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Ebrahim ROKROK - Soutenances de These de Doctorat
PhD report
Topic : Electrical engineering
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Soutenance : 04 Juillet 2022
ECOLE CENTRALE DE LILLE, France
Ebrahim ROKROK
Grid-forming control strategies of power electronic converters in transmission grids:
application to HVDC link
Controle en grid-forming pour convertisseurs d'électronique de puissance: application
aux liaisons courant continus de Haute Tension (HVDC)
President :
Mohamed Machmoum, Professeur, Université de Nantes, IRENA
Rapporteurs :
Reza Iravani, Professeur, University of Toronto, Canada
Lie Xu, Professeur, University of Strathclyde, UK
Examinateur :
Sahar Pirouz Azad, Assistant Professor, University of Waterloo, Canada
Jon Are Suul, Associate Professor, Norwegian University of Science and
Technology, Norway
Invité:
Thibault Prevost, Engineer, RTE
Rodrigo Teixeira Pinto, Engineer, Siemens Energy
Encadrants:
Xavier Guillaud, Professeur des Universités, Centrale Lille Institut, L2EP
Bruno Francois, Professeur des Universités, ECentrale Lille Institut, L2EP
Antoine Bruyère, Associate professor, Centrale Lille Institut, L2EP
Proclamation des résultats
Abstract:
The rapid development of converter-based devices such as converter-interfaced
renewable generations and high-voltage direct-current (HVDC) transmission links is
causing a profound change into the very physics of the power system. In this scenario,
the power generation is shifted from the pollutant synchronous generators based on
nuclear or fossil fuels to converter-based renewable resources. The modeling, control,
and stability of the power converters are now one of the focuses of attention for
researchers. Today, power converters have the main function of injecting power into the
utility grid, while relying on synchronous machines that ensure all system needs (e.g.,
ancillary services, provision of inertia and reliable power reserves). This operation mode
of power converters is called "Grid-following". Grid-following converters have several
limitations, such as: inability to operate in a standalone mode, stability issues under
weak grids and faulty conditions and also, negative side effect on the system inertia. To
tackle these challenges, the grid-forming control as an alternative has shown its
appropriate performance that could make this kind of control a promising solution to
respond to the system needs and to allow a stable and safe operation of power system
with high penetration rate of power electronic converters.
In this thesis, a fundamental description of grid-forming control with a simplified
quasi-static modeling approach aiming to regulate the converter active power by a
voltage source behavior is presented. From the description, several variants of gridforming
strategies are identified that represent some differences in terms of active power
dynamic behavior, inertia emulation capability and system frequency support. Hence,
the presented grid-forming variants are then classified according to their
capabilities/functionalities. From the small-signal stability and robustness point of view,
the studied grid-forming controls, which are implemented to a 2-level VSC at first, show
their ability to operate under very weak grid conditions. Moreover, the ancillary services
such as inertial response and frequency support are appropriately provided to the AC
grid.
The questions of the grid-forming converters protection against overcurrent and their
post-fault synchronization while considering the current limitation are investigated and
a new method is proposed to enhance the transient stability of the system. All the
obtained results are then extended to a modular multi-level converter (MMC) topology
successfully.
The use of a grid forming control in an HVDC converter is interesting for the grid to
which it is connected due to the inertial effect that can be induced. Therefore, the final
part of this thesis evaluates the dynamic performance of an HVDC link interconnecting
two AC grids and highlights the proper strategy and requirements for inertia provision.
Résumé:
Le développement rapide d’équipements raccordés sur les réseaux
électriques avec des convertisseurs électroniques de puissance tels que
les générateurs à base d‘énergie renouvelable et les liaisons de
transmission sous haute tension continue entraîne un changement profond
dans la physique même du système électrique. Aujourd’hui, les
convertisseurs de puissance ont pour fonction principale d’injecter de
l’énergie dans le réseau électrique, ce dernier s’appuyant sur des
machines synchrones pour assurer tous les besoins nécessaires au
fonctionnement et à la conduite du système électrique (par exemple, les
services auxiliaires, la fourniture de réserve inertielle énergétique et
de réserves dynamiques et fiables de puissance). Ce mode de
fonctionnement des convertisseurs de puissance est appelé «
Grid-following » car suivant la tension alternative imposée au point de
raccordement. Il présente plusieurs limitations, telles que :
l’incapacité de fonctionner en mode autonome, des problèmes de stabilité
dans des réseaux faibles et des fonctionnements défectueux, ainsi que
des effets secondaires négatifs sur l’inertie du système. Pour relever
ces défis, une alternative est de contrôler le convertisseur
électronique de puissance pour générer et contrôler lui-même cette
tension alternative.
