Grid-Forming Enhanced STATCOMs for Wind Power Plant Stability: Design, Modeling, and Control

Sintesi Tecnica: STATCOM potenziati con tecnologia Grid-Forming per la stabilità dei parchi eolici

Problematica
L'integrazione crescente di risorse basate su inverter (IBR), in particolare l'energia eolica, nei moderni sistemi elettrici ha introdotto sfide significative riguardanti la stabilità di tensione e frequenza, specialmente in ambienti di rete deboli caratterizzati da bassa forza di cortocircuito e ridotta inerzia di sistema. Tradizionalmente, i condensatori sincroni (Syncon) sono stati impiegati per fornire inerzia, regolazione della tensione e supporto alla corrente di guasto. Tuttavia, la loro natura meccanica ne limita la reattività e l'adattabilità sotto condizioni di rete dinamiche. Inoltre, l'uso della compensazione in serie per migliorare il trasferimento di potenza in lunghe linee di trasmissione può introdurre nuovi problemi di risonanza, tra cui la risonanza sub-sincrona (SSR) e le sovratensioni transitorie (TOV), che le soluzioni esistenti faticano a mitigare efficacemente.

Metodologia
Lo studio impiega un approccio duplice che combina un nuovo framework di modellazione lineare con dettagliate simulazioni di transitori elettromagnetici (EMT):

1. Modellazione Lineare basata sulla Potenza-Admittance: Invece di affidarsi alla convenzionale analisi dell'impedenza nel sistema di riferimento dq, gli autori utilizzano un approccio di modellazione basato su una matrice di risposta della potenza. Questo metodo caratterizza il sistema convertitore collegando direttamente le variazioni dell'ampiezza della tensione di rete e della frequenza alle variazioni della produzione di potenza attiva e reattiva. Il framework è intrinsecamente indipendente dal sistema di riferimento, consentendo l'aggregazione di molteplici sistemi di conversione e la valutazione intuitiva delle proprietà Grid-Forming (GFM), come l'inerzia sintetica e lo smorzamento.

   • Il parco eolico è modellato come una sorgente di tensione collegata tramite un reattore fisico a un bus infinito.
   • L'analisi incorpora condizioni iniziali non ideali per catturare accuratamente gli spostamenti della frequenza di risonanza.
   • Matrici di ammettenza linearizzate vengono derivate per analizzare le risposte dinamiche a piccolo segnale.

2. Configurazione Comparativa del Sistema: Lo studio confronta due alternative di compensazione shunt collegate a un parco eolico con compensazione in serie:

   • Condensatore Sincrono (Syncon): Modellato con un Regolatore Automatico di Tensione (AVR) e inerzia meccanica intrinseca.
   • STATCOM Potenziato (E-STATCOM): Implementato tramite un convertitore GFM utilizzando un loop di controllo della potenza basato sull'equazione dello swing e un controllo di ammettenza virtuale (VAC) ad anello aperto. L'E-STATCOM è progettato per emulare le caratteristiche di un tipico Syncon (corrispondendo alle costanti di inerzia e alla reattanza) per garantire un confronto equo.

3. Validazione: Gli approfondimenti teorici derivati dai modelli lineari sono validati attraverso simulazioni Simulation-in-Loop (SIL) utilizzando modelli dettagliati PSCAD/EMT. Queste simulazioni includono trasformatori realistici, convertitori, macchine sincrone e modelli di parchi eolici, sottoposti a vari scenari transitori come guasti trifase, guasti monofase e salti di angolo di fase.

Contributi Chiave e Risultati

• Smorzamento Superiore della Risonanza Sub-Sincrona (SSR): L'analisi lineare e le simulazioni EMT dimostrano che, sebbene i Syncon forniscano un certo smorzamento, essi sono insufficienti per sopprimere completamente la SSR. Al contrario, l'E-STATCOM basato su GFM smorza significativamente la SSR (osservata intorno ai 10 Hz nei modelli lineari e 23 Hz nelle simulazioni EMT) e sopprime efficacemente i nuovi modi oscillatori introdotti dalla compensazione in serie (ad esempio, modi intorno ai 30 Hz e 80 Hz).
• Gestione delle Componenti DC e delle Sovratensioni Transitorie (TOV):
  • Componenti DC: I Syncon tendono ad attenuare piuttosto che a smorzare le componenti DC derivanti dagli spostamenti dell'angolo di fase e potrebbero persino iniettarle. L'E-STATCOM, pur non smorzando intrinsecamente la componente DC solo attraverso il proprio loop di controllo, evita ulteriori attenuazioni e, se combinato con considerazioni di progettazione del sistema, permette una soppressione efficace.
  • Sovratensioni Transitorie (TOV): A seguito di un guasto trifase, il bus del parco eolico ha presentato una TOV raggiungendo i 2 p.u. L'E-STATCOM ha soppresso questa TOV e la relativa SSR entro un singolo ciclo, mentre la risposta del Syncon è stata più lenta e meno efficace.
• Capacità di Corrente di Guasto e Sovracorrente:
  • I Syncon iniettano corrente di guasto governata dalla loro reattanza sub-transitoria senza restrizioni.
  • Gli E-STATCOM standard sono limitati dalla capacità delle valvole. Tuttavia, lo studio mostra che un E-STATCOM progettato con specifiche capacità di gestione delle sovracorrenti (ad esempio, sovraccarico temporaneo o semiconduttori specializzati) può fornire livelli di corrente di guasto comparabili ai Syncon.
  • Fondamentalmente, durante il recupero post-guasto, l'E-STATCOM mantiene il pieno supporto di corrente, una capacità che i Syncon non possiedono.
• Risposta Dinamica: L'E-STATCOM dimostra una risposta dinamica più rapida (tipicamente entro 50 µs) grazie al suo controllo di emulazione dell'impedenza virtuale ad anello aperto, permettendogli di contribuire alla stabilità della rete imitando l'inerzia, l'induttanza e lo smorzamento in modo più efficace rispetto alle macchine meccaniche.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che gli STATCOM potenziati con capacità Grid-Forming rappresentano una soluzione più robusta e flessibile rispetto ai condensatori sincroni per stabilizzare le reti dominate dalle rinnovabili, in particolare quelle con lunghe linee di trasmissione e compensazione in serie.

Le asserzioni chiave includono:

• Benchmark di Progettazione: Lo studio mira a fornire un criterio di progettazione benchmark per l'E-STATCOM. Questo framework consente agli stakeholder, come i Gestori di Rete (TSO), di valutare l'idoneità degli E-STATCOM per specifiche condizioni di rete senza la necessità immediata di esaustive simulazioni EMT.
• Scalabilità e Flessibilità: A differenza dei Syncon, che sono limitati dall'inerzia meccanica, gli E-STATCOM offrono un controllo regolabile, l'emulazione dell'impedenza virtuale e un supporto alla corrente di guasto scalabile.
• Stabilità Completa: L'E-STATCOM affronta uno spettro più ampio di problemi di stabilità, inclusi SSR, oscillazioni DC, sovratensioni transitorie e nuovi modi indotti dalla compensazione in serie, garantendo un funzionamento stabile attraverso un ampio intervallo di frequenze.

Gli autori concludono che, sebbene i Syncon siano stati una soluzione tradizionale, i vantaggi dinamici specifici degli E-STATCOM basati su GFM rendono quest'ultimi la scelta superiore per il panorama evolutivo dei sistemi elettrici ad alta penetrazione di rinnovabili.