Academic literature on the topic 'Réseaux électriques faible inertie'

International audience The African continent is currently experiencing a period of sustained economic and population growth that requires massive investment in the energy sector to effectively meet the energy needs in the context of sustainable development. At the same time, COP21 agreements now call all the states to use clean energy. Yet a great energy potential is available, but the electrification rate of the continent currently accounts for only 3% of the world's energy production. Also, the demand for both quality and quantity energy requires the mastery of applied mathematical tools to efficiently solve problems arising in the energy system. In this article, the major problems affecting the energy sector in Africa are identified, some solutions to the challenges are recalled and some new ones are proposed, with emphasis given to applied mathematics tools as well as energy policy. As case studied, a new control strategy of Static Synchronous Series Compensator (SSSC) devices-which are modern power quality Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS)-is proposed for Power Flow Control. Le continent africain connait actuellement une période de croissance économique et dé-mographique soutenue qui requiert un investissement massif dans le secteur de l'énergie en vue d'un développement durable. Dans le même temps, les accords de la COP21 interpellent désor-mais les états à recourir aux énergies propres. Malgré son potentiel énergétique énorme, le taux d'électrification en Afrique reste très faible (3%) notamment au sud du sahara. D'autre part, la de-mande d'énergie en qualité et en quantité nécessite un recours aux outils mathématiques modernes pour résoudre les problèmes des réseaux électriques. Dans cet article, les principaux problèmes af-fectant le secteur de l'énergie en Afrique sont identifiés, certaines solutions aux défis de la maîtrise de ce secteur sont rappelées et de nouvelles solutions sont proposées, en mettant l'accent sur les outils de mathématiques appliquées ainsi que sur la politique énergétique. A titre d'illustration des nouvelles solutions mathématiques, une nouvelle stratégie de contrôle du compensateur statique, synchrone et série (SSSC) qui fait partie des systèmes modernes et flexible de transmission du courant alternatif (FACTS) est proposée pour le contrôle du flux de puissance.

Les systèmes électriques évoluent de manière significative en raison de facteurs économiques, géopolitiques et environnementaux, notamment l'intégration croissante de sources d'énergie renouvelable (RES) interfacées par des convertisseurs électroniques de puissance, connus sous le nom de ressources basées sur des onduleurs (IBR). Ce passage de systèmes dominés par des machines synchrones (SM) à des systèmes dominés par des IBR introduit des défis tels que la réduction de l'inertie, l'intermittence et les problèmes de stabilité. Les techniques traditionnelles d'analyse et de modélisation de la stabilité, qui supposent des dynamiques plus lentes inhérentes aux SM, sont inadéquates pour les dynamiques rapides des IBR. La dominance émergente des IBR nécessite le développement de modèles détaillés de transitoires électromagnétiques (EMT), qui sont intensifs en calcul mais essentiels pour capturer les dynamiques rapides des systèmes électriques modernes. Les cadres de classification de la stabilité existants, historiquement basés sur des systèmes dominés par les SM, sont en cours de révision pour incorporer les influences des IBR, introduisant de nouvelles catégories de stabilité comme la stabilité pilotée par convertisseur (CDS). Ce travail explore de nouvelles perspectives sur les interactions entre les SM, les dynamiques des unités IBR et les dynamiques des réseaux, qui ont été négligées dans la littérature. Il fournit un cadre complet qui est open-source et adaptable pour des topologies de systèmes électriques génériques, permettant des résultats et des analyses évolutifs. De plus, le cadre proposé est utilisé pour déterminer les allocations optimales d'inertie virtuelle et d'amortissement dans les systèmes électriques à faible inertie afin d'améliorer les métriques de stabilité de la fréquence
