Academic literature on the topic 'Réseau multi-terminal'

La multiplication des projets HVDC de par le monde démontre l'engouement toujours croissant pour cette technologie de transport de l'électricité. La grande majorité de ces transmissions HVDC correspondent à des liaisons point-à-point et se basent sur des convertisseurs AC/DC de type LCC ou VSC à 2 ou 3 niveaux. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l'étude, le contrôle et la commande de systèmes HVDC de type multi-terminal (MTDC), avec des convertisseurs de type VSC classique ou modulaire multi-niveaux. La première étape consiste à obtenir les modèles moyens du VSC classique et du MMC. La différence fondamentale entre ces deux convertisseurs, à savoir la possibilité pour le MMC de stocker et de contrôler l'énergie des condensateurs des sous-modules, est détaillée et expliquée. Ces modèles et leurs commandes sont ensuite linéarisés et mis sous forme de représentations d'état, puis validés en comparant leur comportement à ceux de modèles de convertisseurs plus détaillés à l'aide de logiciels de type EMT. Une fois validés, les modèles d'état peuvent être utilisés afin de générer le modèle d'état de tout système de transmissions HVDC, qu'il soit point-à-point ou MTDC. La comparaison d'une liaison HVDC à base de VSCs classiques puis de MMCs est alors réalisée. Leurs valeurs propres sont étudiées et comparées, et les modes ayant un impact sur la tension DC sont identifiés et analysés. Cette étude est ensuite étendue à un système MTDC à 5 terminaux, et son analyse modale permet à la fois d'étudier la stabilité du système, mais aussi de comprendre l'origine de ses valeurs propres ainsi que leur impact sur la dynamique du système. La méthode de décomposition en valeurs singulières permet ensuite d'obtenir un intervalle de valeurs possibles pour le paramètre de"voltage droop", permettant ainsi le contrôle du système MTDC tout en s'assurant qu'il soit conforme à des contraintes bien définies, comme l'écart maximal admissible en tension DC. Enfin, une proposition de "frequency droop" (ou "statisme"), permettant aux convertisseurs de participer au réglage de la fréquence des réseaux AC auxquels ils sont connectés, est étudiée. Le frequency droop est utilisé conjointement avec le voltage droop afn de garantir le bon fonctionnement de la partie AC et de la partie DC. Cependant, l'utilisation des deux droop génère un couplage indésirable entre les deux commandes. Ces interactions sont mathématiquement quantifiées et une correction à apporter au paramètre de frequency droop est proposée. Ces résultats sont ensuite validés par des simulations EMT et par des essais sur la plate-forme MTDC du laboratoire L2EP
HVDC transmission systems are largely used worldwide, mostly in the form of back-to-back and point-to-point HVDC, using either thyristor-based LCC or IGBT-based VSC. With the recent deployment of the INELFE HVDC link between France and Spain, and the commissioning in China of a three-terminal HVDC transmission system using Modular Multilevel Converters (MMCs), a modular design of voltage source converters, the focus of the scientific community has shifted onto the analysis and control of MMC-based HVDC transmission systems. In this thesis, the average value models of both a standard 2-level VSC and an MMC are proposed and the most interesting difference between the two converter technologies -the control of the stored energy in the MMC- is emphasised and explained. These models are then linearised, expressed in state-space form and validated by comparing their behaviour to more detailed models under EMT programs. Afterwards, these state-space representations are used in the modelling of HVDC transmission systems, either point-to-point or Multi-Terminal HVDC (MTDC). A modal analysis is performed on an HVDC link, for both 2-level VSCs and MMCs. The modes of these two systems are specifed and compared and the independent control of the DC voltage and the DC current in the case of an MMC is illustrated. This analysis is extended to the scope of a 5-terminal HVDC system in order to perform a stability analysis, understand the origin of the system dynamics and identify the dominant DC voltage mode that dictates the DC voltage response time. Using the Singular Value Decomposition method on the MTDC system, the proper design of the voltage-droop gains of the controllers is then achieved so that the system operation is ensured within physical constraints, such as the maximum DC voltage deviation and the maximum admissible current in the power electronics. Finally, a supplementary droop "the frequency-droop control" is proposed so that MTDC systems also participate to the onshore grids frequency regulation. However, this controller interacts with the voltage-droop controller. This interaction is mathematically quantified and a corrected frequency-droop gain is proposed. This control is then illustrated with an application to the physical converters of the Twenties project mock-up

