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Approches pour la réduction de l'impact de défaut dans le transport d'énergie du parc éolien offshore via VSC-HVDC

Benadja, Mounir (2016). Approches pour la réduction de l'impact de défaut dans le transport d'énergie du parc éolien offshore via VSC-HVDC. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans ce travail est présenté un système de génération d’énergie d’un parc éolien offshore et un système de transport utilisant les stations VSC-HVDC connectées au réseau principal AC onshore. Trois configurations ont été étudiées, modélisées et validées par simulation. Dans chacune des configurations, des contributions améliorant les côtés techniques et économiques sont décrites ci-dessous :

La première contribution concerne un nouvel algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) utilisé pour l’extraction de la puissance maximale disponible dans les éoliennes des parcs offshores. Cette technique d’extraction du MPPT améliore le rendement énergétique de la chaîne de conversion des énergies renouvelables notamment l’énergie éolienne à petite et à grande échelles (parc éolien offshore) qui constitue un problème pour les constructeurs qui se trouvent confrontés à développer des dispositifs MPPT simples, moins coûteux, robustes, fiables et capable d’obtenir un rendement énergétique maximal.

La deuxième contribution concerne la réduction de la taille, du coût et de l’impact des défauts électriques (AC et DC) dans le système construit pour transporter l’énergie d’un parc éolien offshore (OWF) vers le réseau principal AC onshore via deux stations 3L-NPC VSCHVDC. La solution développée utilise des observateurs non-linéaires basés sur le filtre de Kalman étendu (EKF). Ce filtre permet d’estimer la vitesse de rotation et la position du rotor de chacune des génératrices du parc éolien offshore et de la tension du bus DC de l’onduleur DC-AC offshore et des deux stations 3L-NPC-VSC-HVDC (offshore et onshore). De plus, ce développement du filtre de Kalman étendu a permis de réduire l’impact des défauts AC et DC. Deux commandes ont été utilisées, l’une (commande indirect dans le plan abc) avec EKF intégré destinée pour contrôler le convertisseur DC-AC offshore et l’autre (commande d-q) avec EKF intégré pour contrôler les convertisseurs des deux stations AC-DC et DC-AC tout en tenant compte des entrées de chacune des stations. L’intégration des observateurs non-linéaires (EKF) dans le contrôle des convertisseurs permet de résoudre le problème des incertitudes de mesure, des incertitudes dans la modélisation, en cas du dysfonctionnement ou de panne des capteurs de mesure ainsi que le problème de l’impact des défauts (AC et DC) sur la qualité d’énergie dans les systèmes de transmission. Ces estimations contribuent à rendre le coût global du système moins cher et sa taille moins encombrante ainsi que la réduction de l’impact des défauts (AC et DC) sur le système.

La troisième contribution concerne la réduction de la taille, du coût et de l’impact des défauts électriques (AC et DC) dans le système construit pour transporter l’énergie d’un parc éolien offshore (OWF) vers le réseau principal AC onshore via deux stations VSC-HVDC. La solution développée utilise des observateurs non-linéaires basés sur le filtre de Kalman étendu (EKF). Ce filtre permet d’estimer la vitesse de rotation et la position du rotor de chacune des génératrices du parc éolien et de la tension du bus DC de l’onduleur DC-AC offshore. La contribution porte surtout sur le développement des deux commandes des deux stations. La première, la commande non-linéaire modifiée pour contrôler le premier convertisseur de la station VSC-HVDC offshore assurant le transfert de la puissance générée par le parc éolien vers la station VSC-HVDC onshore. La deuxième commande non-linéaire modifiée avec intégration de la régulation de la tension du bus DC et de la commande à modèle de référence adaptative (MRAC) pour la compensation des surintensités et surtensions durant les défauts AC et DC. On peut constater que lors d’un défaut AC au PCC (Point of Common Coupling) du côté réseau onshore, la profondeur de l’impact du défaut AC sur l’amplitude des courants du réseau principal AC onshore qui était réduit à 60% par les travaux de recherche (Erlich, Feltes et Shewarega, 2014), comparativement à la nouvelle commande proposée MRAC qui réduit la profondeur de l’impact à 35%. Lors de l’apparition des défauts AC et DC, une réduction de l’impact des défauts sur l’amplitude des courants de réseau AC terrestre et du temps de réponse a été observée et la stabilité du système a été renforcée par l’utilisation de la commande adaptative basée sur le modèle de référence MRAC.

La quatrième contribution concerne une nouvelle commande basée sur le mode de glissement (SM) appliquée pour la station VSC-HVDC qui relie le parc éolien offshore (OWF) au réseau principal AC. Ce parc est composé de dix éoliennes basées sur des génératrices synchrones à aimant permanent (VSWT/PMSGs) connectées en parallèle et chacune est contrôlée par son propre convertisseur DC-DC. Une comparaison des performances entre la commande SM et de la commande non-linéaire avec des contrôleurs PI pour les deux conditions (présence et absence de défaut DC) a été analysée et montre la supériorité de la commande par SM. Un prototype du système étudié à échelle réduite a été réalisé et testé au laboratoire GRÉPCI en utilisant la carte dSPACE-DS1104 pour la validation expérimentale.

