The aim of this project is to analyze how increasing the share of converter-based power production in a power system affects the small signal stability. The project also aims to stabilize systems using Power System Stabilizers (PSSs), and examine the effect of two different types of power electronic converters: grid following (GFL) and grid forming (GFM). To do this, a short-circuit fault is simulated in a two-area four-machine power system using DIgSILENT PowerFactory. The project examines how replacing one of the synchronous machines with a converterbased power source affects the system’s stability. Modal analysis is used to assess the small signal stability, as well as to tune the PSS. In the project PSSs are successfully used to stabilize systems, both with and without converter-based power production. The study also finds that implementing power production using GFL worsens the small signal stability while GFM improves it. / Syftet med det här projektet är att analysera hur den ökande andelen converter baserad elproduktion påverkar small signal stability i ett elkraftsystem. Projektets syft är också att stabilisera system med Power System Stabilizers (PSSs), och undersöka påverkan av två typer av effektelektronik: grid following converter (GFL) och gird forming converter (GFM). Det görs genom att simulera ett kortslutningsfel i ett elkraftsystem med DIgSILENT PowerFactory. I projektet undersöks hur systemets stabilitet påverkas av att ersätta en synkrongenerator med effektelektronik-kopplad elproduktion. Egenvärdesanalys används för att undersöka small signal stability och implementera PSS. I projektet lyckas stabiliseringen med PSS för både systemet med och utan effektelektronik-kopplade energikällor. Studien visar också att genom implementeringen av energikällor med sämras stabiliteten, medan GFM förbättrar den. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

In this report, the effect that a higher penetration ofrenewable energy sources has on electric power grid stability isevaluated. The report also compares different methods of stabilizingan unstable grid. The model used is a two-area four-machinesystem and the main objective is to stabilize the synchronousgenerators such that they revert back to synchronism afterbeing subjugated to a small signal disturbance. The stabilizationmethods consists of supplementary Power System Stabilizers(PSSs) complementing the exciter systems of the synchronousmachines, as well as two types of converter-based controllers inthe renewable energy source: Grid-Following (GFL) convertersand Grid-Forming (GFM) converters. The results show thata system with renewable energy sources is more sensitive todisturbances and has a larger rotor angle deviation from a steadystate when using only GFLs compared to the conventional gridwithout PSSs. It is also found that a conventional grid requiressupplementary PSSs to be stable. This is also the case for asystem with renewable energy controlled by GFL. The systemwith GFM controllers does however not need supplementary PSSto be stable. This leads to the conclusion that GFM is morepreferable than GFL to control a grid with a higher penetrationof renewable energy. / I denna rapport utvärderas hur en högre andel förnybara energikällor påverkar stabiliteten i elnät, och jämför också olika metoder för att stabilisera ett instabilt nät. Modellen som används var ett två-områdes-fyrmaskinsystem och huvudsyftet är att stabilisera synkrongeneratorerna så att de återgår till synkronism efter att ha utsatts för en liten småsignalsstörning. Stabiliseringsmetoderna består av kompletterande Power System Stabilizers (PSS:er) som kompletterade exciteringssystemen i synkronmaskinerna, samt två typer av omvandlarbaserade styrenheter i den förnybara energikällan: Grid-Following (GFL)-omvandlare och Grid-Forming (GFM)omvandlare. Resultaten visar att ett system med förnybara energikällor är mer känsligt för störningar och har en större rotorvinkelavvikelse från ett stationärt tillstånd när GFL-kontroller används jämfört med det konventionella nätet utan PSS:er. Det visar sig också att ett konventionellt nät kräver kompletterande PSS:er för att vara stabilt. Detta är också fallet för ett system med förnybar energi som enbart kontrolleras av GFL-omvandlare. Systemet med GFM-omvandlare behöver dock inte kompletterande PSS för att vara stabilt. Detta leder till slutsatsen att GFM är mer att föredra än GFL för att kontrollera ett nät med högre andel förnybar energi. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