Les réseaux multi-terminaux à courant continu sont une solution efficace pour intégrer l’énergie électrique produite en grande quantité par de grands parcs éoliens offshore. Bien que le recours à la technologie HVDC soit maitrisé pour des applications point-à-point, des verrous technologiques sont encore à lever pour permettre une exploitation sûre d’un réseau à courant continu. La protection est le principal domaine technique pour lequel des progrès sont encore attendu. Des stratégies de protection fiables et assurant le meilleur ratio technico-économique sont à l’étude. Ces travaux de thèse ont pour objectif la mise en œuvre d’une philosophie de protection à sélectivité totale, identique à celle utilisée dans les réseaux de transport traditionnels. Cette étude considère l’utilisation de liaison par câbles uniquement, de convertisseurs VSC-MMC composées de sous-modules en demi-pont et de disjoncteurs hybrides à courant continu. Une association de deux algorithmes de détection de défaut a été proposée. Une étude du temps disponible pour l’élimination du défaut a été menée. Enfin, des simulations numériques avec le logiciel EMTP ont permis d’évaluer la fiabilité de la stratégie de protection
In a near future, multi-terminal High Voltage Direct Current grids (MT-HVDC grids) appear to be a suitable solution for the integration of power electricity produced by remote offshore windfarms into the AC transmission system. Though the recourse to HVDC point-to-point links is well-known, challenges still remain for a safe operation of HVDC grids. Protection is the main technical field still under study and reliable protection strategies ensuring the best technological and economic ratio are investigated. This thesis focused on a full selective protection philosophy similar to the one applied to AC transmission systems. The consideration of cable links, Half-Bridge VSC-MMC converters and hybrid DC circuit breakers defines the frame of the study. An association of two algorithms for the identification of faults is suggested. The time available for the fault clearing process has been investigated. Simulations performed with EMTP software have been used to evaluate the reliability of the suggested strategy

Les réseaux sans fil de la prochaine génération devraient prendre en charge les techniques de détection. Des exemples importants sont les systèmes de transport intelligents, où les véhicules détectent en permanence les changements environnementaux et échangent des informations avec les véhicules ou les serveurs centraux. Il existe des solutions naïves pour réaliser ces deux tâches, qui proposent de partager les ressources entre les deux. Cependant, les coûts élevés de spectre et de matériel de ces approches encouragent l’intégration des tâches de détection et de communication (ISAC) via une seule forme d’onde et une seule plateforme matérielle. Cette thèse se concentre sur l’ISAC théorique de l’information. Nous examinons le premier modèle informationnel théorique pour ISAC dans [1] où un canal sans mémoire dépendant de l’état (SDMC) avec des signaux de rétroaction généralisés est observé au niveau de l’émetteur (Tx). Notre première contribution est de caractériser le compromis fondamental entre les taux de communication et la distorsion de détection des canaux de diffusion (BC) dépendants de l’état, mono-Tx et bi-Rx, qui sont physiquement dégradés. Nous fournissons également des limites intérieures et extérieures sur les compromis taux-distorsion réalisables pour les canaux de diffusion généraux. La stratégie optimale de détection des Tx uniques est un simple estimateur symbole par symbole et l’optimalité de cet estimateur découle du fait que les canaux de rétroaction généralisés et la séquence d’état sont tous deux sans mémoire. Ce n’est pas nécessairement le cas dans les configurations avec plus d’une Tx. Plus précisément, pour le MAC, nous proposons une détection collaborative où chaque Tx compresse d’abord les sorties et les entrées obtenues pour extraire les informations d’état, puis transmet l’indice de compression à l’aide d’un code de canal pur aux autres Tx. Nous décrivons également deux schémas ISAC collaboratifs pour D2D, basés sur la séparation source-canal/le schéma de canal bidirectionnel de Han et basés sur le codage conjoint source-canal (JSCC). Dans le scénario MAC et D2D, nos schémas ISAC sont strictement concaves dans les paires taux-distorsion et améliorent donc également les stratégies classiques de partage du temps ou des ressources
Next-generation wireless networks are expected to support sensing techniques. Important examples are intelligent transport systems, where vehicles continuously sense environmental changes and exchange information with vehicles or central servers. There are some naive solutions to do both tasks which propose to share the resources between the two. But, the high spectrum and hardware costs of these approaches encourage to integrate the sensing and communication (ISAC) tasks via a single waveform and a single hardware platform. This thesis focuses on information-theoretic ISAC. We review the first information-theoretic model for ISAC in [1] where a statedependent memoryless channel (SDMC) with generalized feedback signals observed at the transmitter (Tx). Our first contribution is to characterize the fundamental tradeoff between communication rates and sensing distortion of statedependent single-Tx two-Rx broadcast channels (BC) that are physically degraded. We also provide inner and outer bounds on the achievable rate-distortion tradeoffs for general BCs. The single-Txs’ optimal sensing strategy is a simple symbol-by-symbol estimator and the optimality of this estimator stems from the fact that the generalized feedback channels and the state-sequence both are memoryless. This is not necessarily the case in setups with more than one Tx. Specifically, for the MAC, we propose collaborative sensing where each Tx first compresses the obtained outputs and inputs to extract state information, then transmits the compression index using a pure channel code to the other Tx. Also, we describe two collaborative ISAC schemes for D2D, based on source-channel separation/Han’s two-way channel scheme and based on joint source-channel coding (JSCC). In both the MAC and the D2D scenario, our ISAC schemes are strictly concave in the rate-distortion pairs and thus also improve over classical time- or resource-sharing strategies

