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Modélisation et contrôle des systèmes éoliens-solaire intégrés au réseau VSC-HVDC

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Benhalima, Seghir (2019). Modélisation et contrôle des systèmes éoliens-solaire intégrés au réseau VSC-HVDC. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pour assurer, la forte demande mondiale en énergie électrique et le désir de préserver l’environnement ont pour effet que le monde se tourne vers les énergies renouvelables. Afin de bien utiliser cette énergie, nous devons utiliser des mécanismes efficaces pour produire et livrer l’énergie électrique aux consommateurs d’une manière fiable, efficace et durable.

En effet, plus le réseau électrique devient intelligent, plus il devient sensible aux différents défauts, à la variation climatique et aux harmoniques. Dans ces circonstances, des contributions dans cette thèse ont été menées dans le but de rendre la connexion de l’énergie renouvelable au réseau plus intelligent et sécuritaire. Cette thèse de recherche propose des stratégies de contrôle avancées et innovantes pour rendre l’intégration de l’énergie renouvelable au réseau haute tension AC et CC plus efficace et plus sûr tout en gérant automatiquement l’écoulement de puissance entre différentes sources et charges.

Dans ce contexte, et afin d’avoir une meilleure synchronisation entre les différents systèmes (Production/Transport/Synchronisation), cette recherche se focalise sur la maximisation de l’énergie produite. Dans cette thèse, des recommandations telles que les commandes avec estimateurs de filtre de Kalman et des régulateurs intelligents comme l’ANFIS intégrés dans les méthodes classiques et intelligentes sont introduites pour extraire le maximum de la puissance de l’éolienne et du système photovoltaïque. Ces commandes offrent de nombreux avantages, notamment un contrôle précis, un rendement élevé, une régulation meilleure de la tension du bus CC et l’atténuation des défauts.

Historiquement, les problèmes de défauts (AC et CC) ont fait l’objet de recherche, les différentes méthodes de correction seront citées dans la revue de littérature de cette thèse. Une analyse qualitative relative à ce phénomène a été rapportée (conception des hacheurs /l’ouverture des disjoncteurs AC /résistance branchée sur le rotor de la machine /SFCL). Ces méthodes sont actuellement mal adaptées pour corriger les défauts qui causent l’arrêt des éoliennes, la détérioration des convertisseurs et des générateurs ou la coupure totale de l’électricité. La contribution apportée par cette thèse, pour corriger les défauts est la modélisation des convertisseurs avec l’application des commandes basées sur l’intelligence artificielle afin de corriger les problèmes de la tension, améliorer la qualité de l’énergie et la stabilité du système.

Les centrales photovoltaïques reliées aux autres sources renouvelables posent certains problèmes lorsqu’elles sont intégrées au réseau électrique. L’un des principaux objectifs de cette recherche est de développer une technique de contrôle intelligent robuste qui offre une fonctionnalité de régulation de tension et facilite l’écoulement de puissance vers le réseau.

L’algorithme de commande SRF développé à base de PI-anti-Windup est une contribution appliquée à l’onduleur VSC connecté au réseau, qui a comme résultat d’améliorer les puissances actives (P), réactive (Q) générées par le système hybride (PV-éolienne) et permet de réguler la tension du réseau AC incluant une régulation rapide de la tension du bus CC tout en minimisant la distorsion harmonique totale (THD). L’efficacité et la robustesse du système proposé sont démontrées par des résultats simulés et vérifiés par l’expérience au laboratoire GREPCI.

Une autre contribution, la méthode SMC (contrôle en mode de glissement) appliquée au parc offshore VSC-HVDC assure l’efficacité et la robustesse du système non linéaire. Cette solution prend en compte le cas de conditions sévères d’instabilité et de variation brusques.

Une nouvelle approche de protection basée sur le hacheur CC a été introduite dans le système VSC-HVDC. Ceci atténue l’effet de défaut du bus CC positif et assure un fonctionnement stable, sûr et efficace de l’énergie produite par les parcs éoliens offshore transférée vers la station onshore en respectant les normes de qualité d’énergie électrique.

