A Grid-Forming Control Concept from Power System Perspective

Abstract

The increasing deployment of inverter-based resources (IBRs) in power systems has fundamentally shifted their roles, requiring them to deliver many grid services traditionally provided by synchronous machines. While most existing IBRs are grid-following, tracking the system frequency, the vision of a 100 % converter-operated grid requires these resources to establish grid voltage and frequency actively. This transformation necessitates grid stability, adequate response to disturbances, and reliable ancillary services, thereby leading to the emergence of advanced Grid-Forming (GFM) control strategies. These approaches leverage the speed and flexibility of power electronic converters alongside the stabilizing characteristics of synchronous machines, enabling effective support for microgrids and bulk power systems. This thesis introduces a novel GFM converter control strategy from a power system perspective that attains global stability. The approach is developed in three phases. In Phase 1, the 'Phase Restoring Principle' (PRP) is introduced, which utilizes an innovative angular transformation to generate a nominal grid frequency without an additional master control. Hence, emulating an ideal source with infinite inertia and the response is free of undesirable swing dynamics. Building on this foundation, Phase 2 incorporates an enhanced active power control to achieve steady-state active power limitation and facilitates cooperation with other sources through arbitrary setpoint dispatches. Phase 3 addresses current limitations based on the voltage magnitude limiter concept with innovative usage of anti-windup methods. Thus, protecting semiconductor devices during severe faults while preserving GFM characteristics. Comprehensive validation is provided through analytical derivations, numerical simulations in various simulation domains, and a laboratory environment by adopting Power-Hardware-in-the-Loop tests. The results confirm global stability and robust performance across various network configurations, demonstrating that the developed control scheme is mature and viable for practical GFM field applications. Die weltweit zunehmende Anzahl von Umrichtern in elektrischen Netzen, erfordert eine Übernahme von Systemdienstleistungen durch diese, die traditionell von Synchronmaschinen erbracht werden. Während die meisten Umrichter netzfolgend arbeiten, erfordert die Vision eines zu 100 % auf erneuerbaren Energien (EE) basierenden Systems die Fähigkeit die Netzspannung und somit die Netzfrequenz ausschließlich mit Umrichtern zu bilden. Dies hat zur Entwicklung verschiedener netzbildender Regelungskonzepte geführt, die die Dynamik und Flexibilität leistungselektronischer Komponenten mit den stabilisierenden Eigenschaften von Synchronmaschinen vereinen. Die Herausforderung bleibt jedoch, robuste netzbildende Regelungen zu entwickeln und die Interoperabilität unterschiedlicher Anlagen auch unter kritischen Netzbedingungen sicherzustellen. Diese Arbeit stellt in drei Entwicklungsphasen ein neues netzbildendes Regelungskonzept vor, das den Anforderungen des Stromnetzes gerecht wird. Phase 1 führt das „Phase Restoring Principle“ (PRP) ein, das eine Winkeltransformation nutzt, um eine nominale Netzfrequenz zu erzeugen, ohne auf eine überlagerte Regelung angewiesen zu sein. Dadurch verhält sich das System wie ein physikalisches Netzäquivalent mit hoher Trägheit, vergleichbar mit einer idealen Spannungsquelle. Außerdem wird eine schwingungsfreie Reglerantwort erreicht. Aufbauend auf PRP wird in Phase 2 eine optimierte Wirkleistungsregelung implementiert, um den Verbundbetrieb mit anderen Erzeugungsanlagen zu ermöglichen. In Phase 3 wird eine Strombegrenzung auf Basis innovativer Regelungsansätze wie Anti-Windup-Methoden entwickelt, wobei die netzbildenden Eigenschaften erhalten bleiben und auch bei schwerwiegenden Fehlern ein sehr gutes Regelverhalten gewährleistet wird. Die Validierung erfolgt analytisch, durch numerische Simulationen von elektromagnetischen und elektromechanischen Transienten im Zeitbereich, sowie experimentell an einem Power-Hardware-in-the-Loop Prüfstand. Die Ergebnisse bestätigen die globale Stabilität und Zuverlässigkeit der Regelung in verschiedenen Netzkonfigurationen. Das entwickelte Konzept ist ausgereift und für den großflächigen Praxiseinsatz geeignet.