Soutenance mémoire
MODÉLISATION DU SYSTÈME VSC-HVDC À DEUX NIVEAUX
REVUE DE LA LITTÉRATURE
L’évolution future dans le monde risque cependant de modifier le besoin en puissance électrique et la durée d’utilisation d’une façon importante. C’est pourquoi, il convient de prévoir des transmissions hautes tension à courant continue pour éviter les surcharges des lignes électriques. La technologie haute tension à courant continu (CCHT) a été développée par l’ASEA dans les années 30 en Suède, comme application de transport de l’énergie électrique de grande puissance sur des longues distances. Le principe de fonctionnement peut être résumé comme suit : la puissance alternative fournie par une (ou plusieurs) source (s) d’énergie est dans un premier temps transformée en une puissance continue. Un convertisseur d’énergie CA/CC (redresseur) assure l’opération. La puissance continue transitée ensuite par l’intermédiaire d’un câble de transmission continue, un autre convertisseur d’énergie CC/CA (onduleur) transforme cette puissance continue en une puissance alternative. La puissance de sortie est délivrée au réseau urbain. Dernièrement, le Québec possède un très grand potentiel en énergie éolienne considéré comme deuxième système de production d’énergie électrique après la production hydroélectrique.
Le système CCHT peut être relié par des sources alternatives conventionnelles ainsi que par des sources d’énergies renouvelables. Par ailleurs, le système VSC-HVDC utilise une source d’énergie renouvelable (éolienne) qui a été réalisée dans le développement des semi-conducteurs de hautes puissances, en particulier avec l’apparition des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). La conception du convertisseur de puissance est basée sur la technologie d’électronique de puissance moyennant de deux à plusieurs convertisseurs de puissance (CA CC CA) et des lignes de transmissions en continu. En outre, plusieurs chercheurs ont proposé dans ce concept différentes topologies et différents contrôles. Dans notre mémoire, on décrit l’évolution de la recherche liée à ce domaine (Jin, Fletcher et O’Reilly, 2010; Keliang et al., 2008; Kong et Zhang, 2011) . Afin de valider le fonctionnement normal du système HVDC avec une source éolienne, on utilise pour la simulation le logiciel MATLAB (SimPower Systems) et même que des mises en défaillance, en garantissant un contrôle optimal.
Transmission CCHT
L’énergie électrique est généralement transportée par trois phases de courant alternatif (CA). Néanmoins, la recherche sur la technologie de transmission CC n’a jamais été abandonnée. Cependant, l’un des domaines d’intérêt était la soupape de mercure à vapeur, qui pourrait rectifier le courant alternatif afin de transmettre les puissances. Noter aussi que, le système CCHT peut porter plus de puissance par conducteur, parce que, pour une estimation de puissance donnée, la tension constante dans une ligne à CC est inférieure à la tension maximale dans une ligne à CA. Dans les années 70, les thyristors de forte puissance (Chinthavali, Tolbert et Ozpineci, 2004) ont été développés comme des vannes de mercure à arc. En effet, la tension des valves à thyristors peut être augmenté, simplement en connexion série des thyristors. Il était donc facile d’atteindre des puissances très élevées, ce qui signifiait un grand pas en avant pour la transmission CCHT. Entre autre, le thyristor à valves ne souffre pas des inconvénients de vannes de mercure à arc, telles que la nécessité de révisions fréquentes et des fuites de mercure. Après les années 70, une nouvelle technologie CCHT est née suite à l’apparition d’IGBT (Hirachi et al., 1996). D’ ailleurs, cette technologie a été introduite dans un bâtiment en tant que bloc principal des vannes d’une nouvelle génération de convertisseurs CCHT.
Le (IGBT) est maintenant employé en raison de sa commande qui est simple et de son coût plus réduit. La principale différence entre les thyristors et les transistors IGBT, vis-à-vis le fonctionnement du convertisseur de puissance, est la capacité de désamorçage (turn-off)(Bo et al., 2002) de ces derniers. Cette différence fondamentale a complètement révolutionné le système CCHT. Pourvu que, l’utilisation d’IGBT exige un changement complet de disposition, l’intégration et la conception des stations de conversion ont grandement élargie la gamme des applications de la transmission CCHT.
