Nouvelles lois de contrôle pour former des réseaux de transport avec 100% d’électronique de puissance

Grid-forming control to achieve a 100% power electronics interfaced power transmission systems

• Auteur / Autrice : Taoufik Qoria
• Direction : Xavier Kestelyn, François Gruson, Xavier Guillaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique (AM)
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Van Cutsem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Gruson, Xavier Guillaud, Wang Xiongfei, Marco Liserre, Maryam Saedifard, Jon Are Wold Suu, Stéphane Clénet, Thilbault Prevost
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wang Xiongfei, Marco Liserre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Réseaux électriques (énergie) -- Pertes d'énergie

Réseaux électriques (énergie) -- Régulation

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Convertisseur DC/AC-AC/DC

Grid-Forming contrôle

Dynamiques des systèmes électriques

Stabilité petit-Signaux

Limitation de courant

Stabilité transitoire

Power converters

Grid-Forming control

Power system dynamics

Small-Signal stability analysis

Current limitation

Transient stability

Résumé

Le développement rapide de la production d'énergie renouvelable intermittente et des liaisons HVDC entraîne une augmentation importante du taux de pénétration des convertisseurs statiques dans les réseaux de transport. Aujourd'hui, les convertisseurs statiques ont pour fonction principale d'injecter une puissance dans le réseau tout en s'appuyant sur des machines synchrones qui garantissent tous les besoins du système électrique. Ce mode de fonctionnement est appelé «Grid-following». Les convertisseurs contrôlés en Grid-following ont plusieurs limitations: leur incapacité à fonctionner en mode autonome, leurs problèmes de stabilité dans des réseaux faibles et en cas de défaut ainsi que leur effet négatif sur l'inertie équivalent du système. Pour relever ces défis, le contrôle en Grid-forming est une bonne solution pour répondre aux besoins du système électrique et permettre un fonctionnement stable et sûr du système même avec un taux de pénétration des convertisseurs statique de 100%. Tout d'abord, trois stratégies de contrôle en Grid-forming sont proposées pour garantir quatre fonctionnalités principales: contrôle de tension, contrôle de puissance, émulation d'inertie et le support de la fréquence. La dynamique et la robustesse du système basées sur chaque contrôle ont été analysées et discutées. Ensuite, selon la topologie du convertisseur, la connexion avec le réseau AC peut nécessiter des filtres et des boucles de contrôle supplémentaires. Dans le cadre de cette thèse, deux topologies de convertisseur ont été envisagées (VSC à 2-niveaux et VSC-MMC) et l'implémentation associée à chacune a été discutée. Enfin, les questions de la protection des convertisseurs Grid-forming contre les surintensités et leur synchronisation post-défaut ont été étudiées, puis, des algorithmes de limitation de courant et de resynchronisation ont été proposés pour améliorer la stabilité transitoire du système. Un banc d'essai a été développé pour confirmer les approches théoriques proposées.

The rapid development of intermittent renewable generation and HVDC links yields an important increase of the penetration rate of power electronic converters in the transmission systems. Today, power converters have the main function of injecting power into the main grid, while relying on synchronous machines that guaranty all system needs. This operation mode of power converters is called ''Grid-following''. Grid-following converters have several limitations: their inability to operate in a standalone mode, their stability issues under weak-grids and faulty conditions and their negative side effect on the system inertia.To meet these challenges, the grid-forming control is a good solution to respond to the system needs and allow a stable and safe operation of power system with high penetration rate of power electronic converters, up to a 100%. Firstly, three grid-forming control strategies are proposed to guarantee four main features: voltage control, power control, inertia emulation and frequency support. The system dynamics and robustness based on each control have been analyzed and discussed. Then, depending on the converter topology, the connection with the AC grid may require additional filters and control loops. In this thesis, two converter topologies have been considered (2-Level VSC and VSC-MMC) and the implementation associated with each one has been discussed. Finally, the questions of the grid-forming converters protection against overcurrent and their post-fault synchronization have been investigated, and then a hybrid current limitation and resynchronization algorithms have been proposed to enhance the transient stability of the system. At the end, an experimental test bench has been developed to confirm the theoretical approach.