Micro-réseau résilient à haute stabilité dynamique en présence d’une intégration massive des énergies renouvelables variables

Resilient microgrids with high dynamic stability in the presence of massive integration of variable renewables

• Auteur / Autrice : Kevin Banjar Nahor
• Direction : Nouredine Hadj-Said
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Vannier, Lauric Garbuio, Vincent Debusschere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Alonso, Georges Kariniotakis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Réseaux électriques (énergie)

Énergies renouvelables

Onduleurs (électricité)

Micro-réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Stabilité

Micro-Réseaux

Alternateur

Énergies renouvelables

Onduleur

Grid forming

Stability

Microgrid

Alternator

Renewables

Inverter

Grid forming

Résumé

Cette thèse traite des problèmes de stabilité introduits par l'interconnexion d'énergies renouvelables massives dans un micro-réseau isolé. Cette recherche vise à identifier les problèmes liés au sujet, les indices permettant de mieux comprendre ces problèmes, ainsi que la stratégie visant à améliorer la stabilité des microréseaux du point de vue du réseau électrique. Dans la première partie, un état de l'art sur l'évolution de la stabilité du réseau electrique est abordé. Un bref historique de la stabilité du système électrique depuis sa première identification et son évolution a été présenté. Une revue des indices pratiques d’évaluation de la stabilité du réseau est également présentée, y compris ceux que nous proposons. Cette partie est également utile pour analyser le positionnement de cette thèseLa deuxième partie de la thèse présente les efforts pour améliorer la stabilité dynamique des microréseaux caractérisés par une pénétration massive des énergies renouvelables. Les principaux défis et les efforts en cours sont passés en revue, qui ont montré que les solutions actuelles se concentrent sur le maintien de la philosophie d’un réseau électrique classique. Avec l'avènement des énergies plus intermittentes, les efforts actuels se sont révélés coûteux. Par conséquent, une nouvelle perspective est proposée. Ici, les générateurs et les clients sont exposés à des écarts de tension et de fréquence plus élevés, qui sont nécessaires pour maintenir l'équilibre de puissance et la stabilité du microréseau. Cette perspective convient avec le concept de micro-réseau pour réaliser le rêve de l’électricité universelle.Le concept est ensuite développé en une nouvelle stratégie de régulation dans laquelle le rapport de la fréquence et la tension du système sont maintenues essentiellement constant autour de 1 (en per unit). Cette stratégie peut potentiellement être mise en œuvre sur toutes les technologies de grid forming. Les avantages de cette stratégie sont l’assurance que les machines électriques ne sont pas endommagées, la fonctionnalité plug-and-play, la compatibilité avec les technologies actuelles d’onduleurs et l’absence de systèmes de communication rapides. Enfin, la stratégie proposée est facile à mettre en œuvre et ne nécessite pas de révolution en termes d’équipement et de contrôle du réseau électrique. Cette mise en œuvre de ce concept offre un élément de flexibilité très précieux: le temps, qui améliore la résilience et la stabilité d'un microréseau. Cependant, des écarts de fréquence et de tension plus importants se produisent et doivent être acceptés par tous les acteurs du microréseau. Une validation par des simulations numériques en Power Factory et des expérimentations dans une plateforme hardware-in-the-loop en temps réel ont été réalisées avec des résultats satisfaisant

This thesis deals with the stability issues introduced by the interconnection of massive renewables into an isolated microgrid. This research aims to identify the problems related to the topic, the indices to help understand the issues, and the strategy to enhance microgrid stability from the power system point of view.In the first part, a state of the art on the evolution of power stability is addressed. A short history of power system stability since its first identification and how it has evolved is firstly presented. This part also provides a literature review of the power system stability, including its classification, and how it has evolved due to two reasons: the microgrid concept and the trend towards the integration of more inverter-based generation. A review of the practical indices for grid stability assessment is also reported, including the ones that we propose. This part is also useful for analyzing the positioning of this PhD research.The second part of thesis presents the efforts to enhance the dynamic stability of microgrids characterized by massive renewable penetration. The main challenges and the current efforts are reviewed, which have shown that the current solutions focus on maintaining the philosophy of a classical power grid. With the advent of more intermittent energy, the current efforts have proven to be costly. Therefore, a new perspective is proposed. Here, the generating elements and the customers are exposed with higher deviations in voltage and frequency, which are necessary so that that the power equilibrium and the stability of the microgrid can be maintained. This perspective is suitable with the microgrid concept to realize the dream of universal electricity.The concept is then developed into a novel regulation strategy in which the system frequency and voltage are maintained in such a way to keep their ratio essentially constant around 1 (p.u. voltage to p.u. frequency). This strategy can potentially be implemented on all grid forming technologies. The benefits of employing this strategy include assurance that the electrical machinery is not harmed, plug-and-play feature, compatibility with current grid-tied inverter technologies, and no need for fast communication systems. Finally, this proposed strategy is easy to implement and does not require revolution in terms of power system equipment and control. This implementation of this concept provides a very valuable piece of flexibility: time, which enhances the resilience and stability of a microgrid. However, wider frequency and voltage deviations occur and have to be accepted by all the actors within the microgrid. A validation through computer simulations in Power Factory and real-time hardware in the loop experiments has been carried out with satisfactory results.