Contrôle d'un système multi-terminal HVDC (MTDC) et étude des interactions entre les réseaux AC et le réseau MTDC.

Control of a multi-terminal HVDC (MTDC) system and study of the interactions between the MTDC and the AC grids.

• Auteur / Autrice : Samy Akkari
• Direction : Marc Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bogdan Marinescu, Jing Dai, Xavier Guillaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Van Cutsem, Seddik Bacha, Bogdan Marinescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Transport -- Courant continu

Réseaux électriques (circuits)

Haute tension

Électricité -- Distribution

Mots clés libres

High Voltage Direct Current (HVDC)

Multi-terminal HVDC (MTDC)

Simulation

Commande, Décomposition en Valeurs Singulières (SVD)

Représentation d'état

Stratégie de contrôle

Analyse modale

Modélisation

High Voltage Direct Current (HVDC)

Multi-terminal HVDC (MTDC)

Simulation

Singular Value Decomposition (SVD)

State-space

Control

Modal analysis

Modelling

Résumé

La multiplication des projets HVDC de par le monde démontre l'engouement toujours croissant pour cette technologie de transport de l'électricité. La grande majorité de ces transmissions HVDC correspondent à des liaisons point-à-point et se basent sur des convertisseurs AC/DC de type LCC ou VSC à 2 ou 3 niveaux. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l'étude, le contrôle et la commande de systèmes HVDC de type multi-terminal (MTDC), avec des convertisseurs de type VSC classique ou modulaire multi-niveaux. La première étape consiste à obtenir les modèles moyens du VSC classique et du MMC. La différence fondamentale entre ces deux convertisseurs, à savoir la possibilité pour le MMC de stocker et de contrôler l'énergie des condensateurs des sous-modules, est détaillée et expliquée. Ces modèles et leurs commandes sont ensuite linéarisés et mis sous forme de représentations d'état, puis validés en comparant leur comportement à ceux de modèles de convertisseurs plus détaillés à l'aide de logiciels de type EMT. Une fois validés, les modèles d'état peuvent être utilisés afin de générer le modèle d'état de tout système de transmissions HVDC, qu'il soit point-à-point ou MTDC. La comparaison d'une liaison HVDC à base de VSCs classiques puis de MMCs est alors réalisée. Leurs valeurs propres sont étudiées et comparées, et les modes ayant un impact sur la tension DC sont identifiés et analysés. Cette étude est ensuite étendue à un système MTDC à 5 terminaux, et son analyse modale permet à la fois d'étudier la stabilité du système, mais aussi de comprendre l'origine de ses valeurs propres ainsi que leur impact sur la dynamique du système. La méthode de décomposition en valeurs singulières permet ensuite d'obtenir un intervalle de valeurs possibles pour le paramètre de"voltage droop", permettant ainsi le contrôle du système MTDC tout en s'assurant qu'il soit conforme à des contraintes bien définies, comme l'écart maximal admissible en tension DC. Enfin, une proposition de "frequency droop" (ou "statisme"), permettant aux convertisseurs de participer au réglage de la fréquence des réseaux AC auxquels ils sont connectés, est étudiée. Le frequency droop est utilisé conjointement avec le voltage droop afn de garantir le bon fonctionnement de la partie AC et de la partie DC. Cependant, l'utilisation des deux droop génère un couplage indésirable entre les deux commandes. Ces interactions sont mathématiquement quantifiées et une correction à apporter au paramètre de frequency droop est proposée. Ces résultats sont ensuite validés par des simulations EMT et par des essais sur la plate-forme MTDC du laboratoire L2EP.

HVDC transmission systems are largely used worldwide, mostly in the form of back-to-back and point-to-point HVDC, using either thyristor-based LCC or IGBT-based VSC. With the recent deployment of the INELFE HVDC link between France and Spain, and the commissioning in China of a three-terminal HVDC transmission system using Modular Multilevel Converters (MMCs), a modular design of voltage source converters, the focus of the scientific community has shifted onto the analysis and control of MMC-based HVDC transmission systems. In this thesis, the average value models of both a standard 2-level VSC and an MMC are proposed and the most interesting difference between the two converter technologies -the control of the stored energy in the MMC- is emphasised and explained. These models are then linearised, expressed in state-space form and validated by comparing their behaviour to more detailed models under EMT programs. Afterwards, these state-space representations are used in the modelling of HVDC transmission systems, either point-to-point or Multi-Terminal HVDC (MTDC). A modal analysis is performed on an HVDC link, for both 2-level VSCs and MMCs. The modes of these two systems are specifed and compared and the independent control of the DC voltage and the DC current in the case of an MMC is illustrated. This analysis is extended to the scope of a 5-terminal HVDC system in order to perform a stability analysis, understand the origin of the system dynamics and identify the dominant DC voltage mode that dictates the DC voltage response time. Using the Singular Value Decomposition method on the MTDC system, the proper design of the voltage-droop gains of the controllers is then achieved so that the system operation is ensured within physical constraints, such as the maximum DC voltage deviation and the maximum admissible current in the power electronics. Finally, a supplementary droop "the frequency-droop control" is proposed so that MTDC systems also participate to the onshore grids frequency regulation. However, this controller interacts with the voltage-droop controller. This interaction is mathematically quantified and a corrected frequency-droop gain is proposed. This control is then illustrated with an application to the physical converters of the Twenties project mock-up.