Cette thèse a été consacrée à l'étude des réseaux multi-terminaux haute tension à courant continu (MTDC). Les principales contributions étaient dans le domaine du contrôle automatique non linéaire, appliquées aux systèmes électriques, électronique de puissance et les sources d'énergie renouvelables. Le travail de recherche a été lancé avec l'intention de combler certaines lacunes entre la théorie et la pratique, en particulier: 1) d'enquêter sur diverses approches de contrôle pour le but d'améliorer la performance des systèmes MTDC; 2) d'établir des connexions entre la conception du contrôle empiriques existantes et analyse théorique; 3) d'améliorer la compréhension du comportement multi-échelle de temps des systèmes MTDC caractérisés par la présence de transitoires lents et rapides en réponse aux perturbations externes. En conséquence, ce travail de thèse peut être mis en trois domaines, à savoir la conception non linéaire de commande de systèmes MTDC, analyse des comportements dynamiques de système MTDC et l'application de systèmes MTDC pour le contrôle de fréquence des systèmes de climatisation
This dissertation was devoted to the study of multi-terminal high voltage direct current (MTDC) networks. The main contributions were in the field of nonlinear automatic control, applied to power systems, power electronics and renewable energy sources. The research work was started with the intention of filling some gaps between the theory and the practice, in particular: 1) to investigate various control approaches for the purpose of improving the performance of MTDC systems; 2) to establish connections between existing empirical control design and theoretical analysis; 3) to improve the understanding of the multi-time-scale behavior of MTDC systems characterized by the presence of slow and fast transients in response to external disturbances. As a consequence, this thesis work can be put into three areas, namely nonlinear control design of MTDC systems, analysis of MTDC system's dynamic behaviors and application of MTDC systems for frequency control of AC systems

L'expansion de la production d'énergie renouvelable expérimentée au cours des dernières décennies et l'augmentation constante de la demande d'énergie, pousse les limites du réseau électrique actuel. Ce réseau ne suffira pas pour répondre correctement aux besoins futurs. Ainsi, la vision du futur réseau électrique semble indiquer un nouveau paradigme: un réseau maillé combinant le système en courant alternatif existant avec un réseau de transmission à courant continu multi-terminaux. Les convertisseurs DC-DC à haute tension et hautes puissances sont identifiés comme un élément clé pour ces futurs réseaux. Cela représente un tout nouveau domaine de recherche qui commence à susciter un vif intérêt dans les milieux universitaires et industriels, car de nombreux défis doivent être résolus.Trouver un circuit approprié pour la mise en œuvre de tels convertisseurs DC-DC est un défi en soi, mais plusieurs questions restent ouvertes concernant les fonctionnalités et les services que ces structures peuvent offrir au futur système électrique.Dans cette thèse, l'étude détaillée des convertisseurs DC-DC pour HVDC est abordée. Un examen complet des différentes méthodes de conversion proposées dans la littérature est d’abord présenté. Ensuite, deux topologies prometteuses sont étudiées en détail, analysant ses principes de fonctionnement et proposant des méthodes de contrôle appropriées. L'intégration au réseau des deux convertisseurs est également abordée à partir d'une étude de cas. Il implique l’interconnexion de deux réseaux DC en conditions normales et en défaut. Enfin, une méthodologie générale permettant d’évaluer la comparaison de diverses topologies de convertisseurs DC-DC pour le HVDC est proposée. La méthodologie est appliquée pour comparer les deux structures en révélant la région d'intérêt potentielle pour chaque convertisseur
Due to the renewable energy generation expansion experimented over the last decades and to the constant increase of energy demand, it appears that the current electrical grid will not be sufficient to answer correctly the future needs and requirements. Thus, the vision of the future electrical grid seems to point towards a new paradigm: a meshed grid that combines the existing AC system with a multi­terminal DC transmission grid. DC­DC converters with a high voltage and a high power rating are identified as a key element and enabling technology for these future grids. This represents a whole new area of research which is starting to attract a lot of academic and industrial interest, as many challenges need to be solved.Finding a suitable circuit for the implementation of such DC­DC converters is a challenge itself, but also there are several open questions about the functionalities and services that such structures can offer to the future electrical system.In this thesis the detailed study of DC-DC converters for HVDC is addressed. A comprehensive review of the different conversion methods proposed in literature is first presented. Then, two promising HVDC DC-DC converter topologies are studied in detail, analyzing its operation principles and proposing appropriate control methods. The grid integration of both converters is also addressed based on a case study. It involves the interconnection of two DC grids during normal and fault conditions. Finally a general methodology to assess the comparison of diverse HVDC converter topologies is proposed. The methodology is applied to compare both structures revealing the potential region of interest for each converter

