Développement d'une stratégie de protection pour réseaux HVDC à base de lignes aériennes et/ou hybrides

Development of a HVDC grid protection strategy based on hybrid OHL and cable lines

• Auteur / Autrice : Pascal Torwelle
• Direction : Bertrand Raison, Trung Dung Le
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 19/01/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Mohamed Benbouzid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lutz Hofmann, Benoît Robyns

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures de sécurité

Électricité

Électricité -- Transport

Lignes électriques aériennes

Haute tension

Mots clés libres

Défauts

Protection

Lignes aériennes DC

Mtdc

Refermeture

Mtdc

Faults

Protection

Dc ohl

Auto-Reclosing

Résumé

La recherche mondiale de réduction des émissions de gaz à effet de serre, de moins de pollution et d'une plus grande efficacité afin de faire face au changement climatique nécessite des changements élémentaires dans la production et la transmission d'énergie. Les centrales conventionnelles dont l'énergie primaire provient du charbon ou du nucléaire sont de plus en plus repoussées par les énergies renouvelables. Cependant, le grand potentiel de l'énergie éolienne est situé en mer, ce qui implique que l'énergie est produite dans des zones reculées loin des régions métropolitaines. Afin d'éviter la congestion du réseau de transport AC, la construction de réseaux HVDC offre de grandes opportunités. Les sources d'énergie renouvelables pourraient être interconnectées via un système HVDC maillé (MTDC), également appelé Supergrid. Cependant, la protection de ces réseaux HVDC reste un domaine de recherche actuel.Le courant de défaut dans les réseaux MTDC atteint plusieurs dizaines de kilo ampères et n'a pas des points de passage par zéro contrairement aux réseaux AC. Des disjoncteurs Courant Continu rapides (DCCB) sont nécessaires pour interrompre le courant de défaut. Un autre défi consiste à limiter l'impact sur le réseau AC et à assurer sa stabilité lors de l'élimination des défauts DC. Récemment, différentes stratégies de protection ont été proposées et peuvent être classées dans les trois catégories suivantes.• Stratégie de protection entièrement sélective : Dans une stratégie de protection entièrement sélective, des zones de protection sont définies pour protéger individuellement chaque ligne et chaque bus. En cas de défaut de ligne, seule la ligne défectueuse sera isolée.• Stratégie de protection partiellement sélective : le réseau DC est divisé en plusieurs zones de protection ou sous-réseaux. En cas de défaut, seule la zone de protection en défaut est isolée tandis que le flux de puissance des autres est maintenu.• Stratégie de protection non-sélective : cette stratégie de protection considère le réseau DC comme une zone de protection pour l'élimination des défauts. En cas de défaut, l'ensemble du réseau DC sera isolé.Le CHAPITRE I donne un aperçu des configurations, des composants, du comportement aux pannes et de la protection dans les réseaux MTDC. Le CHAPITRE II traite des aspects de modélisation des composants du réseau pour les études de défauts DC. Dans la dernière section de ce chapitre, une méthode de calcul semi-analytique du courant de défaut pour les réseaux hybrides prenant en compte le blocage MMC est proposée. Le procédé est en outre utilisé pour le dimensionnement d'inductances de limitation CC. Une analyse de la conformité des stratégies de protection non sélective avec les réseaux hybrides est réalisée au CHAPITRE III. Sur la base des défis identifiés, une nouvelle stratégie de protection est proposée au CHAPITRE IV. Les séquences de protection sont validées dans le CHAPITRE V. Le CHAPITRE VI traite de la refermeture automatique des lignes aériennes dans les réseaux MTDC et un nouveau concept de pré-excitation est proposé.

The worldwide pursuit of lower greenhouse gas emissions, less pollution and higher efficiency in order to face climate change requires drastic changes in energy production and energy transmission. Conventional power plants with primary energy coming from coal or nuclear are pushed back more and more by renewable energy sources. However, the great potential of wind energy is located offshore which implies that energy is produced in remote areas far from metropolitan regions. In order to avoid congestion in the AC transmission network, the construction of HVDC networks offers great opportunities. Renewable energy sources could be interconnected via a meshed HVDC system, also-called supergrid. However, the protection of such HVDC grids is still a challenging field of research.The fault current in meshed HVDC grids reaches several tens of kilo amperes and has no zero crossing points compared to AC grids. Fast DC Circuit Breakers (DCCB) are required in order to interrupt the fault current. Another challenge is to limit the impact on the AC grid and to ensure its stability during fault clearing of DC faults. Recently, different fault clearing strategies (FCS) have been proposed and can be classified in the three following categories.• Fully selective fault clearing strategy: In a fully selective DC grid fault clearing strategy, protection zones are defined to individually protect each DC line and bus. In case of a line fault, only the faulty line will be isolated.• Partially selective fault clearing strategy: The DC grid is divided into several protection zones or sub-grids. In case of a fault, only the faulty protection zone is isolated while the power flow of the others is maintained.• Non-selective fault clearing strategy: This fault clearing strategy considers the DC grid as one protection zone for fault clearing. In case of a fault, the whole DC grid will be isolated.In the SuperGrid Institute, the so-called Converter Breaker Strategy has been developed. The Converter Breaker Strategy is a non-selective protection strategy and relies on fault clearing based on slow-speed mechanical DCCBs at each converter output. It is considered to be less costly compared to fully selective fault clearing strategies and shows a better performance compared to some other non-selective fault clearing strategies. In case of a DC fault, all DCCBs at converter outputs are tripped which leads to a temporary active power flow interruption. The DCCBs reclose and converters resume power once the faulty line is isolated. Considering a hybrid grid that consists besides cables of overhead lines, new challenges are identified. The most obvious constraint is the high fault probability of OHL compared to cables which would lead to frequent active power flow interruptions and low availability of the DC grid when applying a non-selective fault clearing strategy. The objective of this thesis is to identify the major challenge when considering the application of non-selective fault clearing strategies to hybrid grid structures and to propose solutions. The thesis is structured as follows. CHAPTER I provides an overview on configurations, components, fault behaviour and protection in Multi-Terminal Direct Current (MTDC) grids. CHAPTER II treats modelling aspects of grid components for DC fault studies. In the last section of this chapter, a semi-analytical fault current calculation method for hybrid grids considering MMC blocking is proposed. The method is further used for the sizing of DC limiting inductors. An analysis on the compliance of non-selective protection strategies with hybrid grids is carried out in CHAPTER III. Based on the identified challenges, a novel protection strategy is proposed in CHAPTER IV. The protection sequences are validated in CHAPTER V. CHAPTER VI treats the auto-reclosing of overhead lines in MTDC grids and a novel pre-energisation concept is proposed.