Connexion en AC de grandes fermes éoliennes au réseau de transport : d'un raccordement en source de courant au raccordement en source de tension

AC Connection of Wind Farms to Transmission System : from Grid-Following to Grid-Forming

• Auteur / Autrice : Artur Avazov
• Direction : Xavier Guillaud, Jef Beerten
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut en cotutelle avec Katholieke universiteit te Leuven (1970-....). Faculteit Geneeskunde
• 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 : Serge Pierfederici
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dirk Van Hertem
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sibylle Dieckerhoff, Nicolaos-Antonio Cutululis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Amortissement

Électricité -- Production

Méthodologie

Agrégation

Énergie éolienne

Énergies renouvelables

Électricité -- Transport

Réseaux électriques d'interconnexion

Mots clés libres

Réseau de transport d'électricité

Grid-Forming

Éoliennes

Amortissement des vibrations

Parc éolien

Agrégation

Transmission network

Grid-Forming

Wind turbines

Vibrations damping

Wind farm

Aggregation

Résumé

Des centrales éoliennes (WPPs) constituent une part significative des sources d'énergies renouvelables interfacées au réseau électrique avec les convertisseurs électroniques de puissance. Jusqu'à présent, presque tous ces convertisseurs sont connectés au réseau en mode de fonctionnement appelé grid-following. Dans les années à venir, au moins certains d'entre eux passeront au mode de fonctionnement appelé grid-forming.Le contrôle d’un convertisseur en grid-forming est différent d'un contrôle classique en grid-following. Par conséquent, afin de faire fonctionner une éolienne de Type-4 en grid-forming, il est nécessaire de modifier la configuration de commande du convertisseur en tête-bêche. La modification appropriée de la commande crée un fort couplage entre le convertisseur grid-forming et la partie mécanique de l’éolienne. Ce couplage induit plusieurs effets négatifs sur le fonctionnement de l’éolienne. Le principal effet est la variation rapide du couple électromagnétique de la génératrice, qui entraîne une augmentation des vibrations de torsion induites dans le système d’entraînement mécanique d’une éolienne. Afin d’atténuer cet effet, l’impact d’un contrôle grid-forming sur une éolienne est étudié et des solutions possibles pour l’amortissement des vibrations sont proposées.Une WPP grid-forming est un moyen intéressant d’améliorer la stabilité du système électrique. Cependant, pour analyser une WPP connecté au réseau de transport d’électricité, il est nécessaire d’utiliser son modèle équivalent dynamique. Les modèles standard équivalents ne peuvent pas être fiables dans toutes les conditions de vent possibles. Pour cette raison, dans cette thèse, l’agrégation d’une WPP est développée en tenant compte de la nature hétérogène de la distribution du vent. De plus, l’algorithme qui recommande le modèle équivalent optimal à utiliser dans chaque condition de vent est proposé. La vérification de la méthodologie d’agrégation et de l’algorithme de recommandation d'un modèle équivalent optimal est effectuée sur l’étude de cas d’une WPP existant

Wind power plants (WPPs) constitute a significant share of the renewable energy sources interfaced to the grid with a power electronic converter. Till now, nearly all of these converters are connected to the grid in grid-following mode. Over the next years, at least some of them, are expected to switch to grid-forming mode.The grid-forming control differs from a classical grid-following control. Therefore, in order to make a Type-4 wind turbine function in grid-forming mode, a significant modification in the control configuration of the back-to-back converter is required. This appropriate control modification in turn creates a strong coupling between the grid-forming converter and the mechanical part of the wind turbine. This coupling induces several negative effects on the operation of the wind turbine. The major effect is a fast variation of the generator’ electromagnetic torque, resulting in increased torsional vibrations induced in the wind turbine drivetrain. Therefore, to mitigate this effect, the impact of the grid-forming control on the wind turbine is investigated and possible solutions for vibration damping are proposed.A grid-forming WPP is an interesting mean to improve power system stability. However, to analyze a grid-forming WPP connected to a transmission system, the use of its dynamic equivalent model is typically required . Standard equivalent models cannot be reliable in all possible wind conditions. For this reason, in this thesis, the aggregation of a WPP is developed by taking into account the heterogeneous nature of the wind distribution within a WPP. In addition, an algorithm that recommends the equivalent model to be used in each wind condition is proposed. The verification of the aggregation methodology and the recommendation algorithm is carried out on the case study of an existing WPP