Power systems are evolving significantly due to economic, geopolitical, and environmental factors, notably the increasing integration of Renewable Energy Sources (RES) interfaced through power electronic converters, known as Inverter-Based Resources (IBR). This shift from synchronous machine (SM)-dominated systems to IBR-dominated systems introduces challenges such as reduced inertia, intermittency, and stability issues. Traditional stability analysis and modeling techniques, which assume slower dynamics inherent in SMs, are inadequate for the fast dynamics of IBRs. The emerging dominance of IBRs necessitates the development of detailed Electromagnetic Transient (EMT) models, which are computationally intensive but essential for capturing the fast dynamics of modern power systems. Existing stability classification frameworks, historically based on SM-dominated systems, are being revised to incorporate IBR influences, introducing new stability categories like Converter-Driven Stability (CDS). This work investigates novel insights into the interactions between SMs, IBR unit dynamics, and network dynamics that have been overlooked in the literature. It provides a comprehensive framework that is open-source and adaptable for generic power system topologies, allowing for scalable results and analyses. Furthermore, the proposed framework is utilized to determine optimal allocations of virtual inertia and damping in low inertia power systems to enhance frequency stability metrics

L'étude présentée dans ce domaine a permis d'apporter une contribution à la modélisation des machines électriques spéciales. Il s'agit ici d'un moteur synchrone à aimants permanents, à réductance variable, à rotor oscillant et de très faible inertie. Dans ce moteur, le rotor a un mouvement de translation circulaire qui communique un mouvement de rotation à l'arbre par l'intermédiaire d'excentriques; le moteur a ainsi un très faible moment d'inertie. Les accélérations angulaires sur l'arbre sont alors extrèmement importantes. Un modèle analytique puis un modèle numérique ont été mis au point afin d'analyser le principe de fonctionnement de ce moteur et de rechercher ses performances optimales. Cette étude a débuté par la présentaiton de la structure du moteur. Nous avons ensuite décrit son fonctionnement original tant sur le plan mécanique que sur le plan magnétique. Dans le but d'avoir une première approche du comportement de ce moteur, un modèle linéaire a été établi. Les éléments constructifs de ce modèle sont déterminés un par un et en particulier les variations de la perméance d'entrefer en fonction de la position du rotor. Dans une seconde étape, saturation et flux de fuite sont pris en compte pour établir un nouveau modèle. En raison de la non-linéarité de certains de ses éléments, la résolution est conçue par un programme informatique. Le point de fonctionnement est déterminé itérativement. La validité du modèle a été vérifiée par la mesure des flux, des F. E. M. Et du couple sur un prototype. Une nouvelle simulation numérique basée sur la méthode des éléments finis et appliquée à une coupe transversale du moteur a été élaborée. Enfin la dernière partie concerne l'optimisation de ce moteur. Notre principal objectif est d'améliorer l'inertie et le couple. Ainsi la forme de la tôle du stator, l'influence du nombre d'aimants, de lentraxe et de l'entrefer minimum ont été étudiées.

Dans cette thèse nous nous attaquons au problème de dimensionnement des anneaux métropolitains optiques transparents à faible consommation d'énergie. Une nouvelle architecture de noeuds tout-optiques, appelée Packet Optical Add-Drop Multiplexer (POADM), permet d'améliorer les performances des réseaux métropolitains tout en diminuant leur consommation d'énergie et donc leur coût d'exploitation. Un POADM est composé de récepteurs optiques de pointe dont le coût unitaire est elevé. Le nombre de ces équipements est variable dans chaque noeud et détermine les performances du noeud mais aussi son coût de déploiement. Nous proposons des solutions de dimensionnement permettant à la fois de garantir les performances du réseau tout en minimisant le coût de déploiement de celui-ci
In this thesis we address the problem of dimensionning metropolitan all-optical rings with low energy consumption. A new architecture for all-optical nodes, called Packet Optical Add-Drop Multiplexer (POADM), improves the performance of metropolitan networks while reducing their energy consumption and therefore their operating costs. A POADM is composed of advanced optical receivers whose unit cost is elevated. The number of these equipments is variable in each node and it determines the performance but also the capital expenditure of the network. We offer design solutions to both ensure network performance while minimizing the cost of deploying it

