Analysis, Simulation and Implementation of Inverter Control Strategies based on Virtual Synchronous Generators for Microgrids

In recent decades, many factors have contributed to the need for a revolution in the field of electricity generation and distribution. Climate change, manifested by the critical rise in Earth’s atmospheric temperature, the sudden increase in global energy demand caused by the exponential growth of the world’s population and massive industrialization, and the imminent depletion of fossil fuels, which have largely contributed to energy generation until the beginning of this century, are the most significant examples. In this context, the exploitation of renewable energy solutions plays a central role, as evidenced by the massive increase in recent years of the introduction of new plants and technologies for generating energy from renewable sources. These systems interface with the grid using specific converters called inverters, which are responsible for integrating the produced energy with the grid. The content of this thesis, therefore, pertains to the study and analysis of conventional and advanced control algorithms for inverters. Each algorithm is then validated and tested through specific simulations in the PLECS development environment. The introductory part is dedicated to the basic topics related to control, where the stages of an inverter are analyzed and dissected in their primary functions. Subsequently, the main operating modes are analyzed: the grid-following mode, where the inverter operates synchronized with a grid, and the grid-forming mode, where the inverter itself (in the absence of a stable grid) imposes the amplitude and frequency of the output voltage. The second part contains the main topic of the thesis, related to the analysis of advanced algorithms based on Virtual Synchronous Generators. In particular, two types of models called Synchronverter and Kawasaki are studied and implemented. These are designed to emulate the behavior of a Synchronous Generator, acquiring its ideal characteristics for grid integration and coordinated load management. After studying the design and implementing the models in the PLECS development environment, targeted simulations were conducted to validate their main characteristics. Finally, the foundations were laid for the eventual software implementation and experimental testing of the Kawasaki model’s control algorithm. The entire work was carried out as part of a collaborative project with the company Elpower of Noventa Vicentina (VI), experts in developing technologies and devices for integrating renewable energy plants.

Negli ultimi decenni, molti fattori hanno contribuito alla necessità di portare una rivoluzione all’interno del campo della generazione e distribuzione dell’energia elettrica. Il cambiamento climatico, manifestato dall’innalzamento critico della temperatura dell’atmosfera terrestre, l’aumento repentino del fabbisogno energetico mondiale, causato dall’aumento esponenziale della popolazione mondiale e dalla massiccia industrializzazione, l’esaurimento imminente dei combustibili fossili, che fino ad inizio secolo hanno contribuito in gran parte alla generazione energetica, sono gli esempi più significativi. Lo sfruttamento di soluzioni ad energia rinnovabile trova in questo contesto un ruolo centrale, come manifestato dall’aumento massiccio negli ultimi anni dell’introduzione di nuovi impianti e tecnologie per la generazione dell’energia a partire da fonti rinnovabili. Questi sistemi si interfacciano alla rete grazie all’utilizzo di specifici convertitori chiamati inverter, che sono responsabili dell’integrazione con la rete dell’energia prodotta. Il contenuto di questa tesi dunque, è relativo allo studio e all’analisi di algoritmi (convenzionali e avanzati) di controllo degli inverter. Ogni algoritmo è poi validato e testato tramite simulazioni specifiche in ambiente di sviluppo PLECS. Una prima parte introduttiva è dedicata alle tematiche di base relative al controllo, dove gli stadi di un inverter vengono analizzati e sviscerati nelle loro funzioni primarie. In seguito vengono analizzate le principali tipologie di funzionamento: la modalità grid-following, dove l’inverter opera sincronizzato ad una rete, e la modalità grid-forming, dove invece è lo stesso inverter (in assenza di una rete stabile) a imporre ampiezza e frequenza della tensione di uscita. Nella seconda parte è contenuta la tematica principale della tesi, relativa all’analisi di algoritmi avanzati basati sui Generatori Sincroni Virtuali. In particolare vengono studiati e implementati due tipologie di modelli chiamati Synchronverter e Kawasaki. Questi sono progettati per emulare il comportamento di un Generatore Sincrono, acquisendone le caratteristiche ideali per l’integrazione con la rete e la gestione coordinata dei carichi. Dopo lo studio del design e l’implementazione dei modelli su un ambiente di sviluppo PLECS, mirate simulazioni sono state condotte per validarne le principali caratteristiche. Infine sono state poste le basi per l’eventuale implementazione software e l’effettivo test sperimentale dell’algoritmo di controllo del modello Kawasaki. L’intero lavoro è stato svolto all’interno di un progetto di collaborazione con l’azienda Elpower di Noventa Vicentina (VI), esperti nello sviluppo di tecnologie e dispositivi per l’integrazione di impianti ad energia rinnovabile.