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

Technische Samenvatting: Grid-Forming Enhanced STATCOMs voor de Stabiliteit van Windparken

Probleemstelling
De toenemende integratie van inverter-gebaseerde bronnen (IBR's), met name windenergie, in moderne elektriciteitsnetten heeft aanzienlijke uitdagingen geïntroduceerd met betrekking tot de spanning- en frequentiestabiliteit, vooral in zwakke netomgevingen die worden gekenmerkt door een lage kortsluitsterkte en verminderde systeemtraagheid. Traditioneel zijn synchrone condensatoren (Syncons) ingezet om traagheid, spanningsregulatie en foutstroomondersteuning te bieden. Hun mechanische aard beperkt echter hun reactiesnelheid en aanpassingsvermogen onder dynamische netcondities. Bovendien kan het gebruik van seriematige compensatie om het vermogensoverdracht in lange transmissielijnen te verbeteren, nieuwe resonantieproblemen introduceren, zoals sub-synchrone resonantie (SSR) en transiënte overspanningen (TOV), waar bestaande oplossingen moeite mee hebben om effectief te mitigeren.

Methodologie
De studie hanteert een tweeledige aanpak die een nieuw lineair modelleringskader combineert met gedetailleerde Electromagnetic Transient (EMT) simulaties:

1. Power-Admittance-Based Lineaire Modellering: In plaats van te vertrouwen op conventionele dq-referentiekader impedentieanalyse, maakt de auteur gebruik van een power-response matrix-gebaseerde modelleringsmethaling. Deze methode karakteriseert het converter-systeem door variaties in de netspanning en -frequentie direct te relateren aan veranderingen in de actieve en reactieve vermogensoutput. Het framework is inherent referentiekader-onafhankelijk, waardoor het mogelijk is om meerdere converter-systemen te aggregeren en de Grid-Forming (GFM) eigenschappen zoals synthetische traagheid en demping intuïtief te beoordelen.

   • Het windpark wordt gemodelleerd als een spanningsbron verbonden via een fysieke reactor met een oneindige bus.
   • De analyse incorporeert niet-ideale begincondities om de verschuivingen in resonantiefrequenties nauwkeurig te vangen.
   • Lineaire admittance-matrices worden afgeleid om de klein-signaal dynamische respons te analyseren.

2. Vergelijkbare Systeemconfiguratie: De studie vergelijkt twee shunt-compensatiealternatieven verbonden met een windpark met seriematige compensatie:

   • Synchrone Condensator (Syncon): Gemodelleerd met een Automatic Voltage Regulator (AVR) en inherente mechanische traagheid.
   • Enhanced STATCOM (E-STATCOM): Geïmplementeerd via een GFM-converter met een swing-equation-gebaseerde power control loop en open-loop virtual admittance control (VAC). De E-STATCOM is ontworpen om de kenmerken van een standaard Syncon te emuleren (het matchen van traagheidsconstanten en reactantie) om een eerlijke vergelijking te garanderen.

3. Validatie: De theoretische inzichten afgeleid van de lineaire modellen worden gevalideerd door middel van Simulation-in-Loop (SIL) met behulp van gedetailleerde PSCAD/EMT-modellen. Deze simulaties bevatten realistische transformator-, converter-, synchrone machine- en windparkmodellen, onderworpen aan diverse transiënte scenario's zoals driefasige fouten, eenfasige fouten en fasehoekverschuivingen.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Superieure Demping van Sub-Synchrone Resonantie (SSR): De lineaire analyse en EMT-simulaties laten zien dat hoewel Syncons enige demping bieden, ze onvoldoende zijn om SSR volledig te onderdrukken. In tegen plaats dempt de GFM-gebaseerde E-STATCOM SSR aanzienlijk (waargenomen rond 10 Hz in lineaire modellen en 23 Hz in EMT-simulaties) en onderdrukt het effectief nieuwe oscillerende modi die door seriematige compensatie worden geïntroduceerd (bijv. modi rond 30 Hz en 80 Hz).
• Omgang met DC-componenten en Transiënte Overspanningen:
  • DC-componenten: Syncons hebben de neiging om DC-componenten die voortkomen uit fasehoekverschuivingen eerder te attenueren dan te dempen, en kunnen deze zelfs injecteren. De E-STATCOM, hoewel niet inherent in staat om de DC-component enkel via de control loop te dempen, voorkomt verdere attenuatie en maakt, wanneer gecombineerd met systeemontwerpoverwegingen, effectieve onderdrukking mogelijk.
  • Transiënte Overspanningen (TOV): Na een driefasige fout vertoonde de windparkbus een TOV die 2 p.u. bereikte. De E-STATCOM onderdrukte deze TOV en de bijbehorende SSR binnen één cyclus, terwijl de respons van de Syncon trager en minder effectief was.
• Foutstroom- en Overstroomcapaciteit:
  • Syncons injecteren foutstroom die wordt beheerst door hun sub-transiënte reactantie zonder restrictie.
  • Standaard E-STATCOMs worden beperkt door de capaciteit van de valves. Echter, de studie toont aan dat een E-STATCOM ontworpen met specifieke overstroombehandelingsmogelijkheden (bijv. tijdelijke overbelasting of gespecialiseerde halfgeleiders) foutstroomniveaus kan leveren die vergelijkbaar zijn met die van Syncons.
  • Cruciaal is dat tijdens de herstelperiode na een fout de E-STATCOM volledige stroomondersteuning behoudt, een capaciteit die Syncons missen.
• Dynamische Respons: De E-STATCOM vertoont een snellere dynamische respons (typisch binnen 50 µs) vanwege de open-loop virtuele impedantie-emulatie, waardoor het kan bijdragen aan de netstabiliteit door traagheid, inductie en demping effectiever na te bootsen dan mechanische machines.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat Enhanced STATCOMs met Grid-Forming capaciteiten een robuustere en flexibelere oplossing vormen dan synchrone condensatoren voor het stabiliseren van hernieuwbare energie-gedomineerde netten, met name die met lange transmissielijnen en seriematige compensatie.

Belangrijke beweringen zijn onder meer:

• Ontwerpparameter (Benchmark): De studie beoogt een benchmark E-STATCOM ontwerp-criterium te bieden. Dit framework stelt belanghebbenden, zoals Transmission System Operators (TSO's), in staat om de geschiktheid van E-STATCOMs voor specifieke netcondities te beoordelen zonder de directe noodzaak voor uitgebreide EMT-simulaties.
• Schaalbaarheid en Flexibiliteit: In tegen tegenstelling tot Syncons, die beperkt worden door mechanische traagheid, bieden E-STATCOMs regelbare controle, virtuele impedantie-emulatie en schaalbare foutstroomondersteuning.
• Complexe Stabiliteit: De E-STATCOM adresseert een breder spectrum van stabiliteitsproblemen, inclusief SSR, DC-oscillaties, transiënte overspanningen en nieuwe modi geïnduceerd door seriematige compensatie, waardoor stabiele operatie over een breed frequentiebereik wordt gegarandeerd.

De auteurs concluderen dat hoewel Syncons een traditionele oplossing zijn geweest, de specifieke dynamische voordelen van GFM-gebaseerde E-STATCOMs hen de superieure keuze maken voor het evoluerende landschap van elektriciteitsnetten met een hoog aandeel hernieuwbare energie.