<p>The ongoing and rapidly accelerating integration of inverter-based resources (IBRs), such as solar panels, into power distribution systems has heightened the importance of computational tools that can be used to study the dynamics of such systems. IBRs use power electronics to interface the energy sources to the grid, thereby introducing faster dynamics than their electromechanical counterparts, which could lead to instabilities in distribution systems and microgrids. Hence, there is a need for conducting simulations of distribution systems containing large numbers of single- and three-phase inverters, which could be operating under either grid-following or grid-forming modes.</p> <p>A key objective of this thesis is to derive detailed, high-fidelity models of inverters and their controls in the context of unbalanced distribution networks. In addition, a diesel synchronous generator model is derived, for the sake of completeness. The main contribution of this work is that these models are developed for use in a novel simulation toolbox called Dynamic Simulation Tool using a Sparse Tableau Approach in Python, DynaSTPy (pronounced dynasty). This thesis outlines how the components can be modeled in the sparse tableau framework as electrical networks with topology described using a node-branch incidence matrix. In addition, the thesis explains how controller dynamics and constraints can be handled within this framework. These models are tailored to seamlessly integrate into the DynaSTPy toolbox. The proposed approach can be readily extended to model other such components in the future.</p>

The study carried out in this master thesis is part of a larger project led by Energynautics GmbH focusing on renewable energy development in the Caribbean. One of the Caribbean states, consisting of multiple islands, has set a target of 30 % of renewable energy in the power sector by 2030. The first objective of the thesis is to develop optimal generation capacity expansion plans for two different islands of this country, utilizing solar PV generation, which is the only available renewable energy resource. To achieve this objective, three main tasks are identified. The first is the development of an optimal generation capacity expansion plan for the next three years using the optimization tool HOMER Energy. At the beginning only diesel generation is present on the islands. For each study case year, the installed capacity of PV and BESS is optimized and enabling technologies such as curtailment (controllability of PV) and grid-forming inverters are deployed. The second task focuses on the development of a new dispatch strategy, improving on the black box dispatch algorithms built into HOMER. The dispatch strategy minimises the cost of electricity generation and is based on a rolling 48 hours forecasts of the load and PV. It is implemented in MATLAB and linked to HOMER via the built-in MATLAB interface. As HOMER is focused on generation expansion and dispatch and inherently neglects the grid, a grid study is required to assess the stability of the network. This study is the last task of the thesis and is limited to determined steady-state voltage and the asset loading on one of the studied islands through load flow simulations in DIgSILENT PowerFactory. It is shown that there are no major issues even at high PV shares, however, grid performance can be improved if the PV unit is equipped with reactive power capability to control the voltage. A study on the impact of the Q(U)- control and the PQ-capability of the PV and BESS inverters is performed. / Studien som genomförts i detta examensarbete är en del av ett större projekt vilket leds av Energynautics GmbH med fokus på utveckling av förnybar energi i Karibien. En av de Karibiska staterna, bestående av flera öar, har ett mål på 30 % förnybar energi i elkraftssektorn innan 2030. Första syftet med examensarbetet är att utveckla optimala utbyggnadsplaner för produktionskapaciteten för två olika öar i detta land, med användning av solcellsproduktion, vilket är den enda tillgängliga förnybara energikällan. Den första uppgiften är utvecklingen av en optimal utbyggnadsplan för produktionskapaciteten för de kommande tre åren med optimeringsverktyget HOMER Energy. Från början fanns det bara dieselgeneratorer på öarna. För varje studerat år optimeras den installerade kapaciteten av PV och BESS samt aktivering av möjliggörande teknologier som begränsning av PV-produktion och grid-forming växelriktare. Den andra uppgiften fokuserar på utvecklingen av en ny driftsstrategi, förbättring av den basala driftsalgoritm som är inbyggd i HOMER. Driftsstrategin minimerar kostnaden av elproduktionen och är baserad på en 48 timmars prognos av laster och PV. Den är implementerad i MATLAB och kopplad till HOMER via det inbyggda MATLABgränssnittet. Eftersom HOMER fokuserar på produktionsutbyggnad och drift och i praktiken försummar elnätet, krävs en studie av elnätet för att utvärdera stabiliteten av elnätet. Studien av denna sista uppgift i examensarbetet är begränsad till att bestämma spänningen vid jämnviktsläge och den utvärderade lasten på en av de studerade öarna genom belastningsfördelningsberäkning i DIgSILENT PowerFactory. Det visade sig att det inte fanns några stora problem även med stora andelar PV, men elnätets prestanda kan förbättras om PV-omriktarna är utrustade med reaktiv effektstyrning som kontrollerar spänningen. En studie avinverkan från Q(U)-styrning och PQ-kapacitet av PV- och BESS-växelriktare har utförts.