Academic literature on the topic 'Réseaux mixtes AC/DC'

L'intégration croissante des ressources énergétiques natives en courant continu à l'échelle de réseaux électriques, telles que les systèmes photovoltaïques, les véhicules électriques, les systèmes de stockage et les centres de données, remet en question le choix conventionnel des systèmes de distribution en courant alternatif (AC) au niveau de la moyenne tension (MV). Cette recherche vise à évaluer la viabilité technique et économique des réseaux de distribution MV AC/DC en développant des outils de planification pour les réseaux hybrides.L'étude propose des modèles de planification optimale des systèmes de distribution pour traiter les connexions MVDC point à point et les topologies hybrides, qui incorporent des ressources DC connectées au système par le biais de convertisseurs DC/DC, en utilisant des formulations telles que la programmation linéaire en nombres entiers mixtes, quadratique et conique de second ordre. Parmi les principales contributions de cette recherche, une analyse documentaire approfondie des hypothèses de planification a été réalisée, la proposition d'un modèle linéaire de pertes pour les stations de conversion AC/DC et DC/DC tenant compte de l'efficacité variable en fonction de la charge, l'incorporation de contraintes topologiques pour tenir compte des topologies radiales par morceaux, et l'évaluation des avantages économiques pour un large ensemble de paramètres dans le cadre des marchés de l'électricité dérégulés.Les perspectives futures comprennent l'étude de l'scalabilité des modèles proposés à des réseaux de distribution à plus grande échelle, l'exploration des tendances émergentes dans la résolution de l'optimisation et l'inclusion de choix liés à la conception dans les outils de planification
The increasing integration of utility-scale DC-native energy resources, such as photovoltaic systems, electric vehicles, storage systems, and data centers, challenges the conventional choice of AC distribution systems at the Medium Voltage (MV) level. This research aims to evaluate the technical and economic viability of AC/DC MV distribution networks by developing planning tools for hybrid networks.The study proposes optimal distribution system planning models to address point-to-point MVDC connections and hybrid topologies, which incorporate DC resources connected to the system through DC/DC converters, using formulations such as Mixed Integer Linear, Quadratic and Second Order Conic Programming. Some of the key contributions of this research include an extensive literature review of planning hypotheses, the proposal of a linear model of losses for AC/DC and DC/DC conversion stations accounting for part-load efficiency, the incorporation of topological constraints to accommodate piece-wise radial topologies, and the assessment of economic benefits across a wide range of parameters within the framework of unbundled electricity markets.Future perspectives include investigating the scalability of the proposed models to larger-scale distribution networks, exploring emerging trends in the optimization solving and including design-related choices in the planning tools

Les nouvelles politiques adoptées par les autorités nationales ont encouragé pendant les dernières années l'intégration à grande échelle des systèmes d'énergie renouvelable (RES). L'intégration à grande échelle des RES aura inévitablement des conséquences sur le réseau de transport d'électricité tel qu'il est conçu aujourd'hui, car le transport de l'électricité massif sur de longues distances pourrait amener les réseaux de transport à fonctionner près de leurs limites, réduisant ainsi leurs marges de sécurité. Des systèmes de transport d’électricité plus complexes seront donc nécessaires.Dans ce scénario, les systèmes de transmission à Courant Continu Haute Tension (HVDC) constituent la solution la plus intéressante pour le renforcement et l'amélioration des réseaux à Courant Alternatif (AC) existants, non seulement en utilisant des configurations point à point, mais aussi dans des configurations multi-terminales. L'introduction des systèmes HVDC aboutira à terme à un réseau électrique hybride haute tension AC/DC, qui doit être analysé comme un système unique afin de mieux comprendre les interactions entre le réseau AC et le réseau DC.Cette thèse porte sur l'analyse de la stabilité transitoire des systèmes de transmission électrique hybrides AC/DC. Plus particulièrement, deux questions ont été abordées: Quel est l'impact d'un défaut du réseau DC sur la stabilité transitoire du réseau AC? Comment est-il possible de se servir des systèmes de transmission DC en tant qu'actionneurs afin d'améliorer la stabilité transitoire AC ?Dans la première partie de ce travail, les modèles mathématiques du réseau hybride AC/DC sont décrits ainsi que les outils nécessaires