Enabling the real-time simulation of low-inertia power systems by dynamic phasor modelling and efficient computing methods

Dinkelbach, Jan; Monti, Antonello; Benigni, Andrea

doi:HT031039609

Enabling the real-time simulation of low-inertia power systems by dynamic phasor modelling and efficient computing methods

Dinkelbach, Jan^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeJan Dinkelbach, Institute for Automation of Complex Power Systems

Ausgabe1. Auflage

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

Umfangxvi, 221 Seiten : Illustrationen

ISBN978-3-948234-53-9

ReiheE.On Energy Research Center ; 139

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* ; Benigni, Andrea (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04083
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010403/files/1010403.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Echtzeitsimulatoren gewinnen für das Design, das Testen sowie die Analyse von Elektrizitätsversorgungssystemen zunehmend an Bedeutung. Derartige Simulatoren interagieren mit Hardware- und Softwarekomponenten synchron zur realen Zeit. Die Anwendung erleichtert das Design von heutigen und zukünftigen Komponenten des Elektrizitätsversorgungssystems und ermöglicht das Testen von Komponenten in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses. Eine wesentliche Anforderung bei Echtzeitsimulationen ist das Erreichen von deterministischen und ausreichend schnellen Berechnungszeiten in jedem Simulationsschritt für eine korrekte Interaktion mit den zu testenden Komponenten. Die Durchführung von Echtzeitsimulationen wird besonders durch neu- und komplexartige Dynamiken herausgefordert, welche in trägheitsarmen Elektrizitätsnetzen auftreten. Diese Dynamiken entstehen durch die schrittweise Ersetzung der Synchronmaschine, eine weitverbreitete Erzeugungseinheit in konventionellen Kraftwerken, durch leistungselektronische Komponenten, welche typischerweise erneuerbare Anlagen mit dem Elektrizitätsnetz verbinden. Dies führt zu Dynamiken, welche im Bereich zwischen elektromagnetischen und elektromechanischen Phänomenen liegen, und stellt die Anwendung der zwei üblicherweise zugehörigen Simulationstypen infrage. Während Elektromagnetisch-Transiente (EMT) Simulationen auf einer Zeitbereichsmodellierung basieren und mit einem hohen Rechenaufwand verbunden sein können, zeigen quasistationäre Simulationen basierend auf einer Modellierung mittels konventioneller Phasoren möglicherweise nicht immer alle relevanten Dynamiken. Daher zielt diese Arbeit auf fortgeschrittene Modellierungs- und effiziente Berechnungsmethoden ab, die gemeinsam angewandt die Echtzeitsimulation von trägheitsarmen Netzen ermöglichen. Zum einen wird die Anpassung des Modellierungsparadigmas unter Verwendung von dynamischen Phasoren, welche durch die Shifted Frequency Analysis (SFA) in der Literatur eingeführt wurden, betrachtet und hierbei mit den zwei konventionellen Simulationstypen verglichen. Zum anderen untersucht diese Arbeit effiziente Berechnungsmethoden, welche einen hohen Grad an Stabilität und Genauigkeit der Simulation bieten während sie den Rechenaufwand minimal halten, wobei ein besonderer Fokus auf der Integration von nichtlinearen Komponentenmodellen liegt. Die wesentlichen Beiträge der Arbeit decken sowohl Modellierungs- als auch Berechnungsmethoden für die Echtzeitsimulation von trägheitsarmen Elektrizitätsnetzen ab. Zunächst wird die Anpassung des Modellierungsparadigmas unter Verwendung von dynamischen Phasoren gemäß der SFA vorgeschlagen und mittels Simulationsexperimenten mit den konventionellen Modellierungsmethoden in quasistationären und EMT Simulationen verglichen. Hierbei ist ein wesentlicher Beitrag die vergleichende Analyse der Simulationsgenauigkeit der drei Modellierungsmethoden, wobei die Simulationsschrittweite als wesentlicher Einflussparameter in Echtzeitsimulationen systematisch miteinbezogen wird. Die Analyse betrachtet hierbei Szenarien mit verschiedenen Arten von Transienten und charakteristischen Zeitkonstanten, wobei sowohl konventionelle Transienten im elektromagnetischen und elektromechanischen Bereich als auch neuartige Transienten, welche durch leistungselektronische Komponenten und in trägheitsarmen Systemen auftreten, berücksichtigt werden. Durch die Analyse lässt sich aufzeigen, für welche Arten von Transienten und Simulationsschrittweiten die Durchführung von Echtzeitsimulationen mittels dynamischer Phasoren besonders vorteilhaft ist. Außerdem befasst sich die Arbeit mit der effizienten Integration von nichtlinearen Komponentenmodellen in Echtzeit-Solver, die auf der Modified Nodal Analysis (MNA) basieren. Ein zweiter wesentlicher Beitrag der Arbeit ist dabei die Präsentation von drei Methoden zur Integration von Synchrongeneratormodellen reduzierter Ordnung in Systemsimulationen, welche auf dynamischen Phasoren basieren. Jede der Integrationsmethoden impliziert unterschiedliche Auswirkungen auf das Lösungsverfahren einer Echtzeitsimulation. Eine vergleichende Analyse der präsentierten Methoden wird mittels Simulationsexperimenten unter Berücksichtigung von Stabilität, Genauigkeit und Rechenleistung durchgeführt, um aufzuzeigen, in welchen Fällen die Methoden sinnvoll einzusetzen sind. Zur Beschleunigung der numerischen Lösung der MNA basierten Echtzeitsimulation untersucht die Arbeit zudem performante LU-Zerlegungsmethoden. Insbesondere werden partielle Refaktorisierungsmethoden aus der Literatur übernommen und bezüglich ihrer Effektivität in Echtzeitsimulationen mit nichtlinearen Komponentenmodellen analysiert. Ein dritter wesentlicher Beitrag der Arbeit ist die Präsentation eines Faktorisierungspfadalgorithmus zur partiellen Refaktorisierung sowie spezieller Matrixsortierungen zur zusätzlichen Berechnungsbeschleunigung. Zur Herausstellung ihres Potenzials zur Beschleunigung von Echtzeitsimulationsberechnungen werden die entwickelten LU-Zerlegungsmethoden bezüglich ihrer Rechenleistung anhand von Simulationsexperimenten analysiert.

