Analyse et le contrôle de la stabilité des réseaux électriques à fort taux d’énergie renouvelable

Analysis and control of the stability of power systems with a high penetration of renewable energy

• Auteur / Autrice : Hung Cuong Nguyen
• Direction : Tuan Tran-Quoc, Yvon Bésanger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Raison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eleonora Riva Sanseverino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Petit, Yassine Amirat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus stochastiques

Optimisation mathématique

Énergies renouvelables

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Réseau électrique

Énergies renouvelables

Stabilité

Impacts

Solutions

Optimisation

Power systems

Renewable energy

Stability

Impacts

Solutions

Optimization

Résumé

En réponse aux défis associés à l'utilisation des énergies fossiles, il y a une transition énergétique vers les sources d'énergie renouvelable (ENR), notamment l'énergie solaire photovoltaïque (PV) et l'énergie éolienne, qui offrent des alternatives plus propres et plus durables. Cependant, la nature variable de la production d'énergie des ENR, qui dépend des conditions météorologiques, introduit une intermittence et pose des défis pour la fiabilité du réseau électrique. De plus, les ENR raccordent au réseau par le biais d'interfaces électroniques de puissance, qui ont une faible inertie par rapport aux générateurs synchrones (SGs). Ces caractéristiques des ENR affectent négativement la stabilité du réseau, influençant la fréquence, la tension et la stabilité de l'angle du rotor.Historiquement, les études de stabilité des réseaux électriques se concentraient sur la stabilité de l'angle du rotor et la stabilité de la tension dans les systèmes avec des machines tournantes. Avec l'intégration des ENR et des onduleurs électroniques de puissance, en raison de l'absence de générateurs synchrones conventionnels, il est nécessaire d’effectuer les études plus sophistiquées, notamment sur le réseau avec 100 % de ENR. Notre thèse aborde à cette question en utilisant des analyses à la fois statiques et dynamiques pour évaluer la stabilité du réseau, avec un accent particulier sur la stabilité de la fréquence.Les contributions de cette thèse concernent plusieurs points suivants :• Etat de l’art des impacts des ENR sur la stabilité: Examiner comment le manque d'inertie et la production intermittente des ENR entraînent des problèmes d’instabilité tels que l’instabilité de la fréquence, de l’angle du rotor et de la tension, et étudier des méthodes pour améliorer la stabilité du système.• Analyse de stabilité par simulation : Utiliser des méthodes de simulation dynamique pour analyser l'impact de la forte pénétration des ENR sur la stabilité globale du réseau, en identifiant les limites du rapport ENR au-delà desquelles les réseaux deviennent instables.• Simulations stochastiques : En raison de l'intermittence de la production d'énergie des ENR, des simulations stochastiques sont utilisées pour identifier des scénarios extrêmes qui pourraient entraîner une instabilité dans les systèmes électriques intégrés aux ENR après des perturbations.• Proposition des solutions innovantes : Proposer des méthodes pour stabiliser les systèmes électriques dans des scénarios critiques, visant jusqu'à 100 % d'intégration des ENR tout en maintenant la fiabilité du réseau en utilisant les FRT (Fault Ride Through) et un système de stockage d'énergie (BESS) en cas de défaut• Optimisation des parametres: Exploiter l'optimisation par essaim de particules (PSO) pour déterminer les paramètres optimaux des contrôleurs des BESS et des système de stabiliseur (PSS : Power System Stabilizer), améliorant ainsi la qualité et la résilience de la réponse du système.• Réseaux hybrides AC-DC : Étudier les effets des réseaux hybrides AC-DC avec ENR et proposer des stratégies pour améliorer la stabilité de ce type de réseau. Cela inclut l'utilisation de la technologie HVDC-VSC comme pare-feu contre les perturbations et l'optimisation des paramètres HVDC-VSC pour accueillir des niveaux plus élevés de pénétration des ENR.

In response to the challenges associated with the use of fossil fuels, there is a global energy transition towards renewable energy sources (RES), such as solar photovoltaic (PV) and wind energy, which offer cleaner and more sustainable alternatives. However, the variable nature of RES energy production, which depends on weather conditions, introduces intermittency and poses challenges for the reliability of power systems. Additionally, RES are typically connected to the grid through power electronic interfaces, which have low inertia compared to synchronous generators (SGs). These characteristics of RES negatively affect grid stability, influencing frequency, voltage, and rotor angle stability.Historically, stability studies focused on rotor angle stability and voltage stability in systems with rotating machines. With the integration of RES and power electronic inverters, and the consequent reduction in conventional synchronous generators, it has become necessary to perform more comprehensive studies, particularly on grids with high levels of RES penetration. Our thesis addresses this issue by using both static and dynamic analyses to assess grid stability, with a particular focus on frequency stability.The contributions of this thesis include the following:• State of the Art on the Impacts of RES on Stability: Analyzing how the lack of inertia and the intermittent nature of RES production lead to instability issues such as frequency, rotor angle, and voltage instability, and studying methods to enhance system stability.• Stability Analysis via Simulation: Using dynamic simulation methods to examine the impact of high RES penetration on overall grid stability, identifying the thresholds of RES integration beyond which grids become unstable.• Stochastic Simulations: Utilizing stochastic simulations to identify extreme scenarios that could lead to instability in power systems integrated with RES after disturbances, due to the intermittent nature of RES production.• Innovative Solutions: Proposing methods to stabilize power systems in critical scenarios, aiming for up to 100% RES integration while maintaining grid reliability. This includes the application of Fault Ride-Through (FRT) requirements and Energy Storage Systems (ESS).• Parameter Optimization: Using particle swarm optimization (PSO) to determine the optimal parameters for ESS controllers and Power System Stabilizers (PSS), thereby improving the quality and resilience of system responses.• Hybrid AC-DC Grids: Investigating the effects of hybrid AC-DC grids integrated with RES and proposing strategies to improve grid stability. This includes using HVDC-VSC technology as a firewall against disturbances and optimizing HVDC-VSC parameters to accommodate higher levels of RES penetration.