à l'analyse du système en tenant compte de sa nature non linéaire. Ensuite, une analyse approfondie de la stabilité transitoire du réseau électrique dans le cas particulier d'un court-circuit dans le réseau DC et l'exécution des stratégies de protection correspondantes sont effectuées. En complément, des indicateurs de stabilité et des outils pour dimensionner les futurs réseaux de la MTDC afin de respecter les contraintes des stratégies de protection existantes sont proposés.La deuxième partie de la thèse porte sur les propositions de commande pour la modulation des références de puissance des systèmes de transmission HVDC dans le but d'améliorer la stabilité transitoire du système AC connecté à ce réseau DC. Tout d'abord, nous axons notre étude sur le contrôle non linéaire des liaisons HVDC point à point dans des liaisons hybrides AC/DC. La compensation rapide des perturbations de puissance, l'injection de puissance d'amortissement et l'injection de puissance de synchronisation sont identifiées comme des mécanismes par lesquels les systèmes HVDC peuvent améliorer les marges de stabilité des réseaux AC.Enfin, une stratégie de contrôle pour l'amélioration de la stabilité transitoire par injection de puissance active dans par un réseau MTDC est proposée. Grâce à la communication entre les stations, la commande décentralisée proposée injecte la puissance d'amortissement et de synchronisation entre chaque paire de convertisseurs en utilisant uniquement des mesures au niveau des convertisseurs. L'implémentation proposée permet d'utiliser au maximum la capacité disponible des convertisseurs en gérant les limites de puissance d'une manière décentralisée
The new policy frameworks adopted by national authorities has encouraged the large scale-integration of Renewable Energy Systems (RES) into bulk power systems. The large-scale integration of RES will have consequences on the electricity transmission system as it is conceived today, since the transmission of bulk power over long distances could lead the existing transmission systems to work close to their limits, thus decreasing their dynamic security margins. Therefore more complex transmissions systems are needed.Under this scenario, HVDC transmission systems raise as the most attractive solution for the reinforcement and improvement of existing AC networks, not only using point-to-point configurations, but also in a Multi-Terminal configuration. The introduction of HVDC transmission systems will eventually result in a hybrid high voltage AC/DC power system, which requires to be analyzed as a unique system in order to understand the interactions between the AC network and the DC grid.This thesis addresses the transient stability analysis of hybrid AC/DC electric transmission systems. More in particular, two questions sought to be investigated: What is the impact of a DC contingency on AC transient stability? How can we take advantage of the of DC transmission systems as control inputs in order to enhance AC transient stability?In the first part of this work, the mathematical models of the hybrid AC/DC grid are described as well as the necessary tools for the analysis of the system taking into account its nonlinear nature. Then, a thorough analysis of transient stability of the power system in the particular case of a DC fault and the execution of the corresponding protection strategies is done. As a complement, stability indicators and tools for sizing future MTDC grids in order to respect the constraints of existing protection strategies are proposed.The second part of the thesis addresses the control proposals for the modulation of power references of the HVDC transmission systems with the purpose of transient stability enhancement of the surrounding AC system. Firstly, we focus our study in the nonlinear control of point-to-point HVDC links in hybrid corridors. Fast power compensation, injection of damping power and injection of synchronizing power are identified as the mechanisms through which HVDC systems can improve stability margins.Finally, a control strategy for transient stability enhancement via active power injections of an MTDC grid is proposed. Using communication between the stations, the proposed decentralized control injects damping and synchronizing power between each pair of converters using only measurements at the converters level. The proposed implementation allows to fully use the available headroom of the converters by dealing with power limits in a decentralized way