Les réseaux électriques sont actuellement en pleine mutation du fait de la dérégulation du secteur électrique. L'une des conséquences de la dérégulation est l'apparition de génération d'énergie dispersée dans les réseaux de distribution. Cette introduction de production d'énergie au sein des réseaux de distribution existants n'est pas sans effet sur ceux-ci. Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a permis d'identifier et d'étudier les principaux impacts de la génération d'énergie dispersée sur les réseaux de distribution (impact sur le plan de tension, sur les courants de courtcircuit, sur la stabilité, sur les temps d'élimination critique de défaut, etc. ). Ces impacts sont mis en évidence par des simulations numériques et des outils de la théorie petits signaux (valeurs propres et facteurs de participation). De ce travail d'identification, des algorithmes d'optimisation sont utilisés afin d'insérer au mieux cette génération d'énergie dispersée dans les réseaux de distribution. Les algorithmes d'optimisation (algorithme du Minimax, génétique, simplexe et recuit simulé) sont mis en oeuvre pour améliorer le profil de tension des réseaux de distribution en présence de génération d'énergie dispersée. Certains de ces algorithmes sont aussi utilisés pour coordonner les gains contenus dans les régulations des générations d'énergie dispersées afin d'améliorer la stabilité des réseaux. Des indices d'influence sont aussi définis afin d'identifier les zones d'influence de la génération d'énergie dispersée sur les réseaux de distribution
Power systems are undergoing profound changes due to the deregulation of the power industry. One of the consequences of this deregulation is the emergence of dispersed generation in distribution networks. The introduction of this generation within the existing distribution networks cao have important effects that should he carefully assessed. This thesis deals with the identification and assessment of these impacts on distribution networks (voltage, short-circuit currents, stability, critical clearing time. . . ). These impacts are highlighted by using dynamic simulations and by using small signaIs theory tools (eigenvalues and participation factors). Furthennore, several optimisation algorithms are used in order to insert this dispersed generation in the existing distribution networks in an optimum way (security, enhanced performances. . . ). Optimisation algorithms (algorithm of Minimax, genetics, simplex and simulated annealing) are also implemented to irnprove the voltage profile of distribution networks with dispersed generation. In addition, sorne of these algorithms are used to coordinate the gains contained in the controllers of the dispersed generations in order to improve the stability of the networks. Influence indices are also defined in arder to identify the influence areas ofthe dispersed generation on the distribution networks

Avec l’avènement des micros-réseaux incorporant les sources d’énergie renouvelable, un nouveau paradigme apparaît dans la distribution de l’électricité. Ces nouvelles architectures interfacent des consommateurs non contrôlés à des sources d’énergie intermittentes, plaçant de fortes contraintes sur les étapes de conversion, stockage et gestion de l’énergie.Les convertisseurs de puissance s’adaptent avec en particulier le développement des convertisseurs multiniveaux, qui supportent à composants égaux des puissances plus importantes que leurs prédécesseurs et assurent une meilleure qualité de l’énergie, mais dont le contrôle gagne en complexité.Du fait de leur nature hybride, le contrôle des convertisseurs de puissance est traditionnellement scindé en deux parties. D’un côté les objectifs continus liés à la fonction principale d’interfaçage des convertisseurs, de l’autre le pilotage des interrupteurs quantifiés qui le forment, la modulation.Dans ce contexte, les exigences croissantes en rendement, fiabilité, polyvalence et performance imposent un gain conséquent d’intelligence de l’ensemble de l’architecture de contrôle. Pour répondre à ces exigences, nous proposons de traiter à la fois les objectifs liés à la fonction d’interface des convertisseurs et ceux rattachés à leur nature avec un unique contrôleur. Cette décision implique d’incorporer la non-linéarité des convertisseurs de puissance au contrôleur. Une approche de Contrôle à Modèle Prédictif (MPC) a été retenue pour traiter cette non-linéarité ainsi que la diversité d’objectifs de contrôle qui accompagne les convertisseurs.L’algorithme développé combine la théorie des graphes, avec divers algorithmes comme ceux de Dijkstra et A* à un modèle d’état spécialisé pour les systèmes à commutation, formant ainsi un outil puissant et universel capable de manipuler et la nature discrète des interrupteurs de puissance et celle continue de son environnement. L’étude du modèle d’état utilisé pour les convertisseurs de puissance comme systèmes commutants conduit à des résultats concernant la stabilité et la contrôlabilité de ces systèmes.Le contrôleur obtenu est éprouvé en simulation, face à des cas d’applications variés : onduleur isolé ou connecté à un réseau, redresseur et convertisseur bidirectionnel. La même structure de contrôle est confrontée à chacune de ces situations pour trois topologies multi-niveaux : Neutral Point-Clamped, Flying Capacitor et Cascaded H-Bridge. La capacité d’adaptation du contrôleur est regroupée dans deux étapes : la prédiction, qui utilise le modèle du convertisseur, et la fonction de coût, qui traduit le cahier des charges en un problème d’optimisation résolu par