Converter control in a power system with high penetration of renewable energy

Commande de convertisseurs pour un système électrique à forte intégration d'énergies renouvelables

• Auteur / Autrice : Rayane Mourouvin
• Direction : Didier Georges, Seddik Bacha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 03/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Gildas Besançon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Germain Garcia, Zhe Chen, Abdelkrim Benchaib
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Houria Siguerdidjane, Mauro Carpita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs multiniveaux

Réseaux électriques (énergie)

Électronique de puissance

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Réseaux électriques

Convertisseurs de puissance

Commande

Power converters

Power systems

Control

Résumé

La plupart des sources renouvelables, telles que le solaire photovoltaïque ou l'éolien, dépendent de convertisseurs à base d'Electronique de Puissance (EP) pour leur raccordement au réseau électrique. Par conséquence, ces interfaces à base d'EP deviennent de plus en plus dominantes dans les réseaux actuels et font évoluer les caractéristiques des réseaux existants. Cette tendance s'observe au niveau des réseaux de distribution, où la production décentralisée telle que les panneaux solaires photovoltaïques résidentiels se développe rapidement. C'est également le cas au niveau du réseau de transport où d'importantes sources d'énergie telle que les Fermes Eoliennes Offshore (FEO) commencent à être interconnectés au réseau grâce à la technologie de Haute Tension à Courant Continu (HVDC).Cette thèse de doctorat s'adresse à certains des futurs défis du réseau dans lequel les Générateurs Synchrones (GS) des centrales thermiques traditionnelles sont remplacés par des sources à base d'EP. Ce travail se concentre plus spécifiquement sur la technologie des Convertisseurs Source de Tension (VSC) et de leurs commandes associées. En outre, le contrôle de ces convertisseurs et leurs impacts au niveau de réseaux hybrides, où l'EP et les GS coexistent, sont étudiés.Dans la première partie de ce manuscrit, les différents services systèmes fournis par les GS sont listés et un état de l'art des stratégies de contrôle du VSC existantes est donné, en incluant les notions de suiveurs (grid-following) et de formeurs (grid-forming) du réseau. Ces deux types de contrôles sont comparés du point de vue de leur capacité à apporter au réseau des services similaires à ce que les GS pouvaient apporter. Ensuite, le rôle de ces deux contrôles est étudié afin de déterminer le taux de pénétration maximal en EP tel que le réseau reste stable ainsi que les problèmes d'interactions potentielles avec les GS dans le cas d'un réseau hybride de référence. Il a pu être démontré que passer d'un contrôle type grid-following au grid-forming permet d'améliorer le taux de pénétration maximal des VSC dans le réseau, même si dans ce dernier cas des interactions avec les GS existent et devront être prises en compte pour permettre l'intégration massive d'EP dans le réseau.Dans la seconde partie de ce manuscrit, l'accent est mis sur l'application du grid-forming aux Convertisseurs Modulaires Multi-niveaux (MMC) dédiés à l'intégration de FEO dans les réseaux AC et l'impact des dynamiques du réseau DC sur la réponse de la station MMC contrôlée en grid-forming, quand le convertisseur doit également assurer la stabilité de la tension DC. Dans ce contexte, une méthode est proposée pour estimer les besoins en énergie des sous-modules du MMC pour fournir au réseau AC un support inertiel. Un contrôle associé à cet usage est proposé. Sa compatibilité avec le grid-forming issu de l'état de l'art est également validée dans un grand réseau multi-machines et multi-convertisseurs. Dans un second temps, une solution de contrôle basée sur une approche multivariable est finalement proposée pour améliorer le support des réseaux AC et DC qu'interconnecte le MMC. Cette solution, basée sur la synthèse d'une Commande Prédictive à base de Modèle (MPC), montre une meilleure gestion de l'énergie interne du MMC que la structure classique qui utilise des correcteurs PI et qui repose sur des hypothèses de découplages entre les grandeurs AC et DC. La robustesse du MPC face aux variations paramétriques du système est également démontrée par simulation.Enfin, dans un dernier temps, la stratégie basée sur le MPC proposée pour opérer le MMC est validée en utilisant un banc expérimental qui inclut une maquette physique de 6 kVA d'un MMC de 60 sous-modules. Le contrôle grid-forming ainsi que le MPC proposé sont implémentés dans une cible Opal RT et testés avec les contraintes temps réel et permettent de valider l'approche développée dans ces travaux de thèse.

The recent engagements of many national governments backed by the United Nations push for introducing more and more renewable energy in the power systems in an attempt to mitigate global warming. Most of the renewable sources other than hydro power, such as wind turbines (except directly connected) or solar PV systems, depend on Power Electronics (PE) converters for their interconnection with the grid. Thus, the PE-based sources are becoming more and more prevalent in the current power systems and bring brand-new features in the grid. We observe this tendency both at the distribution level where the decentralized production units such as residential solar PV are gaining popularity, and at the transmission level as well where large energy sources such as Offshore Wind Farms (OWF) start to be interconnected with the grid using High-Voltage Direct Current (HVDC) technology.This PhD thesis addresses some of the future grid challenges of replacing existing Synchronous Generators (SG) by PE-based interfaces and focuses more specifically on Voltage Source Converters (VSC) and their associate control strategies. This work focuses on the transmission grid level and investigates the control of VSCs interfacing renewable sources in hybrid power systems where PE and SG coexist.In the first part of the work, the different ancillary services provided by SGs are listed and an overview of the existing VSC-based solutions is given, including the so-called grid-following and grid-forming controls. These two approaches are compared in terms of performances and constraints. Next, these types of controls are studied regarding the maximum allowable limit of PE and their interactions with nearby SGs in hybrid systems. It was shown that switching the VSC control mode from grid-following to grid-forming mode can allow a higher penetration rate of PE-based sources, even though some interactions with the remaining SGs must be taken care of.In the second part of this work, we focus on the application of grid-forming control to Modular Multilevel Converters (MMC) for the integration of OWF in AC grids. The impacts of the DC-grid dynamics on the behavior of the grid-forming controlled MMC are assessed when the station must ensure the stability of the DC grid at the same time. In this context, a method is also proposed to estimate the energy requirements of the MMC submodules to provide AC-grid related synthetic inertia. The corresponding control proposed is compatible with the state-of-the-art grid-forming control and is validated by simulations in a multi-machine system. To complement, a control solution that enhances the AC/DC support of such stations based on a MIMO-oriented Model Predictive Control (MPC) is proposed. It shows a better handling of the MMC internal energy as well as robustness against parameter uncertainties when compared to the existing SISO-based dual PI structure that relies on a theoretical decoupling between the AC and DC dynamics.Finally, the proposed MPC-based control is applied to a real MMC. It is validated using an experimental setup which involves a mockup of an MMC of 6 kVA and 60 submodules. The grid-forming control and the proposed MPC are implemented into an Opal RT target and tested with success in real-time conditions to validate the approach developed in this thesis.