Real-time simulators are becoming increasingly popular for the design, testing and analysis of power systems. These types of simulators interact with hard- and software components in synchronism with the wall-clock time. Their application facilitates the design of today’s and future power system components and enables a component testing in an early stage of the development process. A crucial requirement in real-time simulation is to accomplish deterministic and sufficiently fast computation times in each simulation step for a proper interaction with the components under test. The performance of real-time simulations becomes particularly challenged by new and complex types of power system dynamics occurring in low-inertia power systems. These dynamics originate from the gradual replacement of the synchronous machine, as widely utilized generation unit in conventional power plants, by power electronic devices, which typically connect renewable power plants to the grid. This causes dynamics falling in the range between electromagnetic and electromechanical phenomena and questions the application of the two commonly associated simulation types. While Electromagnetic Transient (EMT) simulations based on time domain modelling may suffer from a high computational effort, quasi-stationary simulations relying on conventional phasor modelling may not always show all the relevant dynamics. Therefore, this thesis aims at advanced modelling and efficient computing methods that employed together enable the real-time simulation of low-inertia power systems. On the one hand, it investigates the change of the modelling paradigm using dynamic phasors, as they have been introduced by the Shifted Frequency Analysis (SFA) in literature, and compares it with the two conventional simulation types. On the other hand, this thesis examines efficient computing methods that shall provide a high level of stability and accuracy of the simulation while keeping the computational effort minimal, with a particular focus on the incorporation of nonlinear component models. The major contributions of this thesis cover both modelling and computing methods for the real-time simulation of low-inertia power systems. First, the thesis proposes the change of the modelling paradigm using dynamic phasors according to the SFA and compares it via simulation experiments with the conventional modelling in quasi-stationary and EMT simulations. In this regard, a major contribution is the comparative analysis of the simulation accuracy of the three modelling methods while incorporating systematically the simulation step size as essential influence parameter in real-time simulation. The analysis considers scenarios including various types of transients with characteristic time constants covering conventional types in the electromagnetic and electromechanical range as well as new types of transients occurring in the presence of power electronics devices and in systems with low inertia. This allows to indicate for which types of transients and simulation step sizes the performance of dynamic phasor based real-time simulations is particularly advantageous. Besides, the thesis deals with the efficient incorporation of nonlinear component models into real-time solvers which are based on the Modified Nodal Analysis (MNA). As a second major contribution, it presents three methods for the interfacing of reduced-order synchronous generator models with dynamic phasor based system simulations. Each interfacing method implies distinct impacts on the solution procedure of the real-time simulation. A comparative analysis of the presented methods is carried out via simulation experiments regarding their stability, accuracy and computational performance in order to indicate in which cases they are usefully employed. For speeding up the numerical solution of the MNA based real-time simulation, the thesis investigates additionally high-performance LU decomposition methods. In particular, partial refactorisation approaches are adopted from literature and analysed regarding their effectiveness for real-time simulations including nonlinear component models. A third major contribution is the presentation of a factorisation path algorithm for partial refactorisation and special matrix orderings that target an additional speedup. The thesis analyses the computational performance of the developed LU decomposition methods via simulation experiments to highlight their capability of computation speedup in real-time simulation.

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