Advanced harmonic stability monitoring and control of power-electronics dominated grids

Gurumurthy, Sriram Karthik; Monti, Antonello; Liserre, Marco

doi:44461

Advanced harmonic stability monitoring and control of power-electronics dominated grids

Gurumurthy, Sriram Karthik^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeSriram Karthik Gurumurthy, Institute for Automation of Complex Power Systems

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-948234-55-3

ReiheE.ON Energy Research Center ; 141

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Liserre, Marco (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06020
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1014325/files/1014325.pdf

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Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
WFZ (frei) ; active damping (frei) ; control system (frei) ; frequeny (frei) ; harmonic stability (frei) ; impedance (frei) ; impedance measurement (frei) ; power electronics (frei) ; power system dynamics (frei) ; power system stability (frei) ; power systems (frei) ; system identification (frei) ; virtual damping (frei) ; voltage (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mit der zunehmenden Verbreitung erneuerbarer Energiequellen (EE), die durch die groß angelegte Integration von netzgekoppelten leistungselektronischen Umrichtern ermöglicht wird, ist ein neues Paradigma entstanden. Diese leistungselektronischen Netze (PEDGs) stellen neue Herausforderungen an die Stabilität über einen breiten Frequenzbereich dar. Die Wechselwirkung zwischen den leistungselektronischen Quellen und den nichtlinearen Lasten kann zu unerwünschten Oberschwingungen und Zwischenharmonischen führen, die die Netzspannung verzerren und die Netzqualität beeinträchtigen. Je nach den Betriebsbedingungen und der Dämpfung im Stromnetz können diese Zwischenharmonischen aufrechterhalten werden und in Resonanz treten; der Oberwellengehalt kann über einen bestimmten Zeitraum zunehmen, das Auslösen von Unterbrechern verursachen und das Netz möglicherweise vollständig destabilisieren. Dieses Phänomen wird als harmonische Instabilität bezeichnet. Angesichts der zunehmenden Zahl von Fällen und Ausfällen, mit denen Netzbetreiber konfrontiert werden, ist es unerlässlich, Methoden zur Überwachung und Erkennung von Oberschwingungsstabilitätsbedingungen zu entwickeln. In den letzten zehn Jahren wurde in mehreren Forschungsstudien festgestellt, dass die harmonische Stabilität als Impedanzphänomen charakterisiert werden kann und daher die Impedanz von Umrichtern benötigt wird. Die Hersteller von Umrichtern schützen die Hardware und die Steuersysteme von Umrichtern durch geistige Eigentumsrechte (IPR), so dass Black-Box- oder nichtparametrische Modelle von Umrichtern erforderlich sind. Folglich ist die Wahl der Messmethode für die schnelle Impedanzextraktion von entscheidender Bedeutung, ebenso wie die Charakterisierung solcher Messgeräte. Die Aggregation der extrahierten Impedanzdaten auf Systemebene ist für Studien zur harmonischen Stabilität auf Systemebene von entscheidender Bedeutung. Um Probleme mit der Oberschwingungsstabilität anzugehen, sind lokale Kompensationsverfahren erforderlich, um die Impedanz von Stromrichtern anzupassen und die gewünschte Dämpfung effektiv einzuführen. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung eines eigenständigen Impedanzmessgeräts, eines Algorithmus zur Überwachung der Oberschwingungsstabilität in einem Multi-Bus-Netz und eines Verfahrens zur Minderung der harmonischen Instabilität. In dieser Dissertation werden vier wichtige wissenschaftliche Beiträge vorgeschlagen, die eine Überwachung der harmonischen Stabilität und einen sicheren Betrieb von PEDGs ermöglichen: 1) ein eigenständiges Impedanzmessgerät, um die Netzimpedanz auf nicht-parametrische Weise zu extrahieren; 2) eine Frequenzkopplungsmatrix (FCM) Messmethode für Stromrichter; 3) eine nicht-parametrische Methode zur Überwachung der harmonischen Stabilität von Mehrbussystemen; und 4) eine fortschrittliche virtuelle Dämpfungssteuerungsstrategie für netzgekoppelte leistungselektronische Umrichter. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Messung von nicht-parametrischen Impedanzen. Für die Messung von Netzimpedanzen wird ein eigenständiges, steckerfertiges Messgerät namens Breitband-Frequenz-Netzimpedanz-Messgerät (WFZ) entwickelt. Ein Low-Power-Prototyp des vorgeschlagenen Geräts wurde gebaut. Die lineare Impedanzmessung wird zunächst durch Simulationen und anschließend durch experimentelle Messungen verifiziert. Zur Validierung des WFZ-Geräts wird eine Charakterisierung der Messunsicherheit durchgeführt. Der zweite Teil dieser Arbeit berücksichtigt die Nichtlinearität durch die FCM und erweitert den Messalgorithmus des WFZ-Bauelements, um FCM-Messungen zu ermöglichen. Es werden Charakterisierungsparameter für die Analyse und Interpretation der extrahierten FCM entwickelt. Es wurden simulative und experimentelle Messungen durchgeführt, um die FCM eines netzgekoppelten Umrichters zu extrahieren, gefolgt von einer Validierung der extrahierten FCM. Im dritten Teil der Arbeit wird eine nicht-parametrische Methode zur Überwachung der harmonischen Stabilität vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Methode erfordert nicht-parametrische Impedanzmessungen der aktiven Komponenten im Netz. Es wird ein Bus-Admittanz-Matrix-Ansatz in Betracht gezogen, um die nichtparametrischen Impedanzen der Stromrichter innerhalb des Netzes zu aggregieren. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht die Berechnung der minimalen Phasenspanne und der kritischen Frequenz, bei der eine Dämpfung erforderlich ist. Die Wirksamkeit der Methode wird empirisch durch Validierung an sternförmigen und vermaschten Stromnetzen demonstriert, wodurch ihre breite Anwendbarkeit in verschiedenen Netzkonfigurationen deutlich wird. Im letzten Teil der Arbeit wird ein nicht-parametrischer Ansatz zur Minderung der harmonischen Instabilität vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Methode besteht aus einem zentralen nicht-parametrischen Stabilitätsüberwachungswerkzeug, das die kritische Frequenz und Bandbreite identifiziert, die dann an die lokalen Wandler weitergegeben werden. Die Wandler implementieren die Dämpfung durch den vorgeschlagenen adaptiven virtuellen Dämpfungsregler, der als digitaler Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) mit adaptiven Parametern wie der kritischen Frequenz und Bandbreite implementiert ist; darüber hinaus wird ein auf einer Nachschlagetabelle basierender Ansatz vorgeschlagen, um die optimale Verstärkung des VDC auf der Grundlage der kritischen Frequenz und Bandbreite auszuwählen. Der vorgeschlagene VDC-Regler benötigt nur eine Netzstrommessung, wodurch eine Regelungsstruktur mit zwei Freiheitsgraden (2-DoF) entsteht. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wurde durch experimentelle Validierungen nachgewiesen. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag auf dem Gebiet der Impedanzmessgeräte, der Überwachung der Oberschwingungsstabilität auf Systemebene und der Entwicklung eines fortschrittlichen VDC, was zu Fortschritten auf diesen Gebieten führt.

