Grid Forming Inverter Control for Stability Enhancement of Power Systems with Inverter Based Resources. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master Thesis) Md Adil Azad_202416040_S_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 15 June 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

‏يُعيدُ التوسُّعُ المتزايدُ في استخدام الموارد القائمة على المحوِّلات الإلكترونية تشكيلَ ديناميكيات منظومات الطاقة الكهربائية، وذلك من خلال تقليص القصور الذاتي التزامني، وإضعاف قدرة الدائرة القصيرة، وجعل الاستقرار رهيناً بشكل متزايد بضبط المحوِّلات. في هذا السياق، برز المحوِّل المُشكِّل للشبكة تقنيةً محوريةً لمنظومات الطاقة المستقبلية ذات القصور الذاتي المنخفض، ويُعدُّ المولِّد التزامني الافتراضي من أبرز هذه التقنيات نظراً لقابليته التفسيرية الفيزيائية وقدرته على محاكاة القصور الذاتي والتخميد. غير أن ضبط المولِّد التزامني الافتراضي التقليدي ذا المعاملات الثابتة للتحكم في الطاقة الفعلية والتردد لا يكفل أداءً ديناميكياً مُرضياً عند تغيُّر قوة الشبكة وخصائص الممانعة تغيُّراً واسعاً. لذا، تُطوِّر هذه الرسالة إطاراً متكاملاً للنمذجة وتحليل الاستقرار وتصميم المتحكِّم لمحوِّل مُشكِّل للشبكة مفرد متصل بحافلة ذات قدرة لا نهائية عبر ممانعة شبكة ذات معاملات قابلة للضبط، وتقترح مولِّداً تزامنياً افتراضياً تكيُّفياً موجَّهاً بمؤشر الاستقرار، تُعاد فيه هندسة مسار التحكم الخارجي في الطاقة الفعلية وحده مع الإبقاء على حلقتَي الجهد والتيار الداخليتين دون تعديل. لأغراض المقارنة، جرى التحقيق في ثلاثة أنواع من المتحكِّمات: المولِّد التزامني الافتراضي التقليدي، والمولِّد التزامني الافتراضي المُحسَّن بالتحكم في الطاقة الفعلية، والمولِّد التزامني الافتراضي التكيُّفي الموجَّه بمؤشر الاستقرار المقترَح. جرى تطوير نموذج المنشأة في إطار الإحداثيات الدوَّارة dq، وصياغة واجهة الشبكة، وإطار استقرار الإشارة الصغيرة. يُظهر التحليل الخطي أنه وفق مجموعة المعاملات المعتمدة يظل النظام ذو الحلقة المغلقة مُخمَّداً تخميداً زائداً ومستقراً من حيث الإشارة الصغيرة على نطاق التشغيل المُختبَر، إذ يتأثر الوضع المهيمن تأثراً بالغاً بمعامل المزامنة وقوة الشبكة. يتضمَّن المولِّد التزامني الافتراضي التكيُّفي الموجَّه بمؤشر الاستقرار المقترَح مُقدِّراً لدرجة الضغط المقاس محلياً، وجدولةً للمكاسب التكيُّفية المُدرِكة لقوة الشبكة، وتعويضاً محدوداً للتحكم في الطاقة الفعلية، وتخميداً تكميلياً، وتحديداً تكيُّفياً لمعدَّل التغيير. جرى تقييم أداء المتحكِّم في بيئة MATLAB/Simulink من خلال مسوح نسبة الدائرة القصيرة ومسوح نسبة X/R واضطرابات قفز مرجع كبيرة. عند حالة التشغيل الاسمية (SCR=7، X/R=7)، حقَّق المتحكِّم المقترَح انخفاضاً في خطأ التردد بالحالة المستقرة بنسبة ‪97.46%‬، وفي الزيادة المؤقتة للطاقة الفعلية بنسبة ‪7.68%‬، وفي الخطأ المتكامل المطلق للطاقة الفعلية بنسبة ‪20.32%‬، وفي زمن الاستقرار بنسبة ‪17.12%‬، وفي التشوُّه التوافقي الكلي لتيار الخرج بنسبة ‪85.30%‬ قياساً بالمولِّد التزامني الافتراضي التقليدي. وقد أكَّد التحقق في الوقت الحقيقي على منصة RTDS/RSCAD باستخدام نموذج عابر كهرومغناطيسي مُبدَّل الفاعليةَ العمليةَ للمتحكِّم، إذ أظهر تحسينات بلغت ‪11.36%‬ في خطأ تتبُّع الطاقة الفعلية التراكمي، و‪55.56%‬ في خطأ التردد التراكمي، ونحو ‪10.5%‬ في زمن استقرار كلٍّ من الطاقة الفعلية والتردد. وخلاصة القول، تُبيِّن الرسالة أن إعادة التصميم التكيُّفي المُدرِك للاستقرار لمسار التحكم في الطاقة الفعلية يستطيع تحسين المتانة والاستجابة الديناميكية وجاهزية التطبيق العملي لمحوِّلات المولِّد التزامني الافتراضي المُشكِّلة للشبكة في منظومات الطاقة التي تهيمن عليها المحوِّلات الإلكترونية تحسيناً ملموساً.

