Modeling of Large-Scale Power Electronics Based Power System

In modern power systems, the increase in renewable energy resources enables power system to replace carbon-intensive energy resources, which can significantly reduce carbon dioxide emission and fight against climate change.Among various renewable energy resources, solar and wind energies have dominated the growth of renewable energy for 20 years, and they still maintain the momentum of growth, which are expected to be even more dominant.Whether it is solar PV generation or wind power generation, these two kinds of renewable energy resources often require power converters interface to connect to the power grid.Due to the demand for power electronic-interfaced renewable energy resources steadily grows, the penetration level of power electronics in modern power systems increases constantly.Since the control dynamics of power electronic converters are multi-time-scale, the interactions between power electronic converters can introduce not only high-frequency voltage and current harmonics into the grid, but also the oscillations in a wide frequency range, which may cause power quality and system stability challenges.Therefore, to achieve a successful transition to a power electronics-based power system, small-signal modeling methods capable of describing the interactions between adjacent multiple converters in large-scale converter-based power system should be developed.For the system-level stability analysis in power electronic based power systems, it is now achieved by using the aggregated models and reduced-order models developed for synchronous generator based power system in the meantime.Thus, the power-electronicfocused aggregated models are required to evaluate the system stability in a large-scale converter-based power system.To tackle these issues, this Ph.D. project proposes a small-signal modeling method and stability criterion for single converter and multi-converter systems, which are verified through experimental tests.To further investigate how the parameters in converters affect the oscillations in the system caused by the control dynamics of converters, this Ph.D. project proposes an improved sensitivity analysis method, which can be used to enhance system damping.By employing the presented models, an aggregated model considiii ering the modularity, scalability, and flexibility can be derived.Accordingly, an workflow for modeling and analyzing large-scale power electronics based power system is summarized, where the presented workflow may be used in future power electronics-based power systems to increase the power system reliability. Dansk ResuméI takt med en stigende andel af vedvarende energikilder i det moderne elnet, erstattes teknologier som baserer sig på kul og fossile brændsler, hvilket har en positiv effekt i forhold til bekæmpelsen af klimaforandringerne.Blandt de forskellige vedvarende energikilder har især sol-og vindbaseret energi domineret den samlede vækst af vedvarende energi og den nuværende vækst forventes at tiltage yderligere i den kommende fremtid.I de førnævnte vedvarende energiteknologier kræves der effektelektroniske konvertere til at processere den elektriske effekt inden den leveres til elnettet.På grund af den stadig større implementering af vedvarende energikilder øges mængden af den nødvendige effektelektronik som skal udgøre grænsefladen mellem energikilderne og elnettet.På grund af at kontroldynamikken af effektelektroniske konvertere foregår over flere tidsskalaer, baserer interaktionen mellem disse konvertere ikke kun i form af højfrekvente strøm-og spændingsovertoner men også i form lavfrekvente svingninger.Disse lavfrekvente svingninger kan skabe udfordringer med hensyn til strømkvalitet og systemstabilitet.For at opnå en vellykket overgang til et effektelektronikbaseret elforsyningssystem, kræves det at der udvikles småsignal modelleringsmetoder, der er i stand til at beskrive de interaktioner der opstår i storskala systemer hvor flere konvertere er lokaliseret i nærheden af hinanden.Med hensyn til de eksisterende systemanalyser af effektelektroniske systemer består af samle modeller af delsystemer og modeller af reduceret kompleksitet som normalt er anvendt på synkron generatorbaseret elsystemer.Derfor er der et behov evaluere systemstabilitet ved hjælp af modeller som gør sig egnet til storskala konverterbaseret elsystemer.For at overkomme disse problemstillinger, præsenterer dette Ph.D. projekt en småsignal modelleringsmetode og et stabilitetskriterie for både enkeltkonverter -og multikonvertersystemer, som verificeres gennem eksperimentelle tests.Med henblik på at yderligere undersøge, hvordan konverternes kontrolparametre påvirker eventuelle svingninger i systemet, som er direkte forårsaget af konverterens kontroldynamik, præsenterer dette Ph.D. projekt en forbedret sensitivitetsanalyse, som kan anvendes til at forbedre systemdæmpningen.Ved at anvende de præsenterede modeller kan der udledes en samlet v model, som tager højde for modularitet, skalerbarhed og fleksibilitet.Endelig opsummeres en tilsvarende oversigt over den arbejdsgang som kræves til modellering og analyse af effektelektroniskbaseret elsystemer, hvor denne arbjedsgang kan anvendes i fremtidige energisystemer med henblik på at øge disse systemers pålidelighed.