A new paradigm has emerged with the increased proliferation of renewable energy sources (RES), which is enabled by the large-scale integration of grid-connected power electronic converters. These power electronic-dominated grids (PEDGs) pose new challenges to stability over a wide range of frequencies. Interaction among the power electronic-interfaced sources and non-linear loads may lead to the presence of undesirable harmonics and inter-harmonics, which distort the grid voltage and affect power quality. Depending on the operating conditions and damping in the power system, these inter-harmonics could remain sustained and resonate; the harmonic content may increase over a period, cause tripping of breakers, and potentially fully destabilize the grid. This phenomenon is known as harmonic instability. Due to the growing number of instances and failures experienced by grid operators, it is essential to develop methods to monitor and detect harmonic stability conditions. Over the last decade, several research studies have identified that harmonic stability can be characterized as an impedance phenomenon, and thus the impedance of converters would be required. Converter manufacturers protect the hardware and control systems of converters through Intellectual Property Rights (IPR), and thus black-box or non-parametric models of converters are required. Consequently, the choice of measurement method for rapid impedance extraction becomes vital, as does the characterization of such measurement devices. Aggregation of the extracted impedance data on a system level is crucial for system-level harmonic stability studies. To address harmonic stability issues, local compensation schemes are necessary to adjust the impedance of power converters and effectively introduce the desired damping. This dissertation aims to develop a standalone impedance measurement device, a harmonic stability monitoring algorithm for a multi-bus network, and a harmonic instability mitigation method. This dissertation proposes four major scientific contributions which enable harmonic stability monitoring and a safe operation of PEDGs: 1) a standalone impedance measurement device to extract the grid impedance in a non-parametric manner; 2) a Frequency Coupling Matrix (FCM) measurement method for power converters; 3) a non-parametric harmonic stability monitoring method for multi-bus power systems; and 4) an advanced virtual damping control strategy for grid-connected power electronic converters. The initial part of the thesis deals with the measurement of non-parametric impedances. A standalone plug-play measurement device called Wideband-frequency Grid Impedance (WFZ) measurement device is developed for the measurement of grid impedances. A low-power prototype of the proposed device is constructed. Linear impedance measurement is verified formerly by simulations followed by experimental measurements. Uncertainty characterization of the WFZ device is performed to validate the device. The second part of this thesis considers non-linearity through the FCM and extends the measurement algorithm of the WFZ device to accommodate FCM measurements. Characterization parameters are developed for the analysis and interpretation of the extracted FCM. Simulative and experimental measurements were carried out to extract the FCM of a grid-connected converter, followed by validation of the extracted FCM. The third part of the thesis proposes a non-parametric harmonic stability monitoring method. The proposed method requires non-parametric impedance measurements of active components in the network. A bus admittance matrix approach is considered to aggregate the non-parametric impedances of the power converters within the network. The proposed method enables the calculation of the minimum phase margin and the critical frequency where damping is required. The effectiveness of the method is demonstrated empirically through validation on both star and meshed power networks, showcasing its broad applicability across different network configurations. In the last part of the thesis, a non-parametric approach to harmonic instability mitigation is proposed. The proposed method consists of a centralized non-parametric stability monitoring tool that identifies the critical frequency and bandwidth, which are then published to the local converters. The converters implement the damping through the proposed adaptive Virtual Damping Controller, which is implemented as a digital Infinite Impulse Response (IIR) filter with adaptive parameters such as the critical frequency and bandwidth; furthermore, a look-up table-based approach is proposed to select the optimal gain of the VDC based on the critical frequency and bandwidth. The proposed VDC controller only requires grid current measurement, establishing a two-degree-of-freedom (2-DoF) control structure. Experimental validations were conducted to show the efficacy of the proposed approach. This thesis makes significant contributions in the areas of impedance measurement devices, system-level monitoring of harmonic stability, and the development of an advanced VDC, resulting in advancements in these fields.

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