Modélisation et contrôle de turbines hydrauliques pour l'intégration des sources d'énergie renouvelables

par Amgad Mohamed (Amgad)

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Sous la direction de Mazen Alamir.


  • Résumé

    Récemment, les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire, sont devenues des éléments essentiels des réseaux électriques en tant qu'alternatives d'énergie propre aux combustibles fossiles. Cependant, la qualité de la production de telles ressources énergétiques dépend de différents facteurs incertains, tels que les conditions météorologiques. Par conséquent, la gestion intermittente des sources d'énergie renouvelables est l'un des principaux défis à relever pour une utilisation à plus grande échelle. Une solution possible pour réduire les effets de l'intermittence des ressources énergétiques sur la production d'énergie et la stabilité du réseau consiste à utiliser les technologies de stockage d'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) semblent être la méthode de stockage propre unique qui peut être utilisée pour lutter contre la nature intermittente de l'énergie éolienne et solaire. Les STEP utilisent des pompes-turbines réversibles pouvant fonctionner comme des pompes pour stocker l'excès d'énergie électrique dans le réseau et comme des turbines pour générer de l'énergie électrique, lorsque davantage d'énergie électrique est nécessaire. Ainsi, les STEP aident à stabiliser le réseau en présence de ressources en énergies renouvelables intermittentes. Ce travail met l'accent sur les conditions de fonctionnement de la turbine pour le démarrage des STEP. Dans les STEP, la condition de fonctionnement de démarrage est généralement visitée plusieurs fois, à la suite d'un basculement entre les modes de pompage et de turbine. Ainsi, l'amélioration des performances des régulateurs de vitesse utilisés pour le démarrage devient plus importante lorsque l'on traite avec des STEP afin de permettre une récupération rapide de la tension. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet pluridisciplinaire INNOVHYDRO, qui regroupe différents laboratoires et entreprises tels que, GIPSA-lab où cette thèse a été préparée, G2Elab, GE et EDF. Dans cette thèse, une architecture de contrôleur prenant en compte les limitations informatiques des microcontrôleurs existants utilisés chez GE est proposée. Elle apporte une solution au problème du démarrage rapide de la turbine tout en évitant l'excitation de fortes oscillations de pression. De plus, les contraintes de couple s'intègrent facilement pour permettre un démarrage en douceur, ce qui réduit la fatigue des composants mécaniques, résultant du démarrage répétitif des turbines. Des solutions sont proposées pour ajuster les gains du contrôleur, tout en tenant compte de la dynamique non linéaire de l'actionneur utilisé chez GE. Pour commencer, une méthodologie de réglage est décrite pour garantir la stabilité asymptotique et les performances en boucle fermée, tout en minimisant la limite supérieure de l'erreur de suivi en sortie. De plus, une approche d'optimisation systématique est développée pour sélectionner les gains du contrôleur afin de minimiser le temps nécessaire pour obtenir une connexion stable au réseau, tout en respectant les contraintes de couple maximales. De plus, des algorithmes sont utilisés pour choisir les paramètres du contrôleur de sorte que des certificats de robustesse soient obtenus sur le contrôleur résultant. De plus, un simulateur a été développé pour les centrales hydrauliques et utilisé pour tester le contrôleur proposé. Le simulateur est constitué d'un système d'équations différentielles continues qui modélisent systématiquement le comportement des différents composants de la centrale hydraulique, tels que les conduites forcées, les tunnels, les réservoirs et les cheminées d'équilibre. De plus, le comportement non linéaire et les caractéristiques en S des régions instables des turbines hydrauliques, généralement modélisées par des diagrammes de Hill, sont pris en compte avec succès. De plus, la dynamique non linéaire de l'actionneur est incluse dans le modèle mathématique complet.

  • Titre traduit

    Modeling and Control of Hydraulic Turbines for the Integration of Renewable Sources of Energy


  • Résumé

    Recently, renewable energy resources such as, wind and solar energy, have become integral parts of electric grids as clean energy alternatives to fossil fuels. However, the quality of production of such resources of energy depends on different uncertain factors, for instance, weather conditions. Therefore, dealing with the intermittent nature of renewable energy resources is one of the main challenges when using them on a larger scale. A possible solution to reduce the effects of energy resources intermittency on energy production and grid's stability, is to use energy storage technologies. Pumped storage power plants (PSPs) seem to be the unique clean storage method that can be used to counteract the intermittent nature of wind and solar energy. PSPs make use of pumps-turbines which are capable of working as pumps to store excess electric energy in the grid, and as turbines to generate electric energy, when more electric energy is needed. Thus, PSPs help in stabilizing the grid in the presence of intermittent renewable energy resources. The emphasis in this work is on turbine start-up operating mode for PSPs. In PSPs, the start-up operating mode is usually visited multiple times, as a result of switching back and forth between pumping and turbine modes. Thus, enhancing the performance of the speed governors used for starting-up becomes more important when dealing with PSPs to enable a rapid voltage recovery. This PhD thesis is part of the multidisciplinary INNOVHYDRO project that includes different laboratories and enterprises such as, GIPSA-lab where this thesis was prepared, G2Elab, GE and EDF. In this thesis, a controller architecture that takes into account the computational limitations of existing microcontrollers in use at GE, is proposed. It provides a solution to the problem of fast turbine start-up, while avoiding the excitation of sharp pressure oscillations. In addition, torque constraints are easily integrated to achieve smoother start-up, which reduces the fatigue of the mechanical components, resulting from repetitive start-up of turbines. Different approaches are proposed to tune the controller gains, while taking into account the nonlinear dynamics of the actuator used at GE. To begin with, a tuning methodology is outlined to guarantee the asymptotic stability and the closed-loop performance, while minimizing the guaranteed upper bound on the output tracking error. In addition, a systematic optimization approach is developed to select the controller gains to minimize time needed to get a stable start-up, while respecting maximum torque constraints. Moreover, randomized algorithms are used to choose the controller parameters such that robustness certificates are obtained on the resulting controller. Furthermore, a simulator has been developed for hydraulic power plants and used to test the proposed controller. The simulator constitutes of a system of continuous differential equations, which systematically model the behavior of the different components of the hydraulic power plant such as, penstocks, tunnels, reservoirs and surge tanks. In addition, the nonlinear behavior and unstable regions 'S-characteristics' of hydraulic turbines, usually modeled by Hill charts, are successfully taken into consideration. Moreover, the actuator's nonlinear dynamics are included in the overall mathematical model.