Contribution to the design of the closed-loop control of a real-time power simulator

Tremblay, Olivier (2020). Contribution to the design of the closed-loop control of a real-time power simulator. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The energy transition has spurred Hydro-Québec’s research institute (IREQ) to acquire a 7.5-MVA power simulator that will allow for the connection of power equipment to various power systems simulated in real time on Hypersim. This kind of “power-hardware-in-the-loop” (PHIL) system is an emerging power grid technology whose implementation is still very challenging. The main challenge revolves around the control of the signals exchanged by the simulator and the amplifier at their point of interface. More specifically, delays that occur at the interface may compromise the operating stability or dynamic performance of the system.

First, a new basis has been established to understand the stability of PHIL systems in light of their hybrid (digital-analog) nature. The conventional method for determining stability criteria is not appropriate as it assumes a continuous model of PHIL systems. A new stability analysis method based on the discrete impedance frequency response is thus presented.

Second, this dissertation presents a stable, robust and accurate interface for PHIL simulator based on the Bergeron transmission line model (BTLM). Two limitations of this interface are identified, and corrective strategies are formulated to ensure its compatibility with the PHIL application. Stability, passivity and accuracy analyses are then performed to verify its performance. The proposed interface has been implemented in a 3-kVA experimental PHIL test bench designed and built at IREQ. Several tests have been performed to demonstrate the stability and accuracy of the closed-loop system for various pieces of equipment under a wide range of operating conditions.

Third, the PHIL test bench was used to identify the characteristics of residential photovoltaic inverters connected to a typical distribution system. An aggregation method was developed to develop realistic testing parameters. Close-loop testing revealed operating anomalies that occur when such inverters are connected to certain types of power systems.

Titre traduit

Contribution à la conception de la commande en boucle fermée d’un simulateur de puissance en temps réel

Résumé traduit

Le contexte de la transition énergétique amène l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) à se doter d’un simulateur de puissance de 7.5 MVA afin d’y raccorder des équipements de puissance à divers réseaux électriques simulés en temps réel sur Hypersim. Ce genre de système, appelé « power hardware-in-the-loop (PHIL) », est une technologie émergente dans le domaine des réseaux électriques et représente encore aujourd’hui un défi de réalisation de taille. Ce défi se situe au niveau de la maîrise des signaux échangés au point d’interface entre le simulateur et l’amplificateur, ce qui constitue la principale problématique à solutionner. En effet, des délais apparaissent au point d’interface et ces derniers peuvent compromettre la stabilité de fonctionnement et/ou détériorer les performances dynamiques du système.

Dans un premier temps, une nouvelle base est établie pour comprendre la stabilité des systèmes PHIL compte tenu de leur nature hybride (analogique / numérique). En effet, la méthode conventionnelle de détermination du critère de stabilité, qui considère le système PHIL comme un modèle continu, n'est pas appropriée. Une nouvelle méthode d'évaluation de la stabilité basée sur des réponses en fréquence de l'impédance discrète est ainsi présentée.

Dans un deuxième temps, cette thèse présente une implémentation stable, robuste et précise d'une interface pour un simulateur PHIL basée sur le modèle de ligne de transmission Bergeron (BTLM). Deux limites de cette interface sont identifiées et des stratégies correctives sont formulées afin de garantir sa compatibilité avec l'application PHIL. Des analyses de stabilité, de passivité et de précision sont ensuite réalisées pour vérifier ses performances. L'interface proposée est par la suite implantée dans un banc d’essai PHIL expérimentale de 3 kVA, conçu et réalisé à l’IREQ. Plusieurs tests sont effectués afin de démontrer la stabilité et la précision du système en boucle fermée dans un large éventail de conditions de fonctionnement et avec divers équipements testés.

Troisièmement, le banc d’essai PHIL est exploité pour caractériser des onduleurs photovoltaïques résidentiels connectés à un réseau de distribution typique. Une méthode d’agrégation est d’ailleurs développée pour obtenir des paramètres d’essais réalistes. Les essais en boucle fermée ont permis de révéler des anomalies de fonctionnement lorsque ces onduleurs sont connectés à des réseaux ayant certaines caractéristiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philisophy". Comprend des références bibliographiques (pages 147-152).
Mots-clés libres:	algorithme d’interface numérique, analyse de stabilité, conversion de l’énergie, FPGA, modélisation, modèle de ligne de transmission de Bergeron, simulateur de puissance, simulation numérique, simulation avec matériel de puissance dans la boucle, simulation en temps réel, systèmes discrets
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Fortin Blanchette, Handy
Codirecteur:	Codirecteur Gagnon, Richard
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 août 2021 20:17
Dernière modification:	24 sept. 2021 18:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2693

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