Thèse soutenue

Converter control in a power system with high penetration of renewable energy
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Auteur / Autrice : Rayane Mourouvin
Direction : Didier GeorgesSeddik 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
Jury : Président / Présidente : Gildas Besançon
Examinateurs / Examinatrices : Germain Garcia, Zhe Chen, Abdelkrim Benchaib
Rapporteurs / Rapporteuses : Houria Siguerdidjane, Mauro Carpita

Résumé

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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.