Dans cette thèse, une description fondamentale de cette commande en
grid-forming est présentée avec une approche de modélisation
quasi-statique simplifiée permettant de concevoir une régulation de la
puissance active échangée avec le réseau AC. Plusieurs variantes de
cette stratégie de contrôle sont mises en évidence et présentent des
différences en termes de comportement dynamique sur la puissance active,
de capacité d’émulation d’une réserve énergétique inertielle et de
prise en charge de la fréquence du système. Les variantes sont ensuite
classées en fonction de leurs capacités et fonctionnalités. Ces
stratégies de commande ont été implémentées pour un convertisseur à 2
niveaux. Suivant une analyse de stabilité dite « petits signaux », la
robustesse et leur capacité à fonctionner sur un réseau faible sont
démontrées. De plus, les services auxiliaires tels que la réponse
inertielle et le support au contrôle de la fréquence sont fournis de
manière appropriée au réseau AC.
Les questions de la protection contre les surintensités et de la
synchronisation après défaut (tout en tenant compte de la limitation de
courant) sont étudiées et une nouvelle méthode est proposée pour
améliorer la stabilité transitoire du système électrique. Les résultats
obtenus sont ensuite généralisés à une topologie de convertisseur
multi-niveaux modulaire (MMC) avec succès.
Avec cette commande, la fourniture d’une réserve énergétique inertielle
est particulièrement intéressante pour gérer les transferts de puissance
à l’interconnexion d’un réseau continu haute tension avec le réseau
alternatif de transport d’électricité. La dernière partie de cette thèse
évalue les performances dynamiques d’une liaison HVDC interconnectant
deux réseaux AC et met en évidence la stratégie et les exigences
appropriées pour la fourniture de réserve inertielle.
Contenu :
Chapter 1: Introduction
Chapter 2: Fundamentals on synchronization, power control and service
provision of a power electronic converter connected to an AC system
Chapter 3: Current Limitation and Transient Stability
Chapter 4: Grid-forming control of a modular multi-level converter
Chapter 5: General conclusions and recommendations for future works
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>
Publications:
Journals
[J1]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
“Transient Stability Assessment and Enhancement of Grid-Forming
Converters Embedding Current Reference Saturation as Current Limitation
Strategy”",
IEEE Transactions on Power Systems, 03/2022 vol.37 Issue 2
[J2]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
"
Integration of a Storage Device to the DC Bus of a Grid-Forming Controlled HVDC Interconnection
"
Electric Power System Research, Elsevier, Vol. 212, November 2022, 108601, https://doi.org/10.1016/j.epsr.2022.108601
[J3]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud
"
Classification and Dynamic Assessment of Droop-Based Grid-Forming Control Schemes: Application in HVDC Systems
"
Electric Power System Research, Elsevier, Volume 189, December 2020, 106765
[J4]
T. Qoria, E. Rokrok, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud
"
A PLL-Free Grid-Forming Control With Decoupled Functionalities for High-Power Transmission System Applications
"
IEEE ACCESS, Elsevier, Volume 8, 2020, 197368
International conferences
[C1]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
”Integration of a Storage Device to the DC Bus of a Grid-Forming Controlled HVDC Interconnection",
Power System Computation Conference (PSCC2022), Porto, Portugal, 2022.
[C2]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
"Classification and Dynamic Assessment of Droop-Based Grid-Forming Control Schemes: Application in HVDC Systems"
Power System Computation Conference (PSCC2020), Virtual Conference, 2020.
[C3]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
"Impact of Grid-Forming Control on the Internal Energy of a Modular-Multi-Level Converter"
22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’20 ECCE Europe), Virtual Conference, 2020.
[C4]
E. Rokrok, T. Qoria, A. Bruyere, B. Francois, X. Guillaud,
"Effect of Using PLL-Based Grid-Forming Control on the Active Power Dynamics Under Various SCR"
IECON 2019-45 th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Lisbon, Portugal, 2019.