Dans les dernières années, le respect de l’environnement est devenu une des grandes préoccupations des clients du secteur automobile. Les constructeurs cherchent à réduire les émissions carbones de ses produits et les véhicules hybrides ou purement électriques apparaissent comme une alternative viable aux véhicules thermiques. Un des éléments importants de la réussite de la commercialisation des véhicules électriques est la recharge de la batterie qui peut être effectuée par différents moyens, avec des chargeurs embarqués/débarqués, à domicile ou sur la voie-publique. Dans ce domaine un système de charge performant doit notamment être robuste vis-à-vis des contraintes extérieures( perturbations réseaux, impédances de ligne, charges de plusieurs véhicules en même temps), avoir un bon rendement entre la puissance puisée à la prise et celle délivrée à la batterie, maitriser les courants harmoniques rejetés sur le réseau électrique (respect des différentes contraintes réglementaires liées aux perturbations émises). Pour répondre à ces exigences les travaux de cette thèse proposent des commandes innovantes des convertisseurs de puissance contenus dans les chargeurs électriques. Dans un premier temps, la modélisation des convertisseurs de puissance est réalisée en moyenne à la période de commutation et en moyenne généralisée pour d´écrire le processus de génération des harmoniques des courants et tensions des convertisseurs. Des lois de commande non-linéaire fondées sur la théorie de stabilité au sens de Lyapunov sont proposées de fac¸on à induire un comportement en boucle fermée satisfaisant les exigences souhaitées pour les convertisseurs de puissance. La partie commande est complétée par une partie d’observation nécessaire pour l’estimation des signaux non-mesurés et pour l’extraction harmonique. Enfin dans la dernière partie de la thèse, les différentes stratégies de commande sont validées par rapport aux exigences via une co-simulation en reproduisant l’architecture de logiciel model in the loop utilisée dans l’industrie
In the last few years the question of respecting the environment became a central concern of car users. The electric cars respond to the public trend of reducing the toxic emissions of conventional cars. The success of electric cars depends on the charging of the batteries, charging done either at home or on the public domain.The charging system has to respond to the following performance criteria:-robustness to exterior constraints: network perturbations, line impedance, multiple simultaneous charging of vehicles.-a good efficiency for the power transfer between the received power and the power delivered to the battery.-respecting the power distributer constrains for network harmonic pollution.These three points impose the need for efficient control laws for the battery charger. In this context, the power converters (AC / DC - DC / DC) are key components in electrical chargers , an improved control law of these elements can provide a better level of performance for the charger.This work is a continuation of previous work that resulted in several theses with CIFRE funding, in collaboration with Renault in the context of the electric car (but not only):- From an industrial viewpoint, the doctoral student will draw on the expertise, experience and Renault's test facilities in the field of electric traction in the automotive transport.- From an academic point of view the work will benefit from the skills of the working group 'System control’ within the L2S laboratory, in the field of multi-physics modelling, design of control laws and optimization.Supervision will be provided by:- Emmanuel Godoy (Professor, HDR, advisor) and Dominique Beauvois (professor, co-director) of the academic point of view.- Pedro Kvieska (Engineer, Doctor, Ecole Centrale de Nantes) for industrial management within Renault.Objectives of the thesisThe first two years of thesis work will focus on methodological studies of dedicated control laws. During the third year the work will be focused on the implementation of the proposed architectures and control strategies by: implementing of the new control strategies as prototypes on test bench and on the transferability of the proposed control approaches.A big part of the last year will naturally be devoted to the writing of the doctoral thesis and the preparation of the defence

Dans les réseaux de distribution électrique et les réseaux intelligents, l'adoption généralisée des composants électroniques de puissance pose divers défis en matière de qualité de l'énergie. L'intégration des sources d'énergie renouvelable aggrave ces défis en raison des fluctuations de tension, des écarts de fréquence et de la distorsion des formes d'onde inhérents à ces sources, dont les performances dépendent des conditions météorologiques. Cette thèse aborde ces défis à travers trois solutions visant à améliorer la qualité de l'énergie électrique dans les réseaux de distribution, en se focalisant sur l'intégration des systèmes photovoltaïques (PV) dans la troisième solution.La première solution introduit une Structure Multi-Niveaux Développée du Convertisseur AC/DC/AC. Elle vise à réguler l'amplitude de tension, à