Synthèse de contrôle par supervision pour la reconfiguration des réseaux HVDC

Supervisory control for the reconfiguration of HVDC grids

• Auteur / Autrice : Lucas Molina Barros
• Direction : Laurent Piétrac, Emil Dumitrescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Jury : Président / Présidente : Armand Abdoul Karim Toguyeni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Piétrac, Emil Dumitrescu, Armand Abdoul Karim Toguyeni, Thomas Moor, Antoneta-Iuliana Bratcu, Abdelkrim Benchaib
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Armand Abdoul Karim Toguyeni, Thomas Moor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes échantillonnés

Convertisseurs multiniveaux

Mots clés libres

Transmission de puissance

HVDC - High Voltage Direct Current

Théorie du Contrôle par Supervision

Système à évènement discret

Contrôle

Modélisation

Reconfiguration

Systèmes HVDC

Loi de commande

Réseau intelligent

Power Transmission System

High Voltage Direct Current - HVDC

Supervision control theory

Discrete event system

Control

Modelisation

Reconfiguration

HVDC systems

Power law

Smart grip

Résumé

Dans un contexte marqué par des enjeux socio-économiques et écologiques, les réseaux à courant continu haute tension (HVDC) sont apparus comme une alternative prometteuse pour aider à atteindre les objectifs énergétiques fixés pour les années à venir. Grâce à leur déploiement géographique étendu et à leurs avantages techniques inhérents, ils peuvent transporter de grandes quantités d'énergie renouvelable depuis des sites éloignés vers les réseaux à courant alternatif (AC) existants, où se trouvent leurs consommateurs potentiels. Cependant, la dynamique rapide des composants des réseaux HVDC exige un contrôle très réactif et coordonné pour éviter des défaillances en cascade du système. Avec un fort besoin de continuité de service et un fonctionnement en temps réel difficile, les réseaux HVDC nécessitent une automatisation fiable des tâches qui, aujourd'hui, dans les réseaux AC, peuvent encore compter partiellement ou totalement sur l'intervention humaine. En outre, les réseaux HVDC sont sujets à une reconfiguration structurelle. Par conséquent, leur conception de contrôle doit également prendre en charge des besoins variables et l'exécution de diverses tâches distinctes, définies pour différentes configurations de système. À cette fin, la théorie du contrôle de supervision (TCT) fournit un cadre formel et automatisé pour la synthèse de contrôleurs basés sur des automates avec des garanties de correction pour gérer des comportements concurrents et interactifs dans des applications stratégiques et de grande. Dans ce contexte, ce travail de thèse propose d'exploiter le potentiel de la TCT dans l'automatisation des réseaux HVDC et la gestion de leur comportement reconfigurable. Nos résultats ont une nature à la fois méthodologique et pratique. Ils consistent en une approche systématique de décomposition modale combinée à une architecture de contrôle hiérarchique et décentralisée pour la réalisation de contrôles formels et leur implémentation distribuée dans un système physique. L'efficacité de l'approche proposée est illustrée par son application dans le contrôle décentralisé d'un réseau HVDC à quatre terminaux et par l'implémentation des modèles obtenus dans un banc d'essai type Hardware-In-The-Loop. Ce dernier est équipé de microcontrôleurs communicants et d'une plateforme de simulation en temps réel, créant ainsi un environnement soumis à des contraintes similaires à celles attendues sur les réseaux HVDC réels.

In a context marked by socio-economic and ecological issues, High Voltage Direct Current (HVDC) grids have emerged as a promising alternative to help fulfill energy objectives set for future years. Thanks to their wide geographical deployment and inherent technical advantages, they can transport large amounts of renewable energy from remote locations into existing Alternative Current (AC) grids, where their potential consumers are located. However, the fast dynamics of HVDC grid components demand a highly reactive and coordinated control to prevent cascading system failures. With a strong need for service continuity and real-time operation being a challenge, HVDC grids require safe automation of tasks that today, in AC grids, may still rely partially or completely on human intervention. Furthermore, HVDC grids are subject to structural reconfiguration. Hence, their control design must also support changing network requirements and the execution of diverse tasks, defined for different system configurations and control needs. To this end, the Supervisory Control Theory (SCT) provides a formal and automated framework for the synthesis of automata-based controllers with correction guarantees to handle concurrent and interactive behavior in large-scale and safety-critical applications. Driven by these circumstances, this work proposes to exploit the potential of the SCT in the automation of HVDC grids and management of their reconfigurable behavior. Our results have both methodological and practical nature. They consist of a systematic modal-based approach combined with a hierarchical and decentralized control architecture for the realization of formal control models and their distributed implementation in a physical control system. The effectiveness of the proposed approach is illustrated with its application in the distributed control of a four-terminal HVDC grid and the implementation of obtained models in a Hardware-In-The-Loop test-bench. The latter is equipped with communicating microcontrollers and a real-time simulation platform, thus creating an environment subject to similar constraints as those expected from real HVDC grids.