Vers un fonctionnement îloté des réseaux de distribution soutenu par des centrales photovoltaïques

Towards the islanding operation of distribution grids sustained by photovoltaic units

• Auteur / Autrice : Maria de la Candelaria Utrilla Bustamante
• Direction : Nouredine Hadj-Said
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Systèmes et réseaux électriques (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yves Lembeye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Alonso, Johan Driesen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Distribution

Systèmes photovoltaïques

Électrification photovoltaïque

Mots clés libres

Centrales photovoltaïques

Îlotage

Réseaux de distribution

Statisme

Fppt

Photovoltaic plants

Islanding

Distribution grids

Droop control

Fppt

Résumé

La pénétration accrue des ressources énergétiques distribuées ouvre la possibilité d'exploiter certaines zones du réseau de distribution en mode îloté, ce qui peut aider les gestionnaires de réseaux de distribution (GRD) à améliorer la fiabilité et la résilience de leurs réseaux. Cette thèse traite de l'îlotage temporaire des réseaux de distribution à forte pénétration photovoltaïque (PV), dans le but de fournir aux GRD de nouvelles connaissances pour concevoir une solution nécessitant des modifications matérielles minimales. Nous avons donc étudié comment adapter les schémas de contrôle des unités PV existantes, afin qu'elles puissent permettre le fonctionnement d'un microréseau îloté lorsque le réseau principal n'est pas disponible. Plus précisément, deux questions principales ont été étudiées. Premièrement, comment remplacer le schéma de contrôle traditionnel de l'unité PV par un schéma permettant de réguler la tension et la fréquence du microréseau (i.e., contrôle « grid-forming ») et d'adapter la production de la matrice PV à la puissance active demandée dans le microréseau (i.e., contrôle « power-limiting »). Deuxièmement, comment parvenir à un partage adéquat et sans communication de la demande de puissance active entre plusieurs unités PV, en modifiant la formulation traditionnelle du statisme P/ω afin qu'il s'adapte à l'intermittence de la ressource PV. Pour répondre à la première question, nous avons développé un modèle simplifié pour le côté dc d'une unité PV à deux étages et soumise à un contrôle de type « power-limiting ». Ce type de contrôle comprend généralement des régulateurs avancés et hautement non linéaires, qui sont difficiles à mettre en oeuvre et ne peuvent pas être facilement introduits dans des analyses de stabilité traditionnelles. La force de ce modèle est qu'avec son architecture volontairement simple et linéarisable, il est capable de reproduire la réponse typique du système aux changements de la référence de puissance PV et de l'irradiation. Concernant la deuxième question, nous avons effectué une analyse approfondie, basée sur la simulation, des principales stratégies de statisme P/ω adaptatif proposées dans la littérature. A notre connaissance, cette analyse n'a pas été faite auparavant. À la lumière de cette analyse, une nouvelle stratégie de statisme P/ω adaptatif a été conçue, qui est mieux adaptée au cas d'utilisation traité et qui surmonte les limites observées avec les stratégies trouvées dans la littérature. La stratégie proposée a été évaluée par des simulations et sur un banc expérimental. En outre, nous avons étudié comment elle influence les dynamiques dominantes d'un microréseau îloté.

The increased penetration of distributed energy resources opens up the possibility of operating certain distribution grid areas in islanded mode, which can help distribution system operators (DSOs) improve the reliability and the resilience of their grids. This thesis addresses the temporary islanded operation of distribution grids with high photovoltaic (PV) penetration, with the aim of providing DSOs with new knowledge to conceive a solution requiring minimal hardware modifications. We have therefore studied how to adapt the control schemes of existing PV units, in order for them to sustain the operation of an islanded microgrid when the main grid is not available. More precisely, two main questions have been investigated. First, how to substitute the traditional PV unit control scheme by one allowing to regulate the microgrid ac voltage and frequency (i.e., grid-forming control) and to adapt the PV array production to the active power demanded in the microgrid (i.e., power-limiting control). Second, how to achieve a communication-less and adequate sharing of the active power demand among multiple PV units, by redesigning the traditional P/ω droop control formulation so that it adapts to the intermittency of PV power. Regarding the first question, we have developed a simplified model for the dc side of a double stage PV unit subject to power-limiting control. This kind of control typically includes advanced and highly nonlinear controllers, which are difficult to implement and can not be easily introduced in traditional stability analyses. The strength of this model is that, with a deliberately simple and linearizable architecture, it is able to reproduce the typical response of the system to both changes in the PV power reference and in the irradiation. Regarding the second question, we have conducted a thorough simulation-based analysis of the main adaptive P/ω droop strategies proposed in the literature which, to the best of the author's knowledge, has never been conducted in the past. In light of this analysis, a novel adaptive P/ω droop strategy has been designed, which is better suited for the addressed use case and which overcomes the downturns observed in the strategies proposed in the literature. The proposed strategy has been evaluated through simulations and in an experimental bench. Additionally, we have studied how it influences the dominant dynamics of an islanded microgrid.