Principe de fonctionnement d’un générateur synchrone Machine synchrone : est une machine qui tourne à la vitesse de synchronisme, sachant que son champ magnétique du rotor doit être généré par le circuit d’excitation ou par aimants. Cela signifie que le champ magnétique est fixé par rapport au rotor dans l’état permanent qui impose une vitesse de synchronisation. À mentionner aussi que, la vitesse synchrone d’un générateur est fonction du nombre de pôles et la fréquence d’alimentation de la machine. La machine synchrone possède deux modes de fonctionnement, mode génératrice, qui produit le courant électrique, et mode moteur qui fait tourner le rotor. La puissance de la machine varie de quelques Watts pour les moteurs jusqu’à plusieurs mégawatts pour les générateurs de grandes puissances. On distingue deux grandes parties dans la machine : d’une part, le stator, qui est une armature fixe et portant des enroulements triphasés en produisant un champ magnétique, créant ainsi un couple électromécanique. D’une autre part, le rotor mobile qui tourne à l’intérieur du stator et génère le champ d’induction. Cependant, il existe trois types de rotor : les rotors à aimant permanent, les rotors bobinés à pôles lisses, et les rotors bobinés à pôles saillants.
CONCLUSION GENERALE
L’augmentation en besoin de l’énergie électrique à base des éoliennes offshore, sa libération et sa mondialisation, exigeant un développement du système VSC-HVDC dans les dernières décennies a suscité un intérêt énorme dans la recherche. Dans notre mémoire, nous avons utilisé le système VSC-HVDC offshore à base d’IGBT à trois niveaux point neutre calé (NPC) et MLI (PWM), ce qui rend le contrôle des grandeurs de sortie du convertisseur plus facile. Cette flexibilité, de contrôle, permet d’avoir un certain nombre d’avantages du système VSC-HVDC offshore. Afin d’utiliser pleinement la capacité des VSC-HVDC, le contrôle de la puissance et de la tension de bus continu a été utilisé en augmentant la performance et le rendement du système. L’utilisation de synchronisation entre le parc éolien et le système de transmission VSC-HVDC rend le système efficace et améliore les signaux au cours de la transmission. Les principales contributions de ce mémoire sont les suivantes :
développement d’un modèle détaillé du système VSC-HVDC à trois niveaux avec utilisation des autres systèmes de modulation;
conception et mise en oeuvre du système de transmission VSC-HVDC connecté aux deux réseaux, l’un infini et l’autre privé, afin de comprendre leur comportement fonctionnel dans l’état dynamique, transitoire et de défaut.
Les résultats des simulations du système VSC-HVDC avec une stratégie de contrôle simple et efficace montrent le bon fonctionnement du système, durant toutes les phases opérationnelles. Nous constatons ainsi que :
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Table des matières
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Systèmes CCHT et CAHT
1.2.1 Choix et comparaison entre les systèmes CCHT/CAHT
1.2.2 Avantage d’un système de transmission à CC à haute tension
1.2.3 Transmission CCHT
1.2.4 Convertisseurs de puissances
1.3 Systèmes de conversion d’énergie
1.3.1 Système convertisseur à commutateur LCC (Line Commutated Converters)
1.3.2 Système VSC (Voltage Source Converter)
1.3.3 Configurations d’une transmission à courant continu sous plusieurs catégories
1.3.4 Systèmes CC dos à dos (Back -to- Back)
1.3.5 Transmission de l’énergie à CC entre deux terminaux
1.3.6 Transmission multi-terminale