This thesis addresses the problem of frequency control in a power system composed of several non-synchronous AC areas connected by a multi-terminal HVDC grid. For this system, we propose three control schemes, two for primary frequency control and one for secondary frequency control. Based on remote measurements of the other areas' frequencies, the first control scheme modifies the power injections from the different AC areas into the DC grid so as to make the system collectively react to load imbalances. This collective reaction allows each individual AC area to downscale its primary reserves. The second control scheme has the same objective with the first one, but acts on the DC voltages of the HVDC converters. In particular, it modifies the DC voltage of each converter based on the frequency deviation of the AC area it is connected to. The last control scheme aims at restoring the frequencies and the power exchanges to their nominal or scheduled values in the aftermath of a power imbalance. It can be combined with the other two control schemes. Theoretical studies reveal the stability properties of the three control schemes. Simulation results on a benchmark power system with five AC areas confirm their good performance.

Cette thèse porte sur la commande de réseaux multi-terminaux à courant continu (MTDC) basés sur des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs).Tout d’abord, notre attention se focalise sur l'énergie stockée en interne dans le MMC qui constitue un degré de liberté additionnel apporté par sa topologie complexe. Afin d’en tirer le meilleur parti, les limites de l’énergie interne sont formulées mathématiquement.Afin de maîtriser la dynamique de la tension DC, l’utilisation de ce nouveau degré de liberté s’avère d’une grande importance. Par conséquent, une nouvelle de stratégie de commande, nommée «Virtual Capacitor Control», est proposée. Cette nouvelle méthode de contrôle permet au MMC de se comporter comme s’il possédait un condensateur de taille réglable aux bornes, contribuant ainsi à l’atténuation des fluctuations de la tension DC.Enfin, la portée de l’étude est étendue au réseau MTDC. L'un des défis majeurs pour un tel système est de faire face à une perte soudaine d'une station de convertisseur qui peut entraîner une grande variation de la tension du système. A cet effet, la méthode de statisme de tension est la plus couramment utilisée. Cependant, l'analyse montre que l'action de contrôle souhaitée risque de ne pas être réalisée lorsque la marge disponible de réserve de puissance du convertisseur est insuffisante. Nous proposons donc une nouvelle structure de contrôle de la tension qui permet de fournir différentes actions en fonction du signe de l'écart de la tension suite à une perturbation, associée à un algorithme qui détermine les paramètres de statisme en tenant compte du point de fonctionnement et de la réserve disponible à chaque station
The scope of this thesis includes control and management of the Modular Multilevel Converter (MMC)-based Multi-Terminal Direct Current (MTDC).At first, our focus is paid on the internally stored energy, which is the important additional degree of freedom brought by the complex topology of MMC. In order to draw out the utmost of this additional degree of freedom, an in-depth analysis of the limits of this internally stored energy is carried out, and they are mathematically formulated.Then, this degree of freedom of the MMC is used to provide a completely new solution to improve the DC voltage dynamics. A novel control strategy, named Virtual Capacitor Control, is proposed. Under this control, the MMC behaves as if there were a physical capacitor whose size is adjustable. Thus, it is possible to virtually increase the equivalent capacitance of the DC grid to mitigate the DC voltage fluctuations in MTDC systems.Finally, the scope is extended to MMC-based MTDC grid. One of the crucial challenges for such system is to cope with a sudden loss of a converter station which may lead to a great variation of the system voltage. The voltage droop method is commonly used for this purpose. The analysis shows that the desired control action may not be exerted when the available headroom of the converter stations are insufficient. We thus propose a novel voltage droop control structure which permits to provide different actions depending on the sign of DC voltage deviation caused by the disturbance of system voltage as well as an algorithm that determines the droop parameters taking into account the operating point and the available headroom of each station