l’algorithme. Changer de topologie implique de modifier le modèle, sans impact sur la fonction de coût, tandis que modifier cette fonction suffit à s’adapter aux différentes applications.Les résultats montrent que le contrôleur pilote directement les interrupteurs de puissance en fonction des objectifs. Les performances générales de cette structure unique sont comparables à celles des structures multiples utilisées pour chacun des cas étudiés, à l’exception notable du fonctionnement redresseur, où la rapidité et l’étendue des possibilités sont tout particulièrement intéressants.En conclusion, le contrôleur développé est capable de traiter un grand nombre d’applications, topologies, objectifs et contraintes. Alors que les modifications du cahier des charges ou des conditions de fonctionnement impactent souvent profondément les structures de contrôle linéaire, ces altérations ne modifient pas l’architecture du contrôleur MPC développé. Cela illustre la polyvalence de la solution proposée ainsi que son universalité, démontrée davantage par la capacité à s’adapter à des convertisseurs de puissance différents et sans modifications. Finalement, la complexité de la modulation est toute incluse dans la structure, offrant un gain de simplicité et de flexibilité au design du contrôle
With the progressive rise of the micro-grids incorporating renewable energy sources, a new electricity distribution paradigm is emerging. These new architectures interface uncontrolled consumers with intermittent energy sources, therefore imposing more stress on the conversion, storage and management of the energy.Power converters are adapting accordingly, in particular, with the development of multi-level converters, which allow higher power rates and better power quality than their predecessors with similar components, but whose control is becoming increasingly complex.Due to their hybrid nature, the control of power converters is traditionally split into two parts: on the one side, the continuous objectives related to the main interfacing function of the power converters, and, on the other side, the driving of their quantized power switches, known as the modulation strategy.In this context, the growing demands in efficiency, reliability, versatility and performance require a high level of intelligence of the complete control structure. To meet these requirements, the objectives of this research work are to address both the interfacing objectives and the inner driving of the converter into a single controller. This decision implies incorporating the non-linearity of power converters into the controller, equivalent to suppressing the traditional modulation block. Modulation is the traditional solution to linearize the inner operation of the converters. The Model Predictive Control (MPC) approach was chosen to handle the non-linearity and the diversity of control objectives that accompany power converters.The developed control algorithm combines graph theory, with Dijkstra, A* and other algorithms, with a special state-space model designed for switching systems to form a powerful universal tool capable of simultaneously manipulating the discrete and continuous nature of the converter and its environment. Switched state-space models are studied, leading to interesting results on stability and controllability concerning their application on power converters.The obtained controller is then tested in simulation, with various case studies: grid-connected and standalone inverter, rectifier and bidirectional operation. These situations are studied for three common multi-level topologies: Neutral Point-Clamped, Flying Capacitor and Cascaded H-Bridge. The exact same MPC structure is used for each and every one of the case studies, with adaptations of its internal behavior. This behavior is agglomerated in two functions: the prediction, containing the model of the converter, and the cost function, which translates the control requirements into the optimal problem solved by the algorithm. Changing the topology implies adjusting the model, without impacting the cost function, while modifying this function is sufficient to adapt to the different applications.The results show that the controller manages to directly drive the power switches according to the application, demonstrating a large variety of considerations and objectives. The overall performance of this unique structure is comparable to that of the multiple structures used for each of the studied cases, with the notable exception of rectifier operation mode, where the speed and range of possibilities are particularly interesting.In conclusion, the developed controller manages miscellaneous applications, topologies, objectives and constraints. While the traditional linear control structures have to change, often deeply, for different operation modes and control requirements, such modifications do not affect the control architecture of the designed MPC controller. This shows the versatility of the proposed solution and its universality, further demonstrated by its ability to adapt to different power converters without modifications. Finally, the complexity of the modulation is fully included in the structure, offering simplicity and flexibility to the control design

