Variable speed pumped storage plants multi-time scale control to allow its use to power system stability

par Janailson Rodrigues Lima

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Gilney Raymundo Damm et de Abdelkrim Benchaib.

Le président du jury était Jean-Luc Thomas.

Le jury était composé de Françoise Lamnabhi-Lagarrigue.

Les rapporteurs étaient Tariq Samad, Seddik Bacha.

  • Titre traduit

    Commande à multi échelle de temps de STEP à vitesse variable pour augmenter la stabilité du réseau électrique


  • Résumé

    Le mixe énergétique du futur réseau électrique doit intégrer une grande quantité de source renouvelable intermittentes (RES). L’intermittence naturelle de ces sources sera,dans un premier moment, négligeable vis-à-vis de la stabilité du réseau électrique. Par contre,pour une large pénétration de RES, cette intermittence doit être intégrée à l'étude de la stabilité du réseau électrique. Pour une grande pénétration de RES à l'échelle européenne, un grand système de stockage d'énergie doit être mis en place. C'est déjà le cas aujourd'hui où les stations de transfert d'énergie par pompage(STEP) sont déjà utilisées. En effet, les STEP sont le moyen de stockage plus fiable et mature pour le stockage en haut puissance. Cependant,elles sont utilisées à ce jour, plutôt dans un cycle journalier et hebdomadaire d'équilibrage. La plupart des usines fonctionne de façon binaire(soit on, soit off) et ne participe pas à l'équilibrage du réseau électrique.Les nouvelles technologies envisagent de nouvelles utilisations pour les STEP. Les STEP à vitesse variable (Variable Speed PSP - de l'anglais Variable Speed Pumped Storage Plant)sont prévues de d'être utilisées en temps réel pour l'équilibrage du réseau électrique. L'objective de ce projet de ce projet est d'étudier les contributions de la STEP à vitesse variable à l'équilibrage du réseau électrique. Du point de vue du réseau, la STEP à vitesse variable est composée de deux systèmes en cascade séparés par les échelles de temps différentes. Le système peut réagir en 100ms avec la puissance nominale de la machine mais pour un temps limité (entre 5- 10s); le deuxième étage est le système hydraulique qui réagit moins vite (après 15s)mais qui peut tenir sa puissance pendant un longtemps (plusieurs heures). Ces différentes échelles de temps sont très importantes pour l'équilibrage du réseau électrique. Elles permettent que la STEP à vitesse variable soit utilisée pour différents problèmes d'équilibrage, mais comment l'utilisée reste encore un problème ouvert. Parmi d'autres,ce projet a comme objective répondre aux questions suivantes:Serait-il possible d'utiliser la STEP à vitesse variable pour l'équilibrage du réseau électrique à courant alternatif (AC) et/ou continu (DC)? Comment combiner, de façon intelligente, les réseaux continus à haute tension (HVDC - de l'anglais High Voltage Direct Current) et STEP à vitesse variable?Combinaison optimale de réaction rapide et lente pour équilibrer un réseau hybride AC et DC? La STEP à vitesse variable est-il un bon outil dynamique de stockage pour augmenter la capacité du réseau HVDC? Comment intégrer le contrôle d'une ligne HVDC et ce d'une STEP à vitesse variable?La STEP à vitesse variable peut atténuer les oscillations du réseau?


  • Résumé

    The future energy mix used toproduce electricity will include large shares ofrenewable energy sources (renewables). Theintrinsic time varying nature of these sourceswill be in the first a hinder to power systems'stability, but as their share will increase theypower of the machine but only for a limited time(typically 5 – 10 seconds); the second stage isthe hydraulic system that reacts slower (afterapprox. 15 seconds) but has a lot of energystored.These different time scales can be of uppermostUniversité Paris-SaclayEspace Technologique / Immeuble DiscoveryRoute de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, Francemust be explicitly taken into account in thefuture when stabilizing the network. Forconstant use of renewables, in a Europe-widemanner, large storage will be capital. This isalready partially the case today, where pumpedwater storage is largely used. In fact waterstorage still is the most reliable and efficientstorage system for large amounts of power. Buttoday this is still mainly dedicated to findnight/day or weekly equilibrium of productionand consumption. These store plants are ratherplanned for an on/off utilization and do notparticipate on ancillary services (dynamicparticipation on the short term equilibrium of aninterconnection of systems or regions).New technologies allow envisaging new usesfor large storage systems. Variable SpeedPumped Storage Plants (Variable Speed PSP)are now expected to be used in real time toprovide ancillary services, effectivelyparticipating in the stabilization of powersystems. The objectives of this work are to studysome of these possibilities. It will look atdifferent aspects of stabilization: Variable SpeedPSP can be seen from the outside like a twostage systems in cascade that reacts with timeconstants that are one order of magnitude apart.The system can react within 100ms with ratedimportance when considering system's stability.They allow Variable Speed PSP to be used as thecontrol input for different stabilizationproblems, but how to do it is still an openproblem. Today these stations are only used asstandard storage, allowing the match ofproduction and consumption within a region ornetwork. The objective now is to study their useto further applications, and in particular, to studythe possibility of using them as one of the keycomponents of the future Multi-terminal HVDCnetworks. Several questions are open, this workaims to answer part of them:Is it possible to use Variable Speed PSP forancillary services (transient stability forexample) in AC and/or HVCD networks?How to combine in an intelligent way HVDCand Variable Speed PSP?Optimum combination of fast and slow reactionin order to stabilize a power grid that combinesDC and AC?Is Variable Speed PSP a good way to increasethe capability of HVDC by adding a verydynamic storage element?How to merge the control of the HVDC line andthe Variable Speed?Can this setup help to damp oscillations in thegrid?

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Informations

  • Sous le titre : Variable speed pumped storage plants multi-time scale control to allow its use to power system stability
  • Détails : 1 vol. (226 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 163-172.
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