Approches pour la réduction de l'impact de défaut dans le transport d'énergie du parc éolien offshore via VSC-HVDC

Résumé

Dans ce travail est présenté un système de génération d’énergie d’un parc éolien offshore et un système de transport utilisant les stations VSC-HVDC connectées au réseau principal AC onshore. Trois configurations ont été étudiées, modélisées et validées par simulation. Dans chacune des configurations, des contributions améliorant les côtés techniques et économiques sont décrites ci-dessous : La première contribution concerne un nouvel algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) utilisé pour l’extraction de la puissance maximale disponible dans les éoliennes des parcs offshores. Cette technique d’extraction du MPPT améliore le rendement énergétique de la chaîne de conversion des énergies renouvelables notamment l’énergie éolienne à petite et à grande échelles (parc éolien offshore) qui constitue un problème pour les constructeurs qui se trouvent confrontés à développer des dispositifs MPPT simples, moins coûteux, robustes, fiables et capable d’obtenir un rendement énergétique maximal. La deuxième contribution concerne la réduction de la taille, du coût et de l’impact des défauts électriques (AC et DC) dans le système construit pour transporter l’énergie d’un parc éolien offshore (OWF) vers le réseau principal AC onshore via deux stations 3L-NPC VSCHVDC. La solution développée utilise des observateurs non-linéaires basés sur le filtre de Kalman étendu (EKF). Ce filtre permet d’estimer la vitesse de rotation et la position du rotor de chacune des génératrices du parc éolien offshore et de la tension du bus DC de l’onduleur DC-AC offshore et des deux stations 3L-NPC-VSC-HVDC (offshore et onshore). De plus, ce développement du filtre de Kalman étendu a permis de réduire l’impact des défauts AC et DC. Deux commandes ont été utilisées, l’une (commande indirect dans le plan abc) avec EKF intégré destinée pour contrôler le convertisseur DC-AC offshore et l’autre (commande d-q) avec EKF intégré pour contrôler les convertisseurs des deux stations AC-DC et DC-AC tout en tenant compte des entrées de chacune des stations. L’intégration des observateurs non-linéaires (EKF) dans le contrôle des convertisseurs permet de résoudre le problème des incertitudes de mesure, des incertitudes dans la modélisation, en cas du dysfonctionnement ou de panne des capteurs de mesure ainsi que le problème de l’impact des défauts (AC et DC) sur la qualité d’énergie dans les systèmes de transmission. Ces estimations contribuent à rendre le coût global du système moins cher et sa taille moins encombrante ainsi que la réduction de l’impact des défauts (AC et DC) sur le système. La troisième contribution concerne la réduction de la taille, du coût et de l’impact des défauts électriques (AC et DC) dans le système construit pour transporter l’énergie d’un parc éolien offshore (OWF) vers le réseau principal AC onshore via deux stations VSC-HVDC. La solution développée utilise des observateurs non-linéaires basés sur le filtre de Kalman étendu (EKF). Ce filtre permet d’estimer la vitesse de rotation et la position du rotor de chacune des génératrices du parc éolien et de la tension du bus DC de l’onduleur DC-AC offshore. La contribution porte surtout sur le développement des deux commandes des deux stations. La première, la commande non-linéaire modifiée pour contrôler le premier convertisseur de la station VSC-HVDC offshore assurant le transfert de la puissance générée par le parc éolien vers la station VSC-HVDC onshore. La deuxième commande non-linéaire modifiée avec intégration de la régulation de la tension du bus DC et de la commande à modèle de référence adaptative (MRAC) pour la compensation des surintensités et surtensions durant les défauts AC et DC. On peut constater que lors d’un défaut AC au PCC (Point of Common Coupling) du côté réseau onshore, la profondeur de l’impact du défaut AC sur l’amplitude des courants du réseau principal AC onshore qui était réduit à 60% par les travaux de recherche (Erlich, Feltes et Shewarega, 2014), comparativement à la nouvelle commande proposée MRAC qui réduit la profondeur de l’impact à 35%. Lors de l’apparition des défauts AC et DC, une réduction de l’impact des défauts sur l’amplitude des courants de réseau AC terrestre et du temps de réponse a été observée et la stabilité du système a été renforcée par l’utilisation de la commande adaptative basée sur le modèle de référence MRAC. La quatrième contribution concerne une nouvelle commande basée sur le mode de glissement (SM) appliquée pour la station VSC-HVDC qui relie le parc éolien offshore (OWF) au réseau principal AC. Ce parc est composé de dix éoliennes basées sur des génératrices synchrones à aimant permanent (VSWT/PMSGs) connectées en parallèle et chacune est contrôlée par son propre convertisseur DC-DC. Une comparaison des performances entre la commande SM et de la commande non-linéaire avec des contrôleurs PI pour les deux conditions (présence et absence de défaut DC) a été analysée et montre la supériorité de la commande par SM. Un prototype du système étudié à échelle réduite a été réalisé et testé au laboratoire GRÉPCI en utilisant la carte dSPACE-DS1104 pour la validation expérimentale. L’analyse et la simulation des systèmes étudiés sont développées sous l’environnement Matlab/Simulink/Simpowersystem. Les résultats obtenus à partir des configurations développées sont validés par simulation et par expérimentation. Les performances sont très satisfaisantes du point de vue réponse dynamique, réponse en régime permanent, stabilité du système et qualité de l’énergie.

Date	12 oct. 2016
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ambrish Chandra (Directeur(-trice))