1.4 Convertisseur source de tension (VSC-HVDC)
1.4.1 Topologies des convertisseurs
1.4.1.1 Topologie à deux niveaux
Avantages et Inconvénient de la topologie à deux niveaux
1.4.1.2 Convertisseur multi-niveaux (diode serrée) Avantages de la technologie à multi-niveaux Inconvénients de la topologie multi-niveaux
1.4.1.3 Topologie des condensateurs flottante
1.5 Source d’énergie renouvelable éolienne
1.5.1 Introduction
1.5.2 Faisabilité de parc éolien offshore
1.5.2.1 Étude technique
1.5.2.2 Étude d’impact
1.5.2.3 Financement et la maintenance
1.5.3 Principe de fonctionnement
1.5.4 Mise en service d’éolienne
1.5.5 Types des turbines éoliennes
1.5.5.1 Turbines éoliennes à axe vertical
1.5.5.2 Turbines éoliennes à axe horizontal
1.6 Machines électriques
1.6.1 Principe de fonctionnement d’un générateur asynchrone
1.6.1.1 Générateur asynchrone à rotor bobiné (WRIG)
1.6.1.2 Générateur asynchrone à cage d’écureuil (SCIG)
1.6.1.3 Générateur asynchrone à double alimentation
1.6.2 Principe de fonctionnement d’un générateur synchrone
1.6.2.1 Machine à pôle lisse
1.6.2.2 Machine à pôles saillants
1.6.2.3 Machine synchrone à aimant permanent
1.7 Taux de pénétration du vent
1.8 Carte conceptuelle du système VSC-HVDC offshore
1.9 Conclusion
CHAPITRE 2 HVDC LIGHT
2.1 Introduction
2.2 Parc éolien et HVDC Light
2.3 Stabilité de HVDC Light
2.4 Éléments de HVDC Light
2.4.1 Transformateur
2.4.2 Réactances en phase
2.4.3 Condensateurs CC
2.4.4 Convertisseurs d’électronique de puissance
2.4.5 Ligne de transmission sous-marine
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DU SYSTÈME VSC-HVDC À DEUX NIVEAUX
3.1 Introduction
3.2 Configuration du système
3.3 Modélisation des convertisseurs
3.3.1 Principe de fonctionnement de convertisseur avec MLI
3.3.2 PLL (Phase Locked Loop)
3.3.3 Régulation de courant
3.3.4 Contrôle de tension à CC
3.3.5 Contrôle du convertisseur (VSC-HVDC)
3.4 Système VSC-HVDC à trois niveaux
3.4.1 Introduction
3.4.2 Le convertisseur à trois niveaux à point neutre calé (NPC)
3.4.3 Commande par MLI du convertisseur à trois niveaux
3.4.4 Comparaison entre convertisseurs à deux et à trois niveaux
3.5 Simulation et discussion
3.5.1 Simulation de système VSC-HVDC à deux niveaux
3.5.2 Simulation de système VSC-HVDC à trois niveaux (NPC)
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET CONTRÔLE DE L’ÉOLIENNE
4.1 Introduction
4.2 Modélisation de système générateur éolienne
4.3 Modèle du vent
4.3.1 Modèle aérodynamique
4.3.2 Loi de Betz
4.4 Modèle de la turbine
4.4.1 Le coefficient de puissance (Coefficient d’efficacité du transfert aérodynamique)
4.4.2 Angle de calage (Pitch angle)
4.4.3 Réducteur de vitesse (Drive Train)
4.4.4 Extraction de la puissance maximale (MPPT)
4.5 Modélisation de la machine synchrone
4.5.1 Introduction
4.6 Équations de la machine synchrone
4.6.1 Équations de la machine synchrone
4.6.2 Modélisation dans le plan dq de la machine
4.7 Commande de la machine synchrone
4.7.1 Modulation MLI
4.7.2 Contrôle de la machine synchrone
4.8 Résultats de simulation
4.9 Conclusion
CHAPITRE 5 MODÉLISATION ET CONTRÔLE DE VSC-HVDC
5.1 Introduction
5.2 Composants de VSC-HVDC offshore
5.2.1 Éolienne offshore
5.2.2 Réactance
5.2.3 Transformateur
5.2.4 Filtre
5.2.5 Condensateurs à CC
5.2.6 Câble à CC
5.3 Topologie proposée
5.4 Avantage et principe de fonctionnement du convertisseur PNC (NPC)
5.4.1 Rôle du point neutre
5.4.2 Technique de modulation MLI (PWM)
5.4.3 Application de MLI sur les convertisseurs
5.5 Modélisation du redresseