Thèse soutenue

Controle en grid forming pour les convertisseurs d'électronique de puissance : application aux liaisons courant continus de Haute Tension (HVDC)

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Auteur / Autrice : Ebrahim Rokrok
Direction : Xavier GuillaudBruno François
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie Electrique
Date : Soutenance le 04/07/2022
Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance - ULR 2697 / L2EP
Jury : Président / Présidente : Mohamed Machmoum
Examinateurs / Examinatrices : Antoine Bruyère, Jon Are Suul
Rapporteurs / Rapporteuses : Reza Iravani, Lie Xu

Résumé

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Le développement rapide d’équipements raccordés sur les réseaux électriques avec des convertisseurs électroniques de puissance tels que les générateurs à base d‘énergie renouvelable et les liaisons de transmission sous haute tension continue entraîne un changement profond dans la physique même du système électrique. Aujourd'hui, les convertisseurs de puissance ont pour fonction principale d'injecter de l'énergie dans le réseau électrique, ce dernier s'appuyant sur des machines synchrones pour assurer tous les besoins nécessaires au fonctionnement et à la conduite du système électrique (par exemple, les services auxiliaires, la fourniture de réserve inertielle énergétique et de réserves dynamiques et fiables de puissance). Ce mode de fonctionnement des convertisseurs de puissance est appelé "grid-following" car suivant la tension alternative imposée au point de raccordement. Il présente plusieurs limitations, telles que : l'incapacité de fonctionner en mode autonome, des problèmes de stabilité dans des réseaux faibles et des fonctionnements défectueux, ainsi que des effets secondaires négatifs sur l'inertie du système. Pour relever ces défis, une alternative est de contrôler le convertisseur électronique de puissance pour générer et contrôler lui-même cette tension alternative. Dans cette thèse, une description fondamentale de cette commande en grid-forming est présentée avec une approche de modélisation quasi-statique simplifiée permettant de concevoir une régulation de la puissance active échangée avec le réseau AC. Plusieurs variantes de cette stratégie de contrôle sont mises en évidence et présentent des différences en termes de comportement dynamique sur la puissance active, de capacité d'émulation d'une réserve énergétique inertielle et de prise en charge de la fréquence du système. Les variantes sont ensuite classées en fonction de leurs capacités et fonctionnalités. Ces stratégies de commande ont été implémentées pour un convertisseur à 2 niveaux. Suivant une analyse de stabilité dite « petits signaux », la robustesse et leur capacité à fonctionner sur un réseau faible sont démontrées. De plus, les services auxiliaires tels que la réponse inertielle et le support au contrôle de la fréquence sont fournis de manière appropriée au réseau AC. Les questions de la protection contre les surintensités et de la synchronisation après défaut (tout en tenant compte de la limitation de courant) sont étudiées et une nouvelle méthode est proposée pour améliorer la stabilité transitoire du système électrique. Les résultats obtenus sont ensuite généralisés à une topologie de convertisseur multi-niveaux modulaire (MMC) avec succès. Avec cette commande, la fourniture d’une réserve inertielle est particulièrement intéressante pour gérer les transferts de puissance à l’interconnexion d’un réseau continu haute tension avec le réseau alternatif de transport d’électricité. La dernière partie de cette thèse évalue les performances dynamiques d'une liaison HVDC interconnectant deux réseaux AC et met en évidence la stratégie et les exigences appropriées pour la fourniture de réserve inertielle