Добірка наукової літератури з теми "Sécurité AC/DC; Stabilité"

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 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

La stabilité est un facteur très important dans tous les modes de fonctionnement pour un Système à Puissance Distribué (SPD). En SPD, les charges sont connectées au bus DC à travers d’un filtre entré LC. La plupart des charges de SPD d'avions présents une caractéristique de charge à puissance constante dans un domaine de fonctionnement dans laquelle ils sont étroitement contrôlés. Ainsi, elles peuvent être modélisées comme une résistance négative. Changement de la charge dans un sous-système peut conduire un système stable dans l'instabilité.Une solution pratique pour diminuer le risque d'instabilité est présentée dans cette thèse qui consiste à modifier le contrôle des convertisseurs ou système onduleur-moteur connecté au bus DC. Cette solution permet de stabiliser le système, même avec un condensateur plus petit. Dans la première partie de la thèse, une méthode linéaire est présentée qui permet étudier la stabilité locale d'un système onduleur-moteur connecté au réseau par un filtre LC et un redresseur. Une technique de compensation d’oscillation est utilisée pour améliorer la marge de stabilité du système et la taille de la capacité dc-link sans modifier la structure des boucles de courant ou de couple. Cette technique consiste à superposer une puissance stabilisant sur la puissance absorbée par le drive. Bien que les modèles linéaires puissent être employées avec succès pour décrire le comportement d'un système physique au niveau local, ils échouent souvent de fournir une caractérisation satisfaisante de large-signal. Dans la deuxième partie, deux méthodes pour la stabilisation large-signal du système électrique sont présentées. Dans la dernière partie, une nouvelle méthode, basée sur les spécifications dynamiques est proposée pour étudier la stabilité d'un système électrique en cascade
Stability is the first and very important factor in all modes of operation for a Distributed Power System (DPS). In DPS, loads are connected to the DC-bus through an input LC filter. Most of the loads in DPS of aircraft present a constant power load characteristic within a domain of operation in which they are tightly controlled. So they can be modeled as negative resistance. Change of the load in one subsystem may lead a stable system into instability. A practical solution to decrease the risk of instability presented in this thesis which consists in modifying the control of the converters or inverter-motor drive system connected to the DC-bus. This solution permits to stabilize the system even with a smaller size of capacitor. In the first part of the thesis, a linear method is presented which allows investigating local stability of an inverter-motor-drive system connected to the grid through an LC filter and a rectifier. An oscillation compensation technique is used to improve the stability margin of the system and the size of the dc-link capacitance without modifying structure of the torque or current loops. This technique consists in superposing a stabilizing power on the absorbed power by the drive. Although linear models can be successfully employed to locally describe the behavior of a physical system, they often fail to provide a satisfactory large signal characterization. In the second part, two methods for the large signal stabilization of the electrical system are presented. In the last part, a new method, based on dynamic specifications, is proposed to study the stability of a cascaded electric system

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

La stabilité est un facteur très important dans tous les modes de fonctionnement pour un Système à Puissance Distribué (SPD). En SPD, les charges sont connectées au bus DC à travers d’un filtre entré LC. La plupart des charges de SPD d'avions présents une caractéristique de charge à puissance constante dans un domaine de fonctionnement dans laquelle ils sont étroitement contrôlés. Ainsi, elles peuvent être modélisées comme une résistance négative. Changement de la charge dans un sous-système peut conduire un système stable dans l'instabilité.Une solution pratique pour diminuer le risque d'instabilité est présentée dans cette thèse qui consiste à modifier le contrôle des convertisseurs ou système onduleur-moteur connecté au bus DC. Cette solution permet de stabiliser le système, même avec un condensateur plus petit. Dans la première partie de la thèse, une méthode linéaire est présentée qui permet étudier la stabilité locale d'un système onduleur-moteur connecté au réseau par un filtre LC et un redresseur. Une technique de compensation d’oscillation est utilisée pour améliorer la marge de stabilité du système et la taille de la capacité dc-link sans modifier la structure des boucles de courant ou de couple. Cette technique consiste à superposer une puissance stabilisant sur la puissance absorbée par le drive. Bien que les modèles linéaires puissent être employées avec succès pour décrire le comportement d'un système physique au niveau local, ils échouent souvent de fournir une caractérisation satisfaisante de large-signal. Dans la deuxième partie, deux méthodes pour la stabilisation large-signal du système électrique sont présentées. Dans la dernière partie, une nouvelle méthode, basée sur les spécifications dynamiques est proposée pour étudier la stabilité d'un système électrique en cascade
Stability is the first and very important factor in all modes of operation for a Distributed Power System (DPS). In DPS, loads are connected to the DC-bus through an input LC filter. Most of the loads in DPS of aircraft present a constant power load characteristic within a domain of operation in which they are tightly controlled. So they can be modeled as negative resistance. Change of the load in one subsystem may lead a stable system into instability. A practical solution to decrease the risk of instability presented in this thesis which consists in modifying the control of the converters or inverter-motor drive system connected to the DC-bus. This solution permits to stabilize the system even with a smaller size of capacitor. In the first part of the thesis, a linear method is presented which allows investigating local stability of an inverter-motor-drive system connected to the grid through an LC filter and a rectifier. An oscillation compensation technique is used to improve the stability margin of the system and the size of the dc-link capacitance without modifying structure of the torque or current loops. This technique consists in superposing a stabilizing power on the absorbed power by the drive. Although linear models can be successfully employed to locally describe the behavior of a physical system, they often fail to provide a satisfactory large signal characterization. In the second part, two methods for the large signal stabilization of the electrical system are presented. In the last part, a new method, based on dynamic specifications, is proposed to study the stability of a cascaded electric system