garantir une tension de sortie en escalier approchant une sinusoïde et à éliminer un large rang d'harmoniques, y compris les harmoniques prédominantes affectant les charges sensibles telles que les entraînements de moteurs asynchrones. Ce travail développe une nouvelle technique de modulation pour contrôler la partie DC/AC du convertisseur, configurée via un onduleur en pont en H asymétrique en cascade.La deuxième solution implique un Système Avancé de Contrôle Hybride pour le Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette solution améliore les performances du filtre actif parallèle, augmente sa fréquence de commutation apparente et réduit la taille de son filtre de couplage de sortie. Le contrôleur hybride, mis en œuvre à l'aide de réseaux de Petri (PN), assure un suivi de haute performance du courant de compensation, en plus de stabiliser, contrôler et équilibrer les tensions DC sur les entrées d'onduleur multi-niveaux. Une stabilité pratique des erreurs de tension continue est prouvée via le théorème de Lyapunov. Cette solution est explorée pour n modules en pont en H par phase, et les validations de mesure réelle et de simulation sont testées pour 2 et 3 modules dans un milieu industriel réel pour prouver son efficacité.La troisième solution présente une Structure PV connectée au réseau avec Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette configuration améliore la qualité de l'énergie électrique et fournit de l'énergie renouvelable pour les charges et le réseau. Les entrées DC de l'onduleur multi-niveaux sont connectées directement aux sous-systèmes PV ou via des convertisseurs DC-DC. Des contrôleurs linéaires établissent la stratégie de contrôle du filtre actif parallèle basée sur (n) modules en pont H, comprenant l'injection de courant de compensation, la maximisation de la puissance produite par le système PV et la régulation des tensions DC sur les condensateurs. La modulation par largeur d'impulsion multi-porteuses assure une distribution équilibrée de l'énergie entre les modules. Des algorithmes de suivi du point de puissance maximale (MPPT), tels que Perturber et Observer (P&O), avec trois stratégies de contrôle comprenant le contrôleur proportionnel intégral, le rapport cyclique, et la commande prédictive (MPC), maximisent la génération d'énergie du sous-système PV. Le convertisseur DC-DC utilise des techniques de modulation PWM pour maintenir une fréquence de commutation constante.Les performances des trois solutions sont validées dans une usine textile souffrant d'impacts harmoniques sur la principale machine textile, représentant une charge sensible de 50 kVA, fournie par un entraînement de moteur asynchrone. Cet entraînement de moteur est sensible aux rangs prédominants du couple et des harmoniques de tension, nécessitant un contrôle approprié. Pour garantir des résultats fiables, des mesures sur site à l'aide d'appareils d'analyse de la qualité de l'énergie électrique sont collectées pour modéliser numériquement le réseau de l'usine. Les performances de chaque solution sont étudiées sur la charge sensible de cette usine textile
In the electrical distribution networks and smart grids, the widespread adoption of power electronics components among customer loads poses diverse challenges to power quality. The integration of renewable energy sources further exacerbates these challenges due to voltage fluctuations, frequency deviations, and waveform distortion inherent in these sources, significantly dependent on weather conditions. This thesis addresses these challenges through three distinct solutions for power quality improvement in distribution networks, focusing on integrating renewable energy sources, particularly photovoltaic (PV) systems, in the third solution.The first solution introduces a developed multi-level structure of an AC/DC/AC Converter. This solution aims to regulate voltage amplitude, ensure sinusoidal-like output stepping voltage, and mitigate a wide range of harmonics, including the predominant harmonics affecting sensitive loads such as asynchronous motor drives. To address these aspects, this work develops a novel modulation technique to control the DC/AC part of the converter, configured via an Asymmetrical Cascaded H-Bridge Inverter.The second solution involves an Advanced Hybrid Control System Developed for Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This solution improves the performance of the shunt active filter, raises its apparent switching frequency, and reduces the size of its output coupling filter. The hybrid controller, implemented using Petri Nets (PNs), ensures high-performance tracking of the compensating current, in addition to stabilizing, controlling, and balancing the DC voltages across the MLI inputs. The practical stability of the DC voltage errors is analytically proved via the Lyapunov theorem. This