Formidable – Community-Microgrid with Grid-Forming Inverters Equipped with Improved Damping and Virtual Inertia: Their Role on Grid Reliability and Resilience

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502668
• Projekttitel Englisch: Formidable – Community-Microgrid with Grid-Forming Inverters Equipped with Improved Damping and Virtual Inertia: Their Role on Grid Reliability and Resilience

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project aims to explore the role of community microgrids in enhancing the reliability and resilience of the grid. A community microgrid coordinates several grid-forming inverters (GFMIs), equipped with improved damping and virtual inertia, within a distribution grid in both standalone and grid-connected operational modes. Through simulations and experimental validation, this study will propose a decentralized control strategy for GFMIs within a community microgrid. The project will investigate the advantages and effectiveness of the proposed community microgrid framework, including improved grid reliability and resilience as well as supporting grid restoration. The project will also examine the technical risks of voltage instability, load imbalance, and short circuits in both operational modes to determine adequate control measures and protection strategies.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet vise à explorer le rôle des micro-réseaux communautaires dans l’amélioration de la fiabilité et de la résilience du réseau. Ceux-ci coordonnent plusieurs onduleurs générateurs de réseau (GFMIs), équipés d’un amortissement amélioré ainsi que d’une inertie virtuelle, au sein d’un réseau de distribution local et peuvent fonctionner en mode connecté au réseau et en mode autonome. Grâce à des simulations et à une validation expérimentale, cette étude proposera une stratégie de contrôle décentralisé pour les GFMIs au sein d’un micro-réseau communautaire. Le projet étudiera les avantages ainsi que l’efficacité du système proposé à participer à l’amélioration de la fiabilité et à la résilience du réseau, ainsi que du soutien à la restauration du réseau. Le projet examinera également les risques techniques tels que l’instabilité de la tension, le déséquilibre de charges ainsi que des courts-circuits, dans les deux modes d’exploitation. Les mesures de contrôle et de protection adéquates seront ensuite déterminées.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Der Übergang von synchronen Generatoren zu inverterbasierten dezentralen Energiequellen in modernen Stromnetzen stellt eine Stabilitätsherausforderung dar, da netzfolgende Wechselrichter nicht in der Lage sind, die Trägheitsantworten synchroner Generatoren nachzuahmen. Netzbildende Wechselrichter hingegen können diese Eigenschaften imitieren und die Netzstabilität, -zuverlässigkeit und -resilienz verbessern, insbesondere während Stromausfällen.

Ziel dieses Projekts ist es, die Vorteile und Risiken von netzbildenden Wechselrichtern zu untersuchen, insbesondere ihre Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Resilienz eines Mikrogrids in einer Gemeinschaft. Das Projekt zielt auch darauf ab, einen Rahmen für die Netz-Wiederherstellung und Resilienz zu entwickeln, relevante Netzvorschriften zu untersuchen und die Entscheidungsfindung bei der Bereitstellung neuer dezentraler Energiequellen zu verbessern. Dazu werden die Steuerungsalgorithmen für netzbildende Wechselrichter entwickelt und experimentelle Hardware in einer Labor-Mikrogrid-Konfiguration gebaut und getestet.

Die theoretische Entwicklungsphase, in der die Hauptsteuerung des netzbildenden Wechselrichters, der Überlastschutz und das Management unausgeglichener Lasten abgeschlossen sind, befindet sich derzeit in der Umsetzung. Momentan werden zwei experimentelle Wechselrichter zusammengebaut, und Tests sollen in Kürze beginnen.

In den nächsten Phasen des Projekts wird die Fähigkeit der netzbildenden Wechselrichter getestet, ein Gemeinschafts-Mikrogrid zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Dabei werden auch verschiedene praktische Manöver wie Black-Start und Synchronisation bewertet. Darüber hinaus werden sekundäre Steuerstrategien, einschließlich dezentraler Strategien, untersucht und getestet.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

The transition from synchronous generators to inverter-based distributed energy resources in modern power grids poses stability challenges due to the inability of grid-following inverters to emulate the inertial responses of synchronous generators. Grid-forming inverters, however, can mimic these characteristics and improve grid stability, reliability, and resilience, especially during power outages.

This project aims to explore the benefits and risks of grid-forming inverters, particularly by assessing their impact on a community microgrid’s reliability and resilience. The project also seeks to develop a framework for grid restoration and resilience, investigate relevant grid codes, and enhance decision-making for deploying new distributed energy resources. To do this, the control algorithms for grid forming inverters will be developed, and experimental hardware will be built and tested in a laboratory community microgrid configuration.

The theoretical development phase in which the primary control of the grid forming inverter, the overload protection, and the management of unbalanced loads is completed. Currently, two experimental inverters are being assembled and tests are expected to begin shortly.

In the next phases of the project, the ability of grid forming inverters to generate and maintain a community microgrid will be tested in real life. The different practical manoeuvres such as black start, and synchronization will be assed as well. Furthermore, secondary control strategies, including decentralized strategies, will be evaluated and tested.

Zugehörige Dokumente

• Interim report from 15 November 2024 [PDF] 4'551 kB

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

La transition des générateurs synchrones vers les ressources énergétiques distribuées basées sur des onduleurs dans les réseaux électriques modernes pose des défis de stabilité en raison de l’incapacité des onduleurs suiveur de réseau à émuler la réponse inertielle des générateurs synchrones. Les onduleurs générateurs de réseau, cependant, peuvent imiter ces caractéristiques et améliorer la stabilité, la fiabilité et la résilience du réseau, en particulier lors de pannes de courant.

Ce projet vise à explorer les avantages et les risques des onduleurs générateur de réseau, notamment en évaluant leur impact sur la fiabilité et la résilience d’un micro-réseau communautaire. Le projet cherche également à développer un cadre pour la restauration et la résilience du réseau, à étudier les codes de réseau pertinents et à améliorer la prise de décision pour le déploiement de nouvelles ressources énergétiques distribuées. Pour ce faire, les algorithmes de contrôle des onduleurs générateur de réseau seront développés, et des onduleurs expérimentaux seront construit et testé en laboratoire dans une configuration de micro-réseau communautaire.

La phase de développement théorique, dans laquelle le contrôle primaire de l’onduleur générateur de réseau, la protection contre les surcharges et la gestion des charges déséquilibrées est terminée. Actuellement, deux onduleurs expérimentaux sont en cours d’assemblage et les tests devraient commencer sous peu.

Dans les prochaines phases du projet, la capacité des onduleurs générateur de réseau à fonctionner en micro-réseau communautaire sera testée en conditions réelles. Les différentes manœuvres telles que le démarrage et la synchronisation seront également évaluées. De plus, des stratégies de contrôle secondaire, y compris des stratégies décentralisées, seront évaluées et testées.