A Methodology for Impedance-based Stability Margin Analysis for Interconnected Offshore Wind Clusters

Sintesi Tecnica: Una Metodologia per l'Analisi del Margine di Stabilità Basata sull'Impedenza per Cluster di Parchi Eolici Offshore Interconnessi

Enunciato del Problema
Con l'evoluzione delle architetture di rete offshore, gli Operatori di Sistema di Trasmissione (TSO) stanno adottando sempre più configurazioni in cui più Parchi Eolici Offshore (OWPP) si collegano direttamente a un comune quadro di commutazione della stazione convertitrice HVDC. Sebbene questa topologia offra efficienza, introduce interazioni complesse tra i sistemi di controllo dei convertitori. Una sfida critica consiste nel valutare come l'integrazione di un nuovo OWPP (o Modulo di Parco Elettrico, PPM) influisca sui margini di stabilità a piccoli segnali degli OWPP esistenti al Punto di Collegamento (PoC).

L'analisi tradizionale della stabilità basata sull'impedenza, ampiamente utilizzata per i convertitori connessi alla rete, si basa sul criterio di stabilità di Nyquist (NSC) per determinare la stabilità verificando gli avvolgimenti del punto critico $(-1, 0)$. Tuttavia, i metodi esistenti presentano spesso limitazioni:

1. Forniscono principalmente una valutazione binaria della stabilità (stabile/instabile) anziché quantificare i margini di stabilità (margini di fase e di guadagno).
2. Si basano spesso su "zone proibite" definite da margini di fase fissi, che presuppongono che nuovi carichi non alterino i margini di stabilità dei sistemi esistenti. Questa è un'ipotesi conservativa che non tiene conto delle nuove frequenze di risonanza introdotte dai convertitori aggiuntivi.
3. Non definiscono esplicitamente l'impedenza massima ammissibile per una nuova connessione per garantire che il sistema esistente mantenga i propri margini di stabilità richiesti.

Metodologia
Il documento propone una metodologia generalizzata basata sull'impedenza per valutare i margini di stabilità e derivare specifiche di impedenza per nuovi PPM. L'approccio utilizza una formulazione del guadagno di anello minore all'interno di un framework nel dominio della frequenza.

1. Partizionamento del Sistema: Il sistema è modellato come un anello di retroazione negativa in cui l'impedenza di rete ($Z_{net}$) agisce come sorgente e l'impedenza del convertitore ($Z_{OWPP}$) agisce come carico. Il guadagno di anello minore è definito come $L(s) = Z_{net}(s) / Z_{OWPP}(s)$.
2. Modellazione dell'Impedenza: Gli autori impiegano la linearizzazione armonica per disaccoppiare le componenti di sequenza positiva e negativa. Utilizzano un "approccio basato sull'impedenza inversa", in cui l'impedenza di rete viene estratta tramite scansioni di frequenza su vasta area della rete in un modello a transitori elettromagnetici (EMT), trattando l'OWPP selezionato come punto di riferimento.
3. Formulazione Analitica:
   • Il documento deriva una relazione tra il guadagno di anello del sistema esistente ($L_{old}$) e il sistema dopo l'aggiunta di un nuovo PPM in parallelo ($L_{new}$).
   • $L_{new}(j\omega) = L_{old}(j\omega) \cdot \frac{1}{1 + \rho(j\omega)}$, dove $\rho(j\omega)$ è il rapporto tra l'impedenza di rete vecchia e l'impedenza del nuovo PPM.
   • Questa formulazione permette il calcolo del nuovo margine di fase ($PM_{new}$) basato sul guadagno di anello pre-collegamento e sul rapporto di impedenza.
4. Specifiche di Impedenza: Viene derivata una disuguaglianza per vincolare l'impedenza del nuovo PPM ($Z_{OWPP,new}$) per garantire che il sistema esistente mantenga un margine di fase minimo ($PM_{min}$). Il vincolo derivato è:
   $$|Z_{OWPP,new}(j\omega_{gc})| \leq \frac{|Z_{net,old}(j\omega_{gc})|}{2 \sin\left(\frac{PM_{old}(j\omega_{gc}) - PM_{min}}{2}\right)}$$
   Ciò garantisce che il nuovo PPM sia "abbastanza debole" alle frequenze critiche per prevenire il degrado dei margini di stabilità del sistema esistente.
5. Regioni di Nyquist Potenziate: Per completare il NSC standard, gli autori introducono regioni di stabilità grafiche sul diagramma di Nyquist:
   • Area Critica: Margini di fase inferiori al requisito minimo (es. $PM < 15^\circ$).
   • Area di Attenzione: Margini di fase compresi tra il minimo e una soglia di allarme (es. $15^\circ \leq PM < 30^\circ$).
   • Cerchio del Margine di Guadagno: Un cerchio che rappresenta il requisito minimo di margine di guadagno.