solution is explored in detail for n H-Bridge modules per phase, with real measurement and simulation validations evaluated for 2 and 3 H-Bridge modules per phase within a real industrial environment to prove the structure's effectiveness.The third solution presents a Grid-Connected PV Structure Incorporated with a Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This configuration enhances power quality and provides renewable energy for both loads and the grid. The DC inputs of the multi-level inverter are connected directly to PV subsystems or via DC-DC converters. Linear controllers are employed to establish the control strategy for the shunt active filter based on (n) H-bridge modules, including injecting compensating current, maximizing the produced power of the PV system, and regulating DC voltages across capacitors. Multi-carrier PWM modulation ensures balanced power distribution among the modules. Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms, such as Perturb & Observe (P&O), with three control strategies including Proportional Integral, Duty-cycle, and Model Predictive Controller, are employed to maximize PV subsystem power generation. Additionally, the DC-DC converter utilizes PWM modulation techniques across all three control strategies to maintain a consistent switching frequency.The performance of the three aforementioned solutions is validated, for finite HB modules, within a textile factory suffering from harmonic impact on the main textile machine, which represents a sensitive load of 50 kVA, driven by an asynchronous motor. This motor drive is highly sensitive to predominant torque and voltage harmonics, requiring appropriate control of the fundamental output voltage amplitude and the phase and amplitude of the harmonic voltage components. This control system is particularly designed to regulate motor speed variation and mitigate undesired fluctuations caused by harmonic torques. To ensure reliable results, on-site measurements using power quality analyzer devices are collected to create a numerical model of the entire factory's network. Finally, the performance of each solution is investigated on the sensitive load operating within this textile factory

L'intégration des Énergies Renouvelables pose aujourd'hui des problèmes de congestion et d'incertitude sur le réseau électrique vu l'intermittence et l'imprévisibilité de ce type d'énergie. De plus, pour des questions de rentabilité et d'efficacité, la puissance produite à partir du renouvelable est transmise sous forme de Haute Tension en Courant Continu (HVDC). Un nouveau concept a donc émergé, celui de la fusion d'interconnexions HVDC dans un réseau maillé existant et ceci apportera plus de flexibilité dans le fonctionnement du système global. Le résultat : une hybridation du système de transmission d'électricité avec des interactions mutuelles importantes entre système AC existant et DC intégré. Si les problèmes de stabilité du réseau AC sont aujourd'hui identifiés, ceux du système hybride doivent encore être étudiés puisque l'intégration de convertisseurs de puissance commandables et contrôlables rapidement pourrait modifier le comportement du système entier. De ce fait, ce projet de thèse cherche à établir une étude innovante englobant tout le système hybride AC/DC. Celle-ci portera tout d'abord sur une évaluation de la sécurité prenant en compte les contraintes opérationnelles et la capacité du système à atteindre un nouvel équilibre. En outre, cette thèse relèvera les défis de stabilisation du système hybride global. Pour cela, les missions consisteront en une étude préliminaire de l'état de l'art : quelles nature physique des problèmes d'instabilité du système AC ? Quels types et gammes de perturbations à considérer pour l'évaluation de la stabilité ? Finalement, quels modélisation et contrôle du système HVDC ? Tout cela permettra de développer un outil inclusif d'évaluation de la sécurité prenant en compte différentes méthodes de contrôle du système. Une analyse sera également faite pour comprendre l'influence des paramètres et des méthodes de contrôle adoptés. Cela nous aidera à mettre en place un moyen de contrôle systématique pour améliorer la sécurité du réseau et optimiser la distribution de la puissance à travers un réseau Multi-Terminal DC