Le développement continu des systèmes dédiés à des réseaux de capteurs sans fils présent une grande motivation afin d’apporter “intelligence” à notre environnement. Plusieurs recherches ont été adressées au développement des méthodologies permettant de doter notre environnement avec des capteurs sans fils permettant un contrôle autonome des systèmes pour des applications médicales, environnementales, de sécurité et de structures intelligentes. Afin de garantir un déploiement dense des capteurs avec une longue durée de vie, chaque nœud doit être petit, pas cher et très faible en consommation de puissance. Afin de garantir une faible consommation, ces réseaux des capteurs doivent être implémentés suivant des schémas de rendez-vous asynchrones basés sur des récepteurs de réveil (en anglais, Wake-Up Receivers – WuRx). Cette recherche de thèse porte sur le développement d’un récepteur de réveil compact et à faible cout, fournissant très faible niveaux de consommation de puissance, une forte sensitivité et une forte tolérance aux interférences. L’architecture proposée survient aux besoins des références de temps à haut facteur-Q en combinant un oscillateur local, référée à un résonateur à faible facteur-Q, et des filtres passifs à N-chemins à haut facteur-Q, distribués en plusieurs étages tout le long du chemin de réception. Implémenté en une technologie 65nm CMOS de STMicroelectronics, ce travail de thèse propose un WuRx à double bande IF, avec une architecture travaillant à 2.4GHz avec une consommation de puissance de 99μW, une sensitivité de -97dBm et une rejection d’interférence de -27dB à une fréquence offset de 5MHz
The continuous development of performant systems intended for Wireless Sensor Networks (WSN) sets an exciting motivation to bring “intelligence” to our environment. Multiple researches have been addressed to the development of advanced methodologies enabling the possibility of providing objects with individual wireless sensing devices. Set as sensor networks, these emerging WSN enables autonomous monitoring of diverse environments for applications such as medical care, environmental monitoring, system security and smart structures. To guaranty dense node deployment and long lifetime, each sensor node must be small, low-cost and low-power. In order to fulfill the WSN low-energy requirements, asynchronous rendez-vous schemes based on Wake-Up Receivers (WuRx) may be implemented. This thesis research focuses on the development of a compact and low-cost ultra-low power wake-up receiver providing high sensitivity and strong interference rejection. The proposed architecture overcomes the need of high-Q time-base references by combining a low-Q resonator-referred local oscillator and distributed multi-stage signal-path high-Q filtering obtained by means of integrated ULP electronic means. Based on a Dual-IF architecture, this WuRx takes creative advantage of the N-path passive-mixers (N-PPM) impedance frequency translation principle to enhance the sensitivity and provide strong interferer immunity. Implemented in a 65nm CMOS technology from STMicroelectronics, this thesis work pushes the state-of-the-art boundary, proposing a 2.4GHz On-Off Keying (OOK) dual-IF WuRx with -97dBm sensitivity and -27dB carrier-to-interferer ratio at 5MHz carrier frequency offset, while consuming 99μW

Dans un but d’amélioration des performances d’une installation photovoltaïque (PV), une approche complémentaire à l’amélioration du rendement des modules PV est l’augmentation de la collecte des photons par faible concentration du flux solaire sur les modules. Les réflecteurs plans sont une solution a priori simple et économique. Ils permettent d’augmenter la production électrique sans surcoût important. Cependant, l’estimation de ce gain demande une prise en compte fine de l’éclairement non uniforme apporté par ces réflecteurs. L’objectif de ce travail de thèse est de tester le potentiel d’un système PV-réflecteurs avec la possibilité d’un ajustement périodique des angles d’inclinaison du plan des réflecteurs et du plan des modules PV. Dans ce but, il a été nécessaire de mettre en place un démonstrateur PV-réflecteurs avec des modules industriels, ainsi que de développer et de valider expérimentalement un outil de modélisation simple. Dans un premier temps, un modèle d’estimation de l’irradiation du plan des modules « plane of array, POA » basé sur l’optique cartésienne et des hypothèses de rayonnement isotrope de l’atmosphère et de réflexion lambertienne des surfaces est développé. Il s’appuie en entrée, sur des mesures au sol ou des images satellite. Ce modèle validé a ensuite permis d’optimiser la géométrie d’une installation PV-réflecteurs en considérant une installation fixe ou à géométrie variable, avec des ajustements périodiques différents (mensuels, saisonniers) des angles d’inclinaison des modules PV et des réflecteurs, ainsi que différentes longueurs de réflecteurs. Cette stratégie d’optimisation géométrique de l’irradiation POA a été appliquée dans six lieux dans le monde ayant des conditions météorologiques très différentes. Un modèle d’estimation analytique est ensuite élaboré pour passer de l’irradiance POA à la puissance PV. L'ajout de réflecteurs plans introduit une distribution non uniforme de l’irradiance sur les modules PV pouvant provoquer l’activation de diodes bypass. Ce modèle photo-électrique a été évalué expérimentalement pour un module PV avec éclairement non uniforme. Finalement, un démonstrateur PV est construit au laboratoire GeePs (avec 6 modules au Silicium cristallin connectés en série) et équipé de réflecteurs plans, de capteurs d’irradiance POA et de température. Une analyse de la production de cette installation a été conduite sur une année en absence et en présence de réflecteurs. Le modèle analytique développé précédemment a permis de choisir l’architecture fixe de ce démonstrateur ainsi que de mener des études de performances. Les résultats soulignent l’importance d’optimiser spécifiquement l’architecture d’un système PV-réflecteurs selon la zone géographique et la saison ou le mois de l’année. Ils montrent également qu’une étude en irradiation permet d’optimiser un potentiel local indépendamment de la technologie des modules mais en aucun cas elle, n’est suffisante pour optimiser la géométrie d’une installation. Enfin, le modèle théorique est nécessairement simplificateur : non prise en compte de l’horizon très proche, hypothèse de rangées infinies, hypothèse d’une atmosphère uniforme et isotrope, coefficient de réflexion des miroirs constants, approche pessimiste concernant l’activation des diodes de bypass… et les mesures localisées nécessairement limitées et présentant des incertitudes. La mise en place des démonstrateurs a notamment permis d’apporter des réponses et des éléments de discussion autour de ces aspects
In order to improve the performance of a photovoltaic (PV) installation, a complementary approach to improving the efficiency of PV modules is to increase the collection of photons using low concentration of the solar flux on the modules. Flat reflectors are a simple and economical solution for that purpose. They allow increasing electrical production without significant additional cost. However, the estimation of this gain requires careful consideration of the non-uniform illumination provided by these reflectors. The objective of this thesis work is to test the potential of a PV-reflector system with the possibility of periodic adjustment of the tilt angles of the plane of the reflectors and the plane of the PV modules. To this end, it was necessary to set up a PV-reflector demonstrator with industrial modules, as well as to develop a simple modeling tool and validate it experimentally. First, an estimation model of the plane of array, POA, based on Cartesian optics and hypotheses of isotropic radiation of the atmosphere and Lambertian reflection of surfaces is developed. It is based on ground measurements or satellite images inputs. This model experimentally validated allowed to optimize the geometry of a PV-reflector installation by considering a fixed installation or variable geometry, with different periodic adjustments (monthly, seasonal) of the tilt angles of the PV modules and the reflectors, as well as different lengths of reflectors. This strategy for geometrical optimization of POA irradiation has been applied in six locations around the world with very different weather conditions. An analytical estimation photoelectric model is then developed to move from POA irradiance to PV power estimation. Adding flat reflectors introduces a non-uniform distribution of the irradiance on the PV modules which can cause the activation of bypass diodes. This photoelectric model has been tested experimentally for a PV module with non-uniform illumination. Finally, a PV demonstrator is built at the GeePs laboratory (with 6 crystalline Silicon modules connected in series) and equipped with planar reflectors, POA irradiance sensors and temperature sensors. An analysis of power production of this installation was carried out over a year in the absence and presence of reflectors. The analytical model developed previously made it possible to choose the suitable fixed architecture of this demonstrator as well as to conduct performance studies. The results highlight the importance of optimizing the architecture of a PV-reflector system according to the