Fiche individuelle

This paper introduces a Type-IV wind turbine interfaced to a grid-forming converter. In order to retain the stable operation of a wind turbine in the presence of a grid-forming control, the classical control of a back-to-back converter has to be modified. The modification of this control creates a strong link between a wind turbine and grid dynamics. From the grid side perspective, this link allows provision of the inertial response from a wind turbine during transient events. On the wind turbine side, this coupling causes the appearance of the torsional vibrations within the drivetrain structure. These vibrations are then propagated to the grid as power oscillations. As a result, there is a negative impact on the mechanical components of a wind turbine as well as on the power system operation. In this work, a solution is introduced in order to suppress the undesired vibrations by applying a damping technique to the control of a back-to-back converter combined with a grid-forming control. Based on the conducted analysis, the addition of a damping filter results in the mitigation of torsional vibrations.

This paper proposes the analysis of the frequency support from a Type-IV wind turbine interfaced to the grid via a grid-forming converter. The frequency support including the inertial response and the fast primary frequency support is implemented by integrating a grid-forming control to the control a back-to-back converter. Knowing that the inertial response from a grid-forming converter can be tuned by varying the inertia constant of a grid-forming control, it is possible to extract different amounts of kinetic energy from the rotating masses of a wind turbine and positively impact the grid frequency dynamics during a grid frequency event. However, the increased inertial response may lead to an increased loading imposed on the mechanical components of a wind turbine. To elaborate and verify these statements, the analysis is aimed at two objectives. Firstly, it is estimated through time domain simulations whether the inertial response from a grid-forming control-based wind turbine has a significant active power contribution or can be neglected compared to the share of the primary frequency support. Secondly, based on the analyzed impact of the inertial response on the grid frequency and the mechanical loading, a value of the inertia required from a wind turbine with a grid-forming converter is recommended.

Des centrales éoliennes (WPPs) constituent une part significative des sources d'énergies renouvelables interfacées au réseau électrique avec les convertisseurs électroniques de puissance. Jusqu'à présent, presque tous ces convertisseurs sont connectés au réseau en mode de fonctionnement appelé grid-following. Dans les années à venir, au moins certains d'entre eux passeront au mode de fonctionnement appelé grid-forming.Le contrôle d’un convertisseur en grid-forming est différent d'un contrôle classique en grid-following. Par conséquent, afin de faire fonctionner une éolienne de Type-4 en grid-forming, il est nécessaire de modifier la configuration de commande du convertisseur en tête-bêche. La modification appropriée de la commande crée un fort couplage entre le convertisseur grid-forming et la partie mécanique de l’éolienne. Ce couplage induit plusieurs effets négatifs sur le fonctionnement de l’éolienne. Le principal effet est la variation rapide du couple électromagnétique de la génératrice, qui entraîne une augmentation des vibrations de torsion induites dans le système d’entraînement mécanique d’une éolienne. Afin d’atténuer cet effet, l’impact d’un contrôle grid-forming sur une éolienne est étudié et des solutions possibles pour l’amortissement des vibrations sont proposées.Une WPP grid-forming est un moyen intéressant d’améliorer la stabilité du système électrique. Cependant, pour analyser une WPP connecté au réseau de transport d’électricité, il est nécessaire d’utiliser son modèle équivalent dynamique. Les modèles standard équivalents ne peuvent pas être fiables dans toutes les conditions de vent possibles. Pour cette raison, dans cette thèse, l’agrégation d’une WPP est développée en tenant compte de la nature hétérogène de la distribution du vent. De plus, l’algorithme qui recommande le modèle équivalent optimal à utiliser dans chaque condition de vent est proposé. La vérification de la méthodologie d’agrégation et de l’algorithme de recommandation d'un modèle équivalent optimal est effectuée sur l’étude de cas d’une WPP existant