Today, the integration of renewable energies poses problems of congestion and uncertainty on the electricity network, given the intermittency and unpredictability of this type of energy. What's more, for reasons of profitability and efficiency, the power generated from renewables is transmitted in the form of High Voltage Direct Current (HVDC). A new concept has therefore emerged, that of merging HVDC interconnections into an existing meshed network, which will bring greater flexibility to the operation of the overall system. The result is a hybrid electricity transmission system with significant mutual interactions between the existing AC system and the integrated DC system. While the stability problems of the AC network have now been identified, those of the hybrid system still need to be studied, since the integration of rapidly controllable power converters could modify the behaviour of the entire system. As a result, this thesis project seeks to establish an innovative study encompassing the entire AC/DC hybrid system. This will focus on a security assessment that takes into account operational constraints and the ability of the system to reach a new equilibrium. In addition, this thesis will address the stabilisation challenges of the overall hybrid system. To this end, the assignments will consist of a preliminary study of the state of the art: what is the physical nature of the instability problems of the AC system? What types and ranges of disturbances should be considered for stability assessment? Finally, what modelling and control of the HVDC system? All of this will enable the development of an inclusive security assessment tool that takes into account different system control methods. An analysis will also be carried out to understand the influence of the parameters and control methods adopted. This will help us to implement a systematic means of control to improve network security and optimise power distribution across a Multi-Terminal DC network

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

Cette thèse traite de solutions innovantes pour la génération d'énergie électrique dans les avions : elles s'appuient sur des architectures autonomes utilisant des machines telles que la machine asynchrone à double alimentation (MADA) et la machine synchrone à double excitation (MSDE) suivant le format électrique envisagé (courants alternatifs à fréquence fixe ou variable ou encore courant continu)

Le développement rapide de la production d'énergie renouvelable intermittente et des liaisons HVDC entraîne une augmentation importante du taux de pénétration des convertisseurs statiques dans les réseaux de transport. Aujourd'hui, les convertisseurs statiques ont pour fonction principale d'injecter une puissance dans le réseau tout en s'appuyant sur des machines synchrones qui garantissent tous les besoins du système électrique. Ce mode de fonctionnement est appelé «Grid-following». Les convertisseurs contrôlés en Grid-following ont plusieurs limitations: leur incapacité à fonctionner en mode autonome, leurs problèmes de stabilité dans des réseaux faibles et en cas de défaut ainsi que leur effet négatif sur l'inertie équivalent du système. Pour relever ces défis, le contrôle en Grid-forming est une bonne solution pour répondre aux besoins du système électrique et permettre un fonctionnement stable et sûr du système même avec un taux de pénétration des convertisseurs statique de 100%. Tout d'abord, trois stratégies de contrôle en Grid-forming sont proposées pour garantir quatre fonctionnalités principales: contrôle de tension, contrôle de puissance, émulation d'inertie et le support de la fréquence. La dynamique et la robustesse du système basées sur chaque contrôle ont été analysées et discutées. Ensuite, selon la topologie du convertisseur, la connexion avec le réseau AC peut nécessiter des filtres et des boucles de contrôle supplémentaires. Dans le cadre de cette thèse, deux topologies de convertisseur ont été envisagées (VSC à 2-niveaux et VSC-MMC) et l'implémentation associée à chacune a été discutée. Enfin, les questions de la protection des convertisseurs Grid-forming contre les surintensités et leur synchronisation post-défaut ont été étudiées, puis, des algorithmes de limitation de courant et de resynchronisation ont été proposés pour améliorer la stabilité transitoire du système. Un banc d'essai a été développé pour confirmer les approches théoriques proposées
The rapid development of intermittent renewable generation and HVDC links yields an important increase of the penetration rate of power electronic converters in the transmission systems. Today, power converters have the main function of injecting power into the main grid, while relying on synchronous machines that guaranty all system needs. This operation mode of power converters is called "Grid-following". Grid-following converters have several limitations: their inability to operate in a standalone mode, their stability issues under weak-grids and faulty conditions and their negative side effect on the system inertia.To meet these challenges, the grid-forming control is a good solution to respond to the system needs and allow a stable and safe operation of power system with high penetration rate of power electronic converters, up to a 100%. Firstly, three grid-forming control strategies are proposed to guarantee four main features: voltage control, power control, inertia emulation and frequency support. The system dynamics and robustness based on each control have been analyzed and discussed. Then, depending on the converter topology, the connection with the AC grid may require additional filters and control loops. In this thesis, two converter topologies have been considered (2-Level VSC and VSC-MMC) and the implementation associated with each one has been discussed. Finally, the questions of the grid-forming converters protection against overcurrent and their post-fault synchronization have been investigated, and then a hybrid current limitation and resynchronization algorithms have been proposed to enhance the transient stability of the system. At the end, an experimental test bench has been developed to confirm the theoretical approach

L'orientation énergétique actuelle vers le développement de systèmes électriques isolés, s'est traduit par l'établissement de nouvelles directives sur les performances et la fiabilité des structures de puissance mises en oeuvre, en particulier ceux à base d'énergies renouvelables. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent à l'élaboration de nouveaux outils destinés à l'amélioration de la qualité d'énergie et de la stabilité d'un micro-réseau autonome. Concernant l'optimisation énergétique des interfaces de conversion pour un réseau autonome, nous avons développé de nouveaux algorithmes de commande basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. L'avantage de cette technique réside dans la possibilité d'implémentation de régulateurs à une boucle. Cela garantit des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. De plus, une prédiction exacte de l'évolution des variables d'états du système est possible. Concernant la stabilité des micro-réseaux autonomes, nous avons proposé des outils pour traiter les phénomènes d'instabilités, causés notamment par la perte d'informations de charges et par le phénomène de résonance des filtres d'interconnexion
The actual electrical energy demand focuses on the development of stand-alone electrical systems which leads to the definition of new directives on performances and reliability of the electrical structures, especially those based on renewable energy. The main objective of this work concerns the development of new tools to improve the power quality and the stability of autonomous micro-grid systems. In this aim, new control algorithms based on the concept of differential flatness have been developed. The main advantage of the proposed technique is the possibility of implementing one loop controllers ensuring high dynamic properties. In the same time, it allows accurate prediction of the evolution of all state variables of the system. Concerning the stability of the autonomous micro-grid systems, we proposed tools to deal with instability phenomena either caused by the loss of load information and the resonance phenomenon of the passive filters

Les gouvernements responsabilisent les états sur l’environnement avec la mise en œuvre de solution pour décarboner la production de l’électricité. En 2020, 20 % de l’énergie produite sera générée par les énergies renouvelables. Cependant ces énergies vertes sont intermittentes et nécessitent une capacité de stockage importante pour la gestion locale des « smart grids ». Cette solution pose deux nouvelles problématiques : la nécessité d’un convertisseur bidirectionnel et la gestion des courants d’appel. Pour faciliter l’étude de ces problématiques, la thèse propose de lier au travers d’un bilan de puissance, les performances des différents limiteurs de courant sur une topologie de convertisseur innovante. Cette analyse permet de mettre en exergue une solution alternative de limitation des courants d’appel dans la conversion de l’énergie. Enfin, un circuit novateur sur le contrôle des composants de puissance de type thyristors/Triacs sera proposé et caractérisé pour palier une des contraintes liées à la réversibilité du convertisseur
Governments empower states over the environment with implementation of solution to clean up the electricity production sources. In 2020, 20% of the produced energy will be generated by renewable energies. However, theses green energies are occasional and require a huge storage capacitance for the local smart grids management. This solution puts two new issues: the necessity of having a bidirectional converter and the inrush currents management. To facilitate the study of these problems, the thesis suggests binding through a power balance, the performances of the current limiter on an innovative topology converter. This analysis highlight an alternative solution of inrush current strategy in energy conversion. Finally, a novel control circuit for SCRs/Triacs components will be proposed and characterized for landing one of the constraints linked to the converter reversibility