geographic area and the season or the month of the year. They also show that an irradiation study makes it possible to optimize a local potential of such system independently of the technology of the modules, but in no case, it is sufficient to optimize the geometry of an installation. Finally, the theoretical model is simplified: not taking into account the very near horizon, assumption of infinite rows, assumption of a uniform and isotropic atmosphere, constant coefficient of mirrors reflection, pessimistic approach concerning the activation of the bypass diodes… and limited local measurements presenting uncertainties. The installation of demonstrators has made it effectively possible to provide answers and elements of discussion around these aspects

L’intégration croissante de la production éolienne ne participant pas au réglage de fréquence induit de nouvelles difficultés de gestion des systèmes électriques. Ces problèmes sont d’autant plus significatifs que le réseau est faible. La présente thèse vise à évaluer la performance et la fiabilité du réglage de fréquence des éoliennes à l’échelle du système électrique. Les études sont appliquées sur un réseau insulaire.D’abord, l’impact d’un fort taux de pénétration de la production éolienne sur l’allocation de la réserve primaire et sur le comportement dynamique du réseau est caractérisé. Il est montré que la participation des éoliennes au réglage de fréquence est techniquement indispensable pour le maintien de la sûreté du système électrique à partir d’un certain taux de pénétration. Deux solutions permettant aux éoliennes de contribuer au réglage de fréquence sont ensuite étudiées par simulations dynamiques. La performance d’une inertie émulée est caractérisée en considérant l’impact du point de fonctionnement initial des éoliennes et des paramètres du contrôleur. La contribution de la réserve éolienne à l’amélioration de la performance dynamique du système est également identifiée.Afin d’évaluer le potentiel et la fiabilité de la réserve éolienne, la dernière partie de ce travail est consacrée aux études statistiques prenant en compte la variabilité et l’incertitude de la prévision de la production. Deux stratégies du placement de réserve sont proposées et comparées. L’impact des erreurs de prévision sur le potentiel de réserve éolienne est également mis en évidence. Enfin l’énergie réglante d’une ferme et la plage de réglage du statisme éolien sont caractérisées
The increasing development of wind power that does not participate in frequency control leads to new challenges in the management of electrical power systems. The problems are more significant in weak power grids. The present thesis aims to evaluate the performance and the reliability of frequency response from wind turbines on a system-wide scale. Studies are applied onto an isolated power grid.First of all, the impact of high levels of wind penetration on primary reserve allocation and on grid dynamic behaviour is characterized. It is shown that the participation of wind turbines in frequency regulation is technically required for maintaining power system security from a certain wind penetration rate.Two solutions allowing wind turbines to contribute to frequency control are then studied through dynamic simulations. The performance of emulated inertia is characterized by taking into account the impact of initial wind operating point and controller parameters. The contribution of wind power reserve to system dynamic performance improvement is also identified.In order to assess the potential and the reliability of wind primary reserve, the last part of this research work is devoted to statistical analyses considering the variability and the prediction uncertainty of wind generation. Two strategies for reserve allocation are proposed and compared. The impact of forecast errors on the potential of wind power reserve is also highlighted. Finally the power frequency characteristic of a wind farm as well as the droop adjustment range is characterized

Les Microgrids sont une excellente solution aux problèmes actuels soulevés par la croissance constante de la demande de charge et la forte pénétration des sources d’énergie renouvelables, qui se traduisent par une modernisation du réseau grâce au concept de “Smart-Grids”. L’impact des sources d’énergie distribuées basées sur l’électronique de puissance est une préoccupation importante pour les systèmes d’alimentation, où la régulation naturelle de la fréquence du système est entravée en raison de la réduction de l’inertie. Dans ce contexte, les réseaux à courant continu (CC) sont considérés comme une solution pertinente, car la nature CC des appareils électroniques de puissance apporte des avantages technologiques et économiques par rapport au courant alternatif (CA). La thèse propose la conception et le contrôle d’une Microgrid hybride AC/DC pour intégrer différentes