Gestion des flux énergétiques d'une ferme éolienne offshore connectée à un système HVDC au travers d'un redresseur à diodes

Control and power management of an offshore wind power plant with a diode rectifier based HVDC transmission

• Auteur / Autrice : Ragavendran Ramachandran
• Direction : Bruno François, Seddik Bacha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Maussion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Héloïse Dutrieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salvy Bourguet, Lieven Vandevelde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande électrique

Électronique de puissance

Réseaux électriques (énergie)

Centrales éoliennes

Énergies renouvelables

Régulateurs électriques

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Ferme éolienne offshore

Contrôle du réseau

Contrôle de tension

Gestion de la ferme

Courant continu haute tension

Offshore wind power plant

Grid forming

Voltage control

Generation control

HVDC

Résumé

La transition énergétique pour un monde plus durable est désormais la priorité de nombreux pays. Dans cet objectif, notamment en Europe, le développement de l’énergie éolienne en mer (offshore) a été rapide. Le transport de l’électricité en Courant Continu Haute Tension (HVDC) basé sur un convertisseur électronique à source de tension (VSC) est la solution de transport, pour les fermes éoliennes en mer éloignées de plus de 50 km de la côte. La solution d’un redresseur à diodes dans les stations de conversion en mer est plus compacte, robuste et moins cher. Cette thèse porte sur les divers problèmes technologiques et scientifiques liés au contrôle du réseau alternatif isolé en mer permettant le raccordement des fermes éoliennes. Ces verrous sont d’abord examinés en détail dans l’état de l’art. Ensuite, une organisation du contrôle de la tension et de la fréquence de ce réseau (dit Grid Forming) est proposée en utilisant les caractéristiques techniques P-V et Q-f avec une solution pour la synchronisation entre les éoliennes. Certaines des solutions de contrôle en Grid Forming sont comparées et évaluées à l'aide de simulations dans le domaine temporel, pour un cas d'étude donné. Puis, une nouvelle solution est proposée pour le démarrage du réseau offshore (black start) et un contrôle automatisé de la supervision, basé sur la modélisation sous forme d’un système à événements discrets (SED). La théorie du contrôle par supervision (TCS) est implémentée et testée pour un cas d'étude. Ensuite, les différents types de défauts du système sont analysés à l’aide de la littérature; et le schéma de contrôle du Grid Forming conçu dans cette thèse est complétée pour apporter une capacité de fonctionnement lors d’un défaut du réseau AC offshore. Enfin, une brève analyse est faite sur les défis pour l’intégration de ce type de ferme au réseau MTDC.

Energy Transition for a more sustainable world is now the priority in societies. Towards this objective, especially in Europe, the offshore wind energy development has been fast. For Offshore Wind Power Plants (OWPP) farther from the shore (50 km and beyond) Voltage Source Converter (VSC) based High Voltage DC (HVDC) Transmission has become a the prominent solution. Replacement of offshore VSC station by multiple Diode Rectifier Units (DRUs) led to a cheaper, more compact and robust solution. This thesis focusses on various technological and scientific problems involved in the control system of the Offshore Wind power Plant with Diode Rectifier (DR) based HVDC transmission. These challengess are first reviewed in detail along with the state of the art. Then, based on the system dynamics, a grid forming control scheme is proposed by using the P-V and Q-f droop relationships with a solution for the synchronization of the wind generators. Following this, some of the selected control solutions in the literature for this topology are reviewed, compared and assessed by using time domain simulations of a study case. Following this, a novel black start strategy is devised for the offshore network and a Supervisory Control is implemented for a study case by using a Discrete Event System (DES) based modeling and Supervisory Control Theory (SCT). The various faults in the offshore system are then analyzed and the above designed Grid forming control scheme is extended with Fault Ride through (FRT) capability, for offshore AC grid faults. Finally, a brief analysis is done on the challenges for the integration of this OWPP topology into a Multi Terminal DC (MTDC) network.