L’analyse et la simulation des systèmes étudiés sont développées sous l’environnement Matlab/Simulink/Simpowersystem. Les résultats obtenus à partir des configurations développées sont validés par simulation et par expérimentation. Les performances sont très satisfaisantes du point de vue réponse dynamique, réponse en régime permanent, stabilité du système et qualité de l’énergie.

Titre traduit

Approaches for the reduction of fault impact in the energy transport of offshore Wind farm via VSC-HVDC

Résumé traduit

In this work a power generation system of an offshore wind farm, a control system and a transmission system using VSC-HVDC stations connected to the onshore AC main grid is presented. Three configurations were studied, modeled and validated by simulation. The contribution of the research work for improving the technical and economic side are described as follows:

A new MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm is used for extraction of the maximum power available from the wind turbine in offshore wind farms. This MPPT technique improves the conversion efficiency from wind turbine in small and large scale (offshore wind farm). It facilitates manufacturers in developing simple MPPT devices, which are cheaper, robust, reliable and able to achieve maximum energy efficiency.

Another main contributions of this work deals with the reduction in size, cost and the faults impact in AC and DC system built to transmit the power of an offshore wind farm (OWF) to the onshore main AC grid via two stations 3L-NPC VSC-HVDC. The developed solution uses the nonlinear observers based on the extended Kalman filter (EKF). This filter estimâtes the speed and the rotor position of each generator of the offshore wind farm, the DC bus voltage of the offshore DC-AC inverter and at the both stations-3L-NPC VSC-HVDC (offshore and onshore). Moreover, development of the Extended Kalman filter reduces the impact of AC and DC faults. Two controls techniques approaches were used, the indirect control associating EKF algorithm for the control of the offshore DC-AC converter and the other dq control associating EKF algorithm for the control of both converters AC-DC and DC-AC at offshore and onshore stations. The integration of nonlinear observers (EKF) in the control algorithm solves the problem of measurement uncertainties, uncertainties in modeling, malfunctioning, error in measurement due to sensor failure and the problem associated with the impact of faults (AC and DC) on the quality of energy in transmission systems. These estimations also contribute to make the overall cost of the system cheaper and less cumbersome system size and also to reduce the impact of faults (AC and DC) on the system.

The third developed contribution of this thesis concerns with the use of nonlinear observers based on EKF algorithm. This filter permits to estimate the speed and the rotor position of each generators of the OWF and the DC bus voltage of the offshore DC-AC inverter. The contribution focuses on the development of two controls algorithms for both stations. The first, nonlinear modified control is applied to the first converter of the VSC-HVDC offshore station to ensure the power transfer generated by the wind farm to the onshore VSC-HVDC station. The second nonlinear modified control ensure the regulation of DC bus voltage and uses an adaptive reference model control (MRAC) to compensate the overcurrent and the overvoltage during the AC and DC faults. The developed control scheme allows reducing the impact of AC fault at PCC (point of common coupling) of onshore of the AC main grid side. The impact depth of AC fault on the magnitude of the onshore AC main grid currents have been claimed to reduce up to 60% in comparison to the reported research by (Erlich, Feltes et Shewarega, 2014) compared to the proposed control based on MRAC which reduces the impact depth at 35%. During the conditions of the AC and DC faults, the reduction in the amplitude of the AC grid currents and the improvement in response time were observed and the stability of the system has also been enhanced by the use of MRAC.

The fourth developed contribution of this work presents a new command based on the sliding mode (SM) applied for the VSC-HVDC stations that connect the offshore wind farm to the onshore AC main grid. The wind farm consists of ten turbines coupled with permanent magnet synchronous generators (VSWT / PMSGs) and connected in parallel and each is controlled by its own DC-DC converter to extract the MPPT. A comparison between the performance of the SM control and the non-linear control using PI controllers for both conditions (with and without DC fault) was analyzed and the superiority of the SMC has been established through various case studies. For experimental validation, a small-scale prototype of the system is built and tested in GREPCI laboratory using dSPACE-DS1104 Controller Board.

The analysis and the simulation of the studied systems are developed under the Matlab/Simulink/Simpowersystem. Simulation and experimentation results of the developed configurations are very found satisfactory in terms of steady-state and dynamic, response, system stability and power quality.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 183-192.
Mots-clés libres: Systèmes de conversion de l'énergie éolienne. Électricité Transport. Centrales éoliennes en mer. Électricité Transport Modèles mathématiques. Défauts électriques Localisation. Générateurs synchrones. Convertisseurs électriques. Filtre de Kalman. Systèmes adaptatifs. Réseaux électriques (Énergie) Stabilité. HVDC, MPPT VSC, VSC-HVDC, parc éolien offshore (OWF), génératrice synchrone à aimant permanent (GSAP), poursuite de point de puissance maximale (MPPT), convertisseur source de tension à base haute tension en courant continu (VSC-HVDC), commande adaptative à modèle de référence (MRAC), défauts AC et DC, contrôle par mode de glissement (SMC), qualité d’énergie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ambrish, Chandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 févr. 2017 15:22
Dernière modification: 07 févr. 2017 15:22
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1806

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