Impedance-Based Stability Analysis in Smart Grids with Large Penetration of Renewable Energy

L'ampia diffusione delle risorse di energia distribuite ha portato ad uno scenario dove la penetrazione di fonti rinnovabili è molto elevata e può significativamente influenzare la rete. La crescente complessità di questi sistemi richiede un adeguato studio della stabilità: l'approccio basato sulle impedenze ha come uno dei maggiori vantaggi la possibilità di caratterizzare i componenti separatamente, ad esempio sorgente e carico, e di stimare la stabilità ad una determinata interfaccia applicando il criterio di Nyquist al rapporto di impedenze. Questo metodo è stato largamente utilizzato nei sistemi DC, per analizzare le interazioni tra convertitori e prevedere la stabilità del sistema finale anche in caso di più convertitori parallelo, spesso utilizzando criteri per limitare le interazioni e garantire una configurazione stabile. Successivamente il metodo è stato esteso a sistemi trifase, dove la configurazione con ingressi ed uscite multiple richiede l'utilizzo del criterio generalizzato di Nyquist per analizzare la stabilità. Il primo caso presentato in questo lavoro è un grande impianto fotovoltaico connesso alla rete, dove il controllo degli inverter è fornito nel sistema di riferimento abc e, considerando un sistema bilanciato e simmetrico, l'inverter equivalente monofase è stato utilizzato in questa analisi. La stabilità è determinata seguendo il metodo basato sulle impedenze precedentemente citato, includendo anche il contributo del generatore equivalente. L'effetto di moltiplicazione di impedenza è qui formalizzato anche nel caso di inverter paralleli non uguali. L'influenza dell'impedenza di linea e della taglia dell'inverter sono considerate. Il risultato dello studio è un approccio che include un'accurata analisi di stabilità, come negli approcci basati su sistemi multi-input e multi-output, e la modularità, come negli approcci basati sulle impedenze. Inoltre, la sensibilità rispetto alla rete è stata studiata per il caso di inverter paralleli multipli, con lo scopo di analizzare come questa si modifica con un crescente numero di connessioni. Recentemente, l'interesse sulle reti ibride con generatori diesel e sistemi di accumulo di energia tramite batterie stanno ricevendo maggiore attenzione perché una ogni cinque persone vive senza accesso all'elettricità. Questa soluzione non connessa alla rete principale è quindi in grado di fornire una generazione continua ed integrare le energie rinnovabili nel sistema. La seconda parte si concentra nella modellizzazione di una rete ibrida trifase, dove il generatore diesel è controllato con controllo isocrono e gli inverter, utilizzati come interfaccia per le batterie, sono gestiti con un controllo droop con dei loop esterni addizionali per fornire l'inseguimento dei riferimenti di potenza quando connessi al generatore. Sono riportati nella tesi i risultati sperimentali del sistema con un generatore diesel a 400kVA e fino a 300kVA dalle batterie. L'analisi ha portato ad una completa riproduzione dell'interazione tra il generatore diesel e un crescente numero di inverter connessi, nel qual caso l'inerzia totale del sistema cambia. Tuttavia, in letteratura non è presente alcuna analisi di stabilità abbastanza accurata per analizzare un sistema di una tale complessità e per predire eventuali instabilità. La modularità dell'analisi di stabilità basata sulle impedenze può quindi fornire una suddivisione di questa complessità, e quindi è un approccio opportuno. In questo lavoro, l'impedenza di uscita di un inverter controllato in droop è determinata, con lo scopo di caratterizzare questo elemento largamente utilizzato in applicazioni non connesse alla rete. Dopo aver determinato il punto operativo, il modello analitico dell'impedenza di uscita è derivato riferendosi sia al controllore interno al convertitore che al sistema, includendo l'effetto dell'impedenza di disaccoppiamento e delle dinamiche interne dell'inverter. Infine, questo lavoro presenta uno strumento matematico per convertire le impedenze da un sistema di riferimento dq ad un altro. È fornito un esempio di applicazione di questo strumento di conversione nel caso dell'inverter controllato in droop, con lo scopo di provare la correttezza della trasformazione.