investigación orientadas a estudiar diferentes métodos de emulación de inercia virtual en diferentes partes del sistema.Esta tesis doctoral se centra en el modelado, análisis y aplicación del concepto de inercia virtual en el control de frecuencia y en el control automático de generación (AGC), los cuales son elementos clave en el control de alto nivel de los sistemas eléctricos interconectados AC / DC.Dada la evolución tanto en las topologías, como en las prestaciones de control de los convertidores electrónicos de potencia, los enlaces HVDC y el control a alto nivel de los dispositivos implicados para emular inercia constituirán el foco principal de esta tesis doctoral.El AGC es un mecanismo muy útil en un sistema de potencia multi-zona durante, sobre todo cuando hay variaciones en la carga o en la generación, ya que puede facilitar diversas tareas como: la restauración de frecuencia, control de potencia de líneas de enlace entre las áreas y el despacho económico de los sistemas de generación. En este contexto en AGC, dada su condición de control a alto nivel, generará las consignas para todos los elementos locales, tales como generadores o estaciones de conversión de energía, que están bajo el control de sus controladores locales.En esta tesis se proponen dos métodos diferentes para emular inercia virtual, los cuales se introducirán, se modelarán y se aplicarán al control de sistemas de potencia AC / DC interconectados. El primer método, que es uno de los métodos más comunes para la emulación de inercia en otras aplicaciones, es la técnica del control derivativo. En esta tesis, esta técnica se utiliza para llevar a cabo la emulación de inercia a alto nivel. Éste método de emulación de inercia se ha desarrollado para un sistema AGC de dos área que está interconectado mediante líneas de transmisión de CA / CC en paralelo. Sobre la base de la técnica propuesta, el efecto dinámico de la inercia emulada sobre el control de frecuencia y potencia activa será formulado y evaluado. Los efectos del retardo mediciones de frecuencia y los efectos del bucle de sincronización (PLL) también se consideran en el análisis y posterior ensayo. Las simulaciones llevadas a cabo demostrarán cómo la emulación de inercia virtual puede mejorar efectivamente el rendimiento del sistema de potencia.Dado que el primer método se basa en la derivación de la frecuencia de red, la medición de la frecuencia es muy importante y la aplicación de los métodos de medida de la misma, como las PLL, conlleva algunas limitaciones en la aplicación y respuesta del mismo. Por lo tanto, como una solución definitiva, se introduce el segundo método para la emulación de inercia virtual en esta tesis. El segundo método se basa en el concepto de energía síncrona virtual (VSP). El concepto de VSP, el cual permite simular los efectos dinámicos de las emulaciones de inercia por enlaces HVDC, se presentará y aplicará en sistemas de control de alto nivel, aplicándolo finalmente en el modelo AGC multi-zona. Tal y como se demostrará, mediante el uso de esta combinación propuesta en el modelo de AGC, el comportamiento dinámico de los sistemas muestra una mejora significativa. El control de bucle de potencia activa en el enlace HVDC basado en el VSP tiene una característica de segundo orden que genera una respuesta instantánea y permite controlar la amortiguación y la inercia en el sistema. La eficacia de concepto propuesto en las mejoras dinámicas se probará en plataformas de simulación que representarán un sistema multi-zona. Por último, se demostrará que la inercia virtual añade un grado de libertad adicional a la dinámica del sistema, lo cual ayuda a controlar el sobre pico así como el amortiguamiento en los transitorios en los enlaces HVDC.