Adaptive control of grid-forming converters

This thesis presents a novel adaptive control technique for grid-forming converters, aimed at improving the trade-off between power quality and grid frequency stability, while providing inertial behavior. A key challenge with grid-tied converters is their inability to naturally provide inertia to the grid, a critical factor in maintaining frequency stability. The proposed solution is based on the Virtual Synchronous Generator (VSG) model, a control strategy that emulates the behavior of a traditional synchronous machine. When implementing a VSG in a grid-forming application, it is essential to respect grid constraints across the entire converter operating range. This often requires a high inertia value, which can lead to a significantly undamped system. To address issues such as power overshoot and frequency oscillations, an adaptive inertia strategy is introduced. This strategy dynamically adjusts the inertia value in real-time, in accordance with the IEEE- 1547 Rate of Change of Frequency (RoCoF) standard. Simulation results demonstrate the effectiveness of this approach in improving power quality and frequency stability across various test cases.

Questa tesi presenta una nuova tecnica di controllo adattivo per convertitori grid-forming, mirata al miglioramento del compromesso tra qualità della potenza e stabilità della frequenza di rete, fornendo al contempo un comportamento inerziale. Una delle principali sfide dei convertitori connessi alla rete è la loro incapacità di fornire naturalmente inerzia, un fattore critico per il mantenimento della stabilità della frequenza. La soluzione proposta si basa sul modello del Virtual Synchronous Generator (VSG), una strategia di controllo che emula il comportamento di una macchina sincrona tradizionale. Nell'implementazione di un VSG in un'applicazione grid-forming, è fondamentale rispettare i vincoli della rete su tutto l'area di operazione del convertitore. Ciò spesso richiede un valore elevato di inerzia, il che può portare a un sistema troppo sottosmorzato. Per affrontare problemi come la sovraelongazione della potenza e le oscillazioni in frequenza, viene introdotta una strategia di inerzia adattiva. Questa strategia regola dinamicamente il valore dell'inerzia in tempo reale, in conformità con lo standard IEEE-1547 sul Rate of Change of Frequency (RoCoF). I risultati delle simulazioni dimostrano l'effettivo miglioramento del compromesso fra le traiettorie di potenza e la stabilità in frequenza.