Stabilité des systèmes électriques comportant une forte proportion de sources interfacées par électronique de puissance

Stability of power systems with high penetration of sources interfaced by power electronics

• Auteur / Autrice : Guilherme Santos Pereira
• Direction : Xavier Guillaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• 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 : Jean-Luc Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Deepak Ramasubramanian, Massimo Bongiorno, Antoine Bruyère, Valentin Costan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maria Molinas Cabrera, Luis Rouco Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande électronique

Convertisseurs électriques

Électronique de puissance

Machines synchrones

Machines électriques

Stabilité de fréquence

Stabilité

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Stabilité des systèmes électriques

Machines synchrones

Sources interfacées par électronique de puissance

Convertisseurs en mode source de tension

Convertisseurs en mode source de courant

Stabilité aux petits signaux

Modèles d’ordre réduit

Stability of power systems

Synchronous machines

Power electronics-based sources

Voltage control mode inverters (VCIs)

Current control mode inverters (CCIs)

Small-signal stability

Reduced order models

Résumé

L’insertion massive de sources interfacées par Électronique de Puissance (EP) dans le réseau va induire de grands défis techniques à surmonter pour garantir la stabilité du système électrique. L’une des principales préoccupations tient aux caractéristiques de ces sources, qui sont différentes de celles des Machines Synchrones (MS). Ce travail apporte un éclairage supplémentaire sur l’effet de l’insertion massive des sources interfacées par EP dans le système électrique, plus spécifiquement sur l’évolution du comportement de la fréquence de ces systèmes. Pour y répondre, un ensemble d’outils et de méthodes s’inspirant des fondamentaux des systèmes basés sur la production d’électricité avec les MSs a été développé. Des modèles d’ordre réduit des sources interfacées par EP se comportant comme sources de tension ou de courant sont proposés. Comme ces représentations partagent la même approche théorique que les modèles de MSs, il est ensuite possible de les fusionner en vue de l’analyse des systèmes électriques quelconques, indépendamment leur complexité. Les systèmes d’ordre réduit peuvent soit être modélisés en représentant chaque source ou bien en utilisant le concept des zones synchrones, ce qui offre une grande flexibilité d’analyse. Avec une approche progressive, le comportement de la fréquence des systèmes académiques relevé avec la méthodologie proposée est analysé en profondeur et comparé avec celui obtenu avec des modèles détaillés. L’approche développée dans ce travail peut être utilisée pour déterminer l’impact du ratio de pénétration des sources interfacées par EP sur le comportement global de la fréquence, mais aussi pour évaluer les oscillations intra et interzones des différents systèmes électriques.

The massive insertion of Power Electronics (PE)-based sources into the grid is creating some technical challenges which must be overcome in order to guarantee the stability of the power system. One of the main concerns is due to the characteristics of these sources, which are different to those of Synchronous Machines (SMs). This research intends to provide a supplementary insight into the massive insertion of PE-based sources into the power system, more specifically the evolution of the frequency behaviour of these systems. For this purpose, a set of methods and tools already used on classical SM-based systems is proposed. Reduced order models of PE-based sources behaving as voltage or current sources are proposed, and, since the obtained representations share the same theoretical approach as that employed for SMs, they can be employed together to analyse any power system, regardless its complexity. The reduced order model of the systems can either be designed by representing each source of the original system or using the concept of synchronous areas, providing flexibility in the analysis. Using a step-by-step approach, the frequency behaviours observed with academic systems are deeply analysed with the proposed methodology, and validated with those obtained with detailed EMT models. The proposed approach developed in this work can be used to determine the impact of the penetration rate of PE-based sources on the overall frequency behaviour, and on the intra- and inter-area oscillations of different power systems