sources renouvelables, y compris la récupération d’énergie solaire et de freinage des trains, aux systèmes de stockage d’énergie sous forme de batteries et de supercondensateurs et à des charges telles que les véhicules électriques ou d’autres réseaux (AC ou DC), pour un fonctionnement et une stabilité fiables. La stabilisation des tensions des bus du Microgrid et la fourniture de services systèmes sont assurées par la stratégie de contrôle proposée, où une étude de stabilité rigoureuse est réalisée. Un contrôleur non linéaire distribué de bas niveau, basé sur une approche “Systemof- Systems”, est développé pour un fonctionnement correct de l’ensemble du Microgrid. Un supercondensateur est appliqué pour faire face aux transitoires, équilibrant le bus CC du Microgrid et absorbant l’énergie injectée par des sources d’énergie intermittentes et possiblement très fortes comme celle provenant du freinage régénératif de trains ou metros, tandis que la batterie réalise le flux de puissance à long terme. Un contrôle de linéarisation par bouclage dynamique basé sur une analyse par perturbation singulière est développé pour les supercondensateurs et les trains. Des fonctions de Lyapunov sont construites en tenant compte des dispositifs interconnectés au Microgrid pour assurer la stabilité de l’ensemble du système. Les simulations mettent en évidence les performances du contrôle proposé avec des tests de robustesse paramétriques et une comparaison avec le contrôleur linéaire traditionnel. L’approche VSM (Virtual Synchronous Machine) est implémentée dans le Microgrid pour le partage de puissance et l’amélioration de la stabilité de fréquence. Une inertie virtuelle adaptative est proposée, puis la constante d’inertie devient une variable d’état du système qui peut être conçue pour améliorer la stabilité de fréquence et le support inertiel, où l’analyse de stabilité est effectuée. Par conséquent, le VSM est la connexion de liaison entre les côtés DC et AC du Microgrid, où la puissance disponible dans le réseau DC est utilisée pour les services système dans les Microgrids AC. Les résultats de la simulation montrent l’efficacité de l’inertie adaptative proposée, où une comparaison avec la solution de statisme et le contrôle standard est effectuée
Microgrids are a very good solution for current problems raised by the constant growth of load demand and high penetration of renewable energy sources, that results in grid modernization through “Smart-Grids” concept. The impact of distributed energy sources based on power electronics is an important concern for power systems, where natural frequency regulation for the system is hindered because of inertia reduction. In this context, Direct Current (DC) grids are considered a relevant solution, since the DC nature of power electronic devices bring technological and economical advantages compared to Alternative Current (AC). The thesis proposes the design and control of a hybrid AC/DC Microgrid to integrate different renewable sources, including solar power and braking energy recovery from trains, to energy storage systems as batteries and supercapacitors and to loads like electric vehicles or another grids (either AC or DC), for reliable operation and stability. The stabilization of the Microgrid buses’ voltages and the provision of ancillary services is assured by the proposed control strategy, where a rigorous stability study is made. A low-level distributed nonlinear controller, based on “System-of-Systems” approach is developed for proper operation of the whole Microgrid. A supercapacitor is applied to deal with transients, balancing the DC bus of the Microgrid and absorbing the energy injected by intermittent and possibly strong energy sources as energy recovery from the braking of trains and subways, while the battery realizes the power flow in long term. Dynamical feedback control based on singular perturbation analysis is developed for supercapacitor and train. A Lyapunov function is built considering the interconnected devices of the Microgrid to ensure the stability of the whole system. Simulations highlight the performance of the proposed control with parametric robustness tests and a comparison with traditional linear controller. The Virtual Synchronous Machine (VSM) approach is implemented in the Microgrid for power sharing and frequency stability improvement. An adaptive virtual inertia is proposed, then the inertia constant becomes a system’s state variable that can be designed to improve frequency stability and inertial support, where stability analysis is carried out. Therefore, the VSM is the link between DC and AC side of the Microgrid, regarding the available power in DC grid, applied for ancillary services in the AC Microgrid. Simulation results show the effectiveness of the proposed adaptive inertia, where a comparison with droop and standard control techniques is conducted