Robust Control and Stability Analysis of VSC Systems
Tid: Fr 2025-09-12 kl 09.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Feifan Chen , Elkraftteknik
Opponent: Professor Ioannis Lestas, University of Cambridge, Cambridge, England, UK
Handledare: Professor Xiongfei Wang, Elkraftteknik; Adjunct Professor Lennart Harnefors, Elkraftteknik
QC 20250815
Abstract
Den snabba integreringen av förnybara energikällor omvandlar traditionella kraftsystem till omriktardominerade nät som kännetecknas av låg tröghet och komplexa dynamiska egenskaper. Denna förändring medför grundläggande utmaningar för en stabil drift, särskilt risken för lågfrekventa svängningar där synkroniserings-, effekt- och spänningsregleringar är starkt kopplade. Avhandlingen angriper dessa lågfrekventa stabilitetsproblem ur tre sammanhängande perspektiv: regleringsdesign på omriktarnivå, decentraliserad stabilitetsbedömning och systemsamordning i miljöer med flera omriktare.
Den första delen behandlar regleringsdesign för nätanslutna spänningskällsomriktare (VSC). Arbetet inleds med grid-following-omriktare (GFL), som traditionellt förutsätter en stark nätimpedans för stabil drift. Med hjälp av blockdiagrammodellering identifieras grundorsaker till instabilitet, varefter en aktiv dämpningsstrategi (Q-VID) föreslås. Den möjliggör stabil funktion med 400 Hz PLL-bandbredd även vid mycket svaga nät med en kortslutningskvot (SCR) på 1,28. Därefter utvecklas ett grid-forming-schema (GFM) baserat på en PLL-synkroniserad arkitektur. Lösningen behåller GFL-metodens enkelhet och kompatibilitet samtidigt som den ger spännings- och frekvensstöd med god prestanda i både starka och svaga nät.
Effektiv regleringsdesign kräver tillförlitliga stabilitetsbedömningsmetoder som ger teoretiskt underlag och specificerar stabilitetskrav. Sådana metoder stöder dessutom risklokalisering, åtgärder, produktspecifikationer och uppfyllnad av nätkoder. Därför utvecklas i den andra delen ett roterat passivitetsindex som kombinerar passivitets- och multiplikatorteori, vilket möjliggör decentraliserad stabilitetsanalys över hela det relevanta frekvensområdet.
I den tredje delen utvidgas den föreslagna reglerings- och stabilitetsramen till system med flera omriktare. En impedansbaserad modell av parallellkopplade omriktare ligger till grund för ett enhetligt ramverk som möjliggör riskbedömning, identifiering av instabilitetskällor och åtgärder utan global systeminformation eller deltagarfaktoranalyser.
Sammanfattningsvis säkerställer denna doktorsavhandling stabil drift i omriktardominerade kraftsystem genom bidrag på tre nivåer: regleringsdesign för GFL- och GFM-omriktare, teoretiska verktyg för decentraliserad stabilitetsbedömning samt systemsamordning i nät med flera omriktare. Samtliga föreslagna metoder har verifierats genom både simuleringar och laboratorieexperiment och utgör tillsammans en sammanhållen och praktiskt användbar metodik för nästa generations nätintegration.