Contribution à la modélisation des câbles HVDC pour la simulation des transitoires électromagnétiques

Contribution to the modelling of HVDC cables for electromagnetic transient simulations

• Auteur / Autrice : Amjad Mouhaidali
• Direction : Olivier Chadebec, Damien Tromeur-Dervout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean Mahseredjian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Magoulès
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvonnick Le Menach, Florence Ossart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Méthodes de sous-espaces de Krylov

Câbles électriques

Champs électromagnétiques

Mots clés libres

Modelisation

Cables

Hvdc

Transitoires

Modeling

Cables

Hvdc

Transient

Résumé

L'intégration des nouvelles technologies dans les réseaux électriques les rend de plus en plus complexes. En raison des coûts croissants des droits de passage des lignes aériennes, et les problèmes environnementaux et les préoccupations esthétiques, l'extension des réseaux de puissance se fera avec des câbles souterrains. Toutefois, les modèles mathématiques pour la simulation des transitoires électromagnétiques des câbles présentent encore quelques inconvénients en matière de stabilité, de précision et de passivité.Dans cette thèse, nous évaluons les paramètres des câbles à l'aide des méthodes analytiques et numériques. La dépendance des paramètres du câble par rapport à la fréquence et la température a été étudiée et une étude paramétrique a été effectuée. Les matrices d'admittance et de propagation résultantes, et qui dépend de la fréquence, décrivent avec beaucoup de précision le comportement du câble sur une large bande de fréquences.Le modèle Wide Band, présent dans les logiciels de simulation des transitoires, est reformulé en utilisant une nouvelle méthode de lissage originale et robuste. Cette méthode de lissage transforme les données des matrices en une représentation rationnelle et elle est basée sur le l'algorithme d'approximation rationnelle de Krylov. Les matrices d'admittance et de propagation sont donc lissées dans le domaine fréquentiel en se basant sur la méthode de Krylov. Nous avons constaté que cette méthode d'approximation est plus précise que celle utilisée dans l'implémentation originale du modèle Wide Band appelé Vector Fitting. L'approximation basée sur la méthode de Krylov a montré une amélioration du lissage et particulièrement en basse fréquence pour la transmission en courant continue. Des simulations dans le domaine temporel basé sur la transformation numérique inverse de Laplace sont utilisées pour évaluer la précision du modèle présenté ci-dessus.Un algorithme robuste et original est mis en œuvre pour renforcer la passivité des modèles non passive. Cet algorithme améliore de manière itérative la précision du lissage fréquentiel qui est reliée mathématiquement à la violation de passivité. Nous avons constaté qu'après quelques itérations, l'algorithme donne un modèle de câble passif et stable.Enfin, sur la base de ces développements, d'autres thèmes de recherche sont proposés.

The integration of new technologies in the electric grids made them more and more complex, and most likely future growth of power grids will be based more on underground cables than overhead lines. One problem here, is that the mathematical model for electromagnetic simulation of power cables still has some shortcomings regarding stability, accuracy and passivity.In this thesis, we evaluate the cable parameters using analytical and numerical methods. The cable physical parameter dependency on frequency and temperature is investigated and a parametric study is done. The resulting frequency dependent admittance and propagation matrices describes accurately the cable behavior over a wide frequency range.The Wide Band model is reformulated using an original and robust fitting method. This method is based on the rational Krylov approximation algorithm. The admittance and propagation matrices are fitted in the frequency domain using the Krylov based method. We found that this approximation method is more accurate than that used in the original implementation of the wide band model known as Vector Fitting. Krylov based approximation showed an enhancement in the fitting and especially at low frequency for HVDC transmission. Time domain simulation based on the Numerical Laplace Transform are used to assess the accuracy of the aforementioned model.An original and robust passivity enforcement algorithm is proposed to fulfill the passivity criteria on a passivity violated model. This algorithm tries to iteratively improve the accuracy of the rational approximation that relates to the passivity violation. It was shown that after few iterations the algorithm renders a passive and a stable cable model.Finally, based on these developments, further research themes are proposed.