La commande intelligente artificielle (Adaline) à base de (l’ANFIS et unfied) a été introduite dans les systèmes de petites et de grandes tailles et elle offre plusieurs contributions :
 Avoir un MPPT sans oscillation. Le régulateur ANFIS avec une conception optimale des paramètres est utilisé pour obtenir une réponse dynamique rapide lors d’un changement brusque d’irradiation solaire ;
 L’algorithme Adaline est utilisé pour estimer le courant de la source afin d’assurer l’écoulement de la puissance et de le rendre stable avec une amélioration élevée de la qualité d’énergie au PCC. Pour cette approche, la boucle (PLL) n’est pas utilisée, ce qui minimise le risque de perte de contrôle pendant la perturbation de la tension ;
 L’algorithme Adaline à base d’ANFIS régulait bien la tension de bus CC, la tension alternative et les courants de source. Le régulateur ANFIS a permis la régulation des signaux de sortie avec une réponse dynamique rapide et sans aucune saturation pendant les transitions ;
 Avec l’ANFIS, le convertisseur élévateur CC-CC est plus efficace, même à faible rayonnement solaire. En sélectionnant la tension PV de sortie légèrement inférieure à la tension du circuit intermédiaire (CC), l’inductance du convertisseur élévateur continu-continu est plus faible et la tension de l’interrupteur est réduite.

Enfin, cette recherche prend en compte un micro-réseau à petite et grande échelle incluant les photovoltaïques, des éoliennes synchrones et asynchrones et des charges. Une nouvelle stratégie de contrôle intelligent a été développée afin de répondre aux exigences de la régulation de fréquence et de tension ainsi qu’à la synchronisation des sources avec les réseaux.

Cette thèse apporte des contributions à la fois théoriques et pratiques sur l’énergie renouvelable connectée aux réseaux.

Titre traduit

Modeling and Control of Wind-Solar Systems Integrated in the VSC-HVDC Network

Résumé traduit

The strong global demand for electric power and the desire to preserve the environment are motivating governments to find a new solution based on clean renewable energy sources (RESs). However, among these energy sources, wind turbines and solar photovoltaic, are efficient, reliable, sustainable and environmentally friendly sources.

In this thesis, many advanced and innovative control strategies have been developed for the integration of renewable energy into the grid and make it safer while automatically managing power flows between different sources and loads. In this context, and to have a better synchronization between the different systems, our research focuses on maximizing the energy produced by wind turbines and photovoltaic solar energy.

Many control techniques for MPPT extraction such as P&O applied to the photovoltaic system and other conventional estimator to estimate the velocity of the wind turbine has been developed in this thesis, recommendations have been made for control such as, Kalman filter estimators and intelligent controllers like ANFIS.

Historically, the problems of faults (AC, DC and Arc) have been studied; the different methods of fault correction are cited in the literature review of this thesis. The contribution of our research is to reduce the impact of faults by modelling the converters according to the application cases and using the artificial intelligence controls.

The SRF control algorithm developed based on PI-anti-Windup is a contribution applied to the VSC inverter connected to the network, which improves the active power (P), reactive (Q) generated by the hybrid system and regulates the AC grid voltage, in addition to a fast DC bus voltage regulation, and minimizes total harmonic distortion (THD).

Another contribution is the SMC with Lyapunov method applied to the VSC-HVDC offshore wind farm ensuring efficiency and robustness of the no-linear system studied in severe conditions with the instability with a very low sensitivity to sudden variation.

A new protection approach based on the DC chopper has been introduced in the NPC VSCHVDC offshore transmission. In addition, the protection control action of DC chopper extinguishes the fault current to restore the power transmission after the fault has been cleared, improving network reliability, power quality, safety and makes it stable.

The artificial intelligent control (Adaline) based on (the ANFIS and unified algorithm) was introduced in small and large systems. This control has several contributions:
 The optimal design of the ANFIS controller providing fast-dynamic response during a sudden change in solar irradiation, resulting in a non-oscillating MPPT;
 The Adaline Algorithm is used to estimate the current of the source to ensure the power flow and makes it stable with an improved power quality at the PCC. For this approach, the loop (PLL) is not used, which minimizes the risk of loss of control during voltage disruption;
 ANFIS-based Adaline algorithm has successfully regulated DC bus voltage, AC voltage and source currents. The ANFIS controller enables to detect the fault and regulate the output signals with a fast-dynamic response and without any saturation during the transitions;
 With ANFIS, the DC-DC boost converter is more efficient, even with low solar irradiation.

Finally, our study considers a new intelligent control applied to small and large- scale microgrids incorporating photovoltaic generators, synchronous and asynchronous wind turbines and linear and no-linear loads. This thesis provides both theoretical and practical contributions on renewable energy connected to the grid.

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 de doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 295-309).
Mots-clés libres: VSC-HVDC, éolienne offshore, photovoltaïque, PMSG, MADA, multi-terminal, MPPT, Câble CC sous-marin, Unified, ANFIS, adaline contrôle, SRF, qualité d’énergie, intelligence artificielle, micro-réseau
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ambrish, Chandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 nov. 2019 14:59
Dernière modification: 19 nov. 2019 14:59
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2400

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