Contributi Chiave

• Analisi Quantitativa dei Margini: Il documento supera i controlli di stabilità binari per quantificare esplicitamente come l'integrazione di un nuovo PPM alteri i margini di fase e di guadagno delle connessioni esistenti.
• Criterio di Progettazione dell'Impedenza: Fornisce una condizione analitica specifica (Equazione 23) per determinare l'impedenza massima ammissibile per una nuova connessione, garantendo che il sistema esistente rimanga conforme ai requisiti di margine dei TSO.
• Valutazione Grafica della Stabilità: L'introduzione di aree "Critiche" e di "Attenzione" sul diagramma di Nyquist offre uno strumento visivo per valutare la conformità ai margini e la riserva operativa, affrontando la mancanza di metriche di robustezza nei metodi tradizionali basati sugli avvolgimenti.
• Validazione con Modelli Reali: La metodologia è validata utilizzando modelli EMT forniti dai fornitori di un effettivo progetto eolico offshore (coinvolgente OWPP da 475 MW e 500 MW) e modelli nel dominio della frequenza in DIgSILENT PowerFactory.

Risultati
Lo studio è stato condotto su due configurazioni di caso: una con un trasformatore comune e una con trasformatori separati per i due OWPP.

• Miglioramento della Stabilità: In entrambi i casi, l'integrazione di un secondo OWPP (OWPP2) ha effettivamente migliorato i margini di stabilità dell'OWPP esistente (OWPP1). Ciò è stato attribuito alla connessione in parallelo che riduce l'impedenza di rete efficace, spostando il luogo di Nyquist lontano dal punto critico.
• Validazione dei Vincoli: Quando l'impedenza del nuovo OWPP è stata mantenuta al di sotto del limite calcolato ($|Z_{OWPP2}| < Z_{limit}$), il luogo di Nyquist non ha intersecato il cerchio unitario all'interno dell'area critica e sono stati soddisfatti i requisiti minimi di margine.
• Dimostrazione di Violazione: Quando l'impedenza del nuovo OWPP è stata artificialmente aumentata per superare il limite a specifiche frequenze di attraversamento, il luogo di Nyquist è entrato nell'area critica, violando il requisito minimo di margine di fase.
• Sensibilità del Modello: I confronti tra un modello di rete equivalente di Thevenin e un modello dettagliato nel dominio della frequenza hanno mostrato che, sebbene il modello di Thevenin sia sufficiente per alcuni studi di risonanza interna, il modello dipendente dalla frequenza fornisce frequenze di risonanza e valutazioni di stabilità più accurate per cluster interconnessi.

Significato
Il documento afferma che questa metodologia fornisce uno strumento pratico per TSO e sviluppatori per pianificare e valutare l'integrazione di nuovi PPM nei cluster offshore. Fornendo un criterio diretto per le specifiche di impedenza, il metodo permette:

1. Verifica della Conformità: Garantire che le nuove connessioni non violino i requisiti di margine di stabilità (es. margini di fase alle frequenze di risonanza) specificati dagli operatori di sistema come TenneT.
2. Pianificazione Efficiente: Permettere la valutazione dei margini di stabilità utilizzando dati di impedenza ottenuti da scansioni di frequenza o modelli nel dominio della frequenza, senza richiedere simulazioni esaustive nel dominio del tempo per ogni configurazione potenziale.
3. Integrazione con il Codice di Rete: L'approccio può essere integrato prontamente negli studi di routine per la conformità al codice di rete per valutare l'impatto dell'integrazione aggiuntiva di PPM, passando da progetti di "zone proibite" eccessivamente conservativi a specifiche dinamiche basate sui margini.

Gli autori sottolineano che il metodo è particolarmente prezioso per scenari che coinvolgono più stringhe o PPM, dove l'aggiunta di nuovi convertitori crea interazioni di risonanza complesse che i criteri di progettazione fissi non riescono a catturare.