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



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.