Sensitivity Analysis and Small-Signal Stability of Grid Following Converters
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This article presents a small-signal study, based on a sensitivity analysis, of a voltage source converter (VSC) operating as a grid-following device. This type of operation is standard for integrating distributed energy resources directly into a primary grid without considering the control over specific variables (e.g., voltage and frequency), thus maximizing the amount of injected active power. The present study adopted the classical vector-oriented control based on the linearization method of the averaged model; hence, this analysis is limited to linear controls. The main objective of this study is to evaluate how each controller parameter influences the system’s stability. To conduct the sensitivity analysis, an averaged model in the dq reference frame of the VSC was employed to describe the system dynamics in the equivalent state-space model. Afterward, the stability was analyzed through a sensitivity analysis of the eigenvalues of the corresponding state matrix. The numerical results demonstrate that the main problems for the stability of VSCs operating as grid-following converters are threefold: a high value of the filter inductance, a non-ideal impedance that appears depending on the connection point, and poor coordination of the parameters of the Kp controllers. These results are compared to a simple bifurcation analysis of the state matrix, which consists of a diagram that describes the variation in eigenvalues when a parameter changes, thus proving their validity.
El presente artículo presenta un estudio de pequeña señal, basado en el análisis de sensibilidad, del convertidor Voltage Source Converter (VSC) operando como dispositivo de seguimiento de red. Este tipo de operación es común para la integración de recursos energéticos distribuidos directamente a la red primaria sin considerar el control sobre variables específicas como la tensión o la frecuencia, maximizando así la cantidad de potencia activa inyectada. El presente estudio adopta el clásico Control Vectorial Orientado basado en la linealización del modelo promediado, por tanto, este análisis es limitado a controles lineales. El objetivo principal de esta investigación consistió en evaluar cómo influye cada parámetro del controlador en la estabilidad del sistema. Con el fin de realizar el análisis de sensibilidad, se empleó un modelo medio en el marco de referencia dq del VSC para describir la dinámica del sistema en el espacio de estados equivalentes; posteriormente, se buscó la estabilidad mediante un análisis de sensibilidad de los valores propios de la matriz de estado correspondiente, cuyos resultados numéricos demostraron que los principales problemas para la estabilidad de los VSC que operan como convertidores de seguimiento son tres: un valor elevado de la inductancia del filtro, la presencia de una impedancia no ideal que aparece en función del punto de conexión, y una mala coordinación de los parámetros de los controladores Kp. Estos resultados se han comparado con un simple análisis de bifurcación de la matriz de estado, que consiste en un gráfico que describe el movimiento de los valores propios cuando cambia un parámetro, corroborando así su validez.
El presente artículo presenta un estudio de pequeña señal, basado en el análisis de sensibilidad, del convertidor Voltage Source Converter (VSC) operando como dispositivo de seguimiento de red. Este tipo de operación es común para la integración de recursos energéticos distribuidos directamente a la red primaria sin considerar el control sobre variables específicas como la tensión o la frecuencia, maximizando así la cantidad de potencia activa inyectada. El presente estudio adopta el clásico Control Vectorial Orientado basado en la linealización del modelo promediado, por tanto, este análisis es limitado a controles lineales. El objetivo principal de esta investigación consistió en evaluar cómo influye cada parámetro del controlador en la estabilidad del sistema. Con el fin de realizar el análisis de sensibilidad, se empleó un modelo medio en el marco de referencia dq del VSC para describir la dinámica del sistema en el espacio de estados equivalentes; posteriormente, se buscó la estabilidad mediante un análisis de sensibilidad de los valores propios de la matriz de estado correspondiente, cuyos resultados numéricos demostraron que los principales problemas para la estabilidad de los VSC que operan como convertidores de seguimiento son tres: un valor elevado de la inductancia del filtro, la presencia de una impedancia no ideal que aparece en función del punto de conexión, y una mala coordinación de los parámetros de los controladores Kp. Estos resultados se han comparado con un simple análisis de bifurcación de la matriz de estado, que consiste en un gráfico que describe el movimiento de los valores propios cuando cambia un parámetro, corroborando así su validez.