English Abstract

The increasing penetration of inverter-based resources (IBRs) is reshaping power-system dynamics by reducing synchronous inertia, weakening short-circuit capability, and making stability increasingly dependent on converter control. In this context, grid-forming (GFM) inverters have emerged as a key technology for future low-inertia power systems, with the virtual synchronous generator (VSG) being especially attractive due to its physical interpretability and ability to emulate inertia and damping. However, conventional VSG control with fixed active-power/frequency parameters does not ensure satisfactory dynamic performance over wide variations in grid strength and impedance characteristics. This thesis develops a modelling, stability-analysis, and controller-design framework for a single GFM inverter connected to an infinite bus through a parameterized grid impedance, and proposes a stability-index-guided adaptive virtual synchronous generator (SIGA-VSG) in which only the outer active-power control (APC) path is redesigned while the inner voltage and current loops are preserved. For comparison, three controller variants are investigated: Conventional VSG, APC-Enhanced VSG, and the proposed SIGA-VSG. A dq-frame plant model, grid-interface formulation, and small-signal stability framework are developed. Linearized analysis shows that, for the adopted parameter set, the closed-loop system remains overdamped and small-signal stable over the tested operating range, with the dominant mode strongly influenced by the synchronizing coefficient and grid strength. The proposed SIGA-VSG incorporates a locally measured degree-of-stress estimator, grid-strength-aware adaptive gain scheduling, bounded APC compensation, supplementary damping, and adaptive rate limiting. Its performance is evaluated in MATLAB/Simulink through short-circuit-ratio (SCR) sweeps, X/R sweeps, and large reference-step disturbances. At the nominal operating condition (SCR=7, X/R=7), the proposed controller reduces steady-state frequency error by 97.46%, active-power overshoot by 7.68%, active-power integral absolute error by 20.32%, settling time by 17.12%, and current total harmonic distortion by 85.30% relative to the Conventional VSG. Real-time validation on an RTDS/RSCAD platform using a switched electromagnetic-transient model further confirms the controller's practical effectiveness, showing improvements of 11.36% in cumulative active-power tracking error, 55.56% in cumulative frequency error, and about 10.5% in both active-power and frequency settling times. Overall, the thesis demonstrates that a locally adaptive and stability-aware redesign of the APC path can significantly improve the robustness, dynamic response, and practical implementation readiness of VSG-based GFM inverters for inverter-dominated power systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Mohamed Abido,
Thesis Committee Members:	Muhammad Suhail Shaik, Umer Amir Khan,
Depositing User:	MD ADIL AZAD
Date Deposited:	16 Jun 2026 04:50
Last Modified:	16 Jun 2026 04:50
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144587