Cette thèse porte sur la commande des convertisseurs de puissance AC/DC fonctionnant en commutation à travers un générateur à modulation de largeur d’impulsions. L’intérêt de cette classe de convertisseurs réside dans son rendement énergétique élevé et sa capacité à fonctionner en mode de conduction continue minimisant ainsi les interférences électromagnétiques, conduites et rayonnées. L’objectif de commande est double : (i) régulation du signal de sortie (tension aux bornes d’une charge résistive, vitesse d’une charge motrice) ; (ii) assurer une connexion avec un facteur de puissance quasi-unitaire (PFC) entre le convertisseur et le réseau de puissance. Le problème est appréhendé en développant une stratégie de commande impliquant deux régulateurs montés en cascade. Le régulateur interne est conçu de telle sorte que le courant absorbé à l’entrée du convertisseur soit proportionnel à la tension sinusoïdale du réseau d’alimentation. L’entrée de référence de ce régulateur (le rapport de proportionnalité mentionné) est aussi le signal de commande du régulateur externe qui vise à réguler le signal de sortie (tension ou vitesse). Les régulateurs sont élaborés à partir du modèle non linéaire du système commandé, en utilisant différentes techniques de synthèse. Le système de commande en boucle fermée résultant s’avère non linéaire et temps variant. En utilisant des outils d’analyse appropriés, tels que ceux de stabilité et de moyennage, nous démontrons formellement que les objectifs de commande sont réalisables en moyenne avec une erreur qui dépend de la fréquence du réseau d’alimentation. Cette erreur est d’autant plus petite que la fréquence du réseau est plus élevée
This thesis deals with switched PWM AC/DC power converters. The interest of this type of converters lies in their high power efficiency and their ability to operate in continuous conduction mode minimizing thus electromagnetic interferences, both conducted and radiated. The control objective is twofold: (i) output signal regulation (output voltage for resistive type load, speed for motor type load); (ii) ensuring a unit power factor (PFC) connection between the converter and the power supply net. The problem is dealt with developing a control strategy involving two regulators in cascade. The inner regulator is designed to make the current absorbed by the converter proportional to the supply net voltage. The reference signal of this regulator is also the control signal of the outer regulator which aims at regulating the system output (voltage or speed). Both regulators are obtained from the nonlinear model of the converter, using different control techniques. The resulting closed-loop system turns out to be nonlinear and time-varying. Using suitable stability and averaging tools, it is formally demonstrated that the control objectives are achieved in the mean with an error that depends on the supply net frequency. The larger the net frequency is the smaller the error.

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

Le développement rapide d’équipements raccordés sur les réseaux électriques avec des convertisseurs électroniques de puissance tels que les générateurs à base d‘énergie renouvelable et les liaisons de transmission sous haute tension continue entraîne un changement profond dans la physique même du système électrique. Aujourd'hui, les convertisseurs de puissance ont pour fonction principale d'injecter de l'énergie dans le réseau électrique, ce dernier s'appuyant sur des machines synchrones pour assurer tous les besoins nécessaires au fonctionnement et à la conduite du système électrique (par exemple, les services auxiliaires, la fourniture de réserve inertielle énergétique et de réserves dynamiques et fiables de puissance). Ce mode de fonctionnement des convertisseurs de puissance est appelé "grid-following" car suivant la tension alternative imposée au point de raccordement. Il présente plusieurs limitations, telles que : l'incapacité de fonctionner en mode autonome, des problèmes de stabilité dans des réseaux faibles et des fonctionnements défectueux, ainsi que des effets secondaires négatifs sur l'inertie du système. Pour relever ces défis, une alternative est de contrôler le convertisseur électronique de puissance pour générer et contrôler lui-même cette tension alternative. Dans cette thèse, une description fondamentale de cette commande en grid-forming est présentée avec une approche de modélisation quasi-statique simplifiée permettant de concevoir une régulation de la puissance active échangée avec le réseau AC. Plusieurs variantes de cette stratégie de contrôle sont mises en évidence et présentent des différences en termes de comportement dynamique sur la puissance active, de capacité d'émulation d'une réserve énergétique inertielle et de prise en charge de la fréquence du système. Les variantes sont ensuite classées en fonction de leurs capacités et fonctionnalités. Ces stratégies de commande ont été implémentées pour un convertisseur à 2 niveaux. Suivant une analyse de stabilité dite « petits signaux », la robustesse et leur capacité à fonctionner sur un réseau faible sont démontrées. De plus, les services auxiliaires tels que la réponse inertielle et le support au contrôle de la fréquence sont fournis de manière appropriée au réseau AC. Les questions de la protection contre les surintensités et de la synchronisation après défaut (tout en tenant compte de la limitation de courant) sont étudiées et une nouvelle méthode est proposée pour améliorer la stabilité transitoire du système électrique. Les résultats obtenus sont ensuite généralisés à une topologie de convertisseur multi-niveaux modulaire (MMC) avec succès. Avec cette commande, la fourniture d’une réserve inertielle est particulièrement intéressante pour gérer les transferts de puissance à l’interconnexion d’un réseau continu haute tension avec le réseau alternatif de transport d’électricité. La dernière partie de cette thèse évalue les performances dynamiques d'une liaison HVDC interconnectant deux réseaux AC et met en évidence la stratégie et les exigences appropriées pour la fourniture de réserve inertielle
The rapid development of converter-based devices such as converter-interfaced renewable generations and high-voltage direct-current (HVDC) transmission links is causing a profound change into the very physics of the power system. In this scenario, the power generation is shifted from the pollutant synchronous generators based on nuclear or fossil fuels to converter-based renewable resources. The modeling, control, and stability of the power converters are now one of the focuses of attention for researchers. Today, power converters have the main function of injecting power into the utility grid, while relying on synchronous machines that ensure all system needs (e.g., ancillary services, provision of inertia and reliable power reserves). This operation mode of power converters is called "Grid-following". Grid-following converters have several limitations, such as: inability to operate in a standalone mode, stability issues under weak grids and faulty conditions and also, negative side effect on the system inertia. To tackle these challenges, the grid-forming control as an alternative has shown its appropriate performance that could make this kind of control a promising solution to respond to the system needs and to allow a stable and safe operation of power system with high penetration rate of power electronic converters. In this thesis, a fundamental description of grid-forming control with a simplified quasi-static modeling approach aiming to regulate the converter active power by a voltage source behavior is presented. From the description, several variants of grid-forming strategies are identified that represent some differences in terms of active power dynamic behavior, inertia emulation capability and system frequency support. Hence, the presented grid-forming variants are then classified according to their capabilities/functionalities. From the small-signal stability and robustness point of view, the studied grid-forming controls, which are implemented to a 2-level VSC at first, show their ability to operate under very weak grid conditions. Moreover, the ancillary services such as inertial response and frequency support are appropriately provided to the AC grid. The questions of the grid-forming converters protection against overcurrent and their post-fault synchronization while considering the current limitation are investigated and a new method is proposed to enhance the transient stability of the system. All the obtained results are then extended to a modular multi-level converter (MMC) topology successfully. The use of a grid forming control in an HVDC converter is interesting for the grid to which it is connected due to the inertial effect that can be induced. Therefore, the final part of this thesis evaluates the dynamic performance of an HVDC link interconnecting two AC grids and highlights the proper strategy and requirements for inertia provision

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