Modeling and Stability Control of Power-Electronic-Dominated Power Systems

Inspiré par l'objectif de neutralité carbone, un nombre croissant d'énergies renouvelables a été intégré dans les systèmes électriques modernes. En raison de la fluctuation et du caractère aléatoire de ces énergies renouvelables, les convertisseurs électroniques de puissance sont largement utilisés pour interfacer les réseaux électriques avec les générateurs renouvelables, tels que les panneaux solaires photovoltaïques (PV) et les éoliennes, afin de produire des sorties de puissance stables et compatibles avec le réseau. Par conséquent, les systèmes électriques traditionnels dominés par des générateurs synchrones évoluent vers des paradigmes dominés par l'électronique de puissance avec une structure plus complexe, ce qui donne lieu à de nouveaux problèmes d'instabilité. A la lumière de ce contexte, plusieurs problèmes de stabilité critiques sont mis en évidence dans cette thèse, y compris la stabilité de fréquence associée au manque d'inertie, la stabilité de l'interaction de puissance des micro-réseaux insulaires, et la stabilité concernant les charges à puissance constante (CPL) dans les systèmes électriques dominés par l'électronique de puissance. Pour les convertisseurs de puissance avec une architecture de contrôle en cascade couramment utilisée, les problèmes de stabilité mentionnés ci-dessus sont dominés par les différentes étapes de contrôle des convertisseurs de puissance, avec des temps de réponse typiques variant de quelques secondes à des dizaines de millisecondes.L'objectif global de recherche de cette thèse est l'analyse et le contrôle de plusieurs problèmes de stabilité critiques dans les systèmes électriques émergents dominés par l'électronique. Les problèmes de stabilité étudiés dans cette thèse incluent la stabilité de la fréquence associée au manque d'inertie, la stabilité de l'interaction de puissance des micro-réseaux insulaires, et les problèmes de stabilité concernant les CPLs dans les systèmes électriques dominés par l'électronique de puissance. Les différents étages de contrôle des convertisseurs de puissance dominent ces problèmes de stabilité mentionnés ci-dessus, avec leurs temps de réponse typiques variant de quelques secondes à des dizaines de millisecondes. Les causes de ces problèmes de stabilité sont analysées en profondeur, et les schémas de contrôle de stabilité correspondants sont également développés dans cette thèse. Avec un tel effort, la stabilité et la sécurité des systèmes électriques émergents dominés par l'électronique de puissance peuvent être améliorées.Inspired by the target of carbon neutrality, an increasing number of renewable energies has been integrated into modern power systems. Due to the fluctuation and randomness of such renewable energies, power electronic converters are widely employed to interface power grids with renewable generators, such as solar photovoltaics (PV) panels and wind turbines, to produce stable and grid-compatible power outputs. Consequently, the traditional synchronous-generator-dominated power systems are evolving towards the power-electronic-dominated paradigms with a more complicated structure, thus giving rise to new instability problems. In light of this background, several critical stability issues are highlighted in this thesis, including the frequency stability associated with the lack of inertia, the power interaction stability of islanded microgrids, and the stability regarding constant power loads (CPLs) in power-electronic-dominated power systems. For power converters with a commonly used cascaded control architecture, the stability issues mentioned above are dominated by different control stages of power converters, with typical response times varying from seconds to dozens of milliseconds.The overall research objective of the thesis is the analysis and control of several critical stability issues in the emerging power-electronic-dominated power systems. The stability issues focused on in the thesis include the frequency stability associated with the lack of inertia, the power interaction stability of islanded microgrids, and the stability issues regarding CPLs in power-electronic-dominated power systems. Different control stages of power converters dominate these stability problems mentioned above, with their typical response times varying from seconds to dozens of milliseconds. Causes for these stability issues are analyzed in-depth, and corresponding stability control schemes are also developed in this thesis. With such effort, the stability and security of the emerging power-electronic-dominated power systems can be enhanced