Robust control design and sufficient conditions for converter
dynamic phasor modeling in low inertia power grids

Como consecuencia de la creciente penetración de las nuevas fuentes de energía renovable y la consiguiente sustitución de la tradicional generación sincrónica por nueva generación interconectada mediante convertidores, la operación y simulación de los sistemas eléctricos modernos se está volviendo una tarea cada vez más compleja. Hasta el punto de que los antiguos modelos cuasi-estacionarios de simulación basados en fasores estáticos están, en algunos casos, quedando obsoletos fundamentalmente debido a la progresiva aceleración del comportamiento dinámico del sistema. En este contexto, a fin de realizar simulaciones ciertamente precisas en un sistema provisto de electrónica de potencia, es preciso emplear pequeños escalones en el dominio temporal que permitan captar los transitorios electromagnéticos (EMT). Los modelos EMT permiten realizar simulaciones detalladas de las dinámicas del sistema y, en consecuencia, aumentar la fiabilidad de los análisis del sistema eléctrico. No obstante, este tipo de simulaciones desarrolladas en el dominio temporal requieren enormes esfuerzos computacionales que ralentizan y encarecen de forma considerable el proceso. Para más inri, este problema se agrava de forma sustancial por el crecimiento del tamaño del propio sistema, lo que obliga a crear modelos más extensos dificultando todavía más las simulaciones. Por lo tanto, se requiere una alternativa lo suficientemente precisa para capturar las rápidas dinámicas generadas por los equipos de electrónica de potencia, pero a la vez no tan exhaustiva como para posibilitar la simulación de grandes sistemas. En esta línea, la presente tesis propone el uso de fasores dinámicos (DP) como alternativa intermedia entre las simulaciones EMT y los fasores estáticos. En esta tesis se estudia la conveniencia del uso de fasores dinámicos en sistemas eléctricos de baja inercia para simular eventos relacionados con la estabilidad e intercambio de potencia entre los convertidores y el sistema. En segundo lugar, también se proponen configuraciones robustas para los parámetros del control de los inversores con el fin de suavizar el comportamiento dinámico de estos elementos y conseguir un suficiente amortiguamiento de los modos dinámicos electromagnéticos. Garantizando así la precisión de las simulaciones mediante el modelado en DP.

Due to the increasing penetration of new renewable energy sources and the replacement of traditional synchronous generation by converter-interfaced generation, the operation and simulation of modern power systems is becoming increasingly complex. The old quasi-stationary simulation models based on static phasors are in some cases becoming obsolete mainly due to the progressive acceleration of the dynamic behaviour of the system. In order to perform truly detailed simulations of a system with power electronics, small time steps in time domain capable of capturing electromagnetic transients (EMT) are required instead. These EMT models allow to provide detailed simulations of the system dynamics and consequently increase the reliability of power system analysis. However, this type of time-domain simulations requires enormous computational efforts which considerably slow down and raise the cost of the process. Moreover, this problem is substantially aggravated by the growth of the system size, which makes it necessary to create more extensive models. Therefore, a sufficiently accurate alternative is needed to capture the fast dynamics generated by power electronics devices, but not so exhaustive to enable simulating large systems. Along these lines, the thesis proposes the use of the dynamic phasor (DP) approach as an intermediate alternative between EMT and static phasor simulation. This thesis analyses the suitability of dynamic phasors in low inertia systems in order to simulate events related to the balance stability and power sharing between the converters and the electrical system. Furthermore, robust control settings for grid-connected converters are proposed in order to smooth the dynamic behaviour of these devices and to achieve sufficient damping of the electro-magnetic dynamic modes. And therefore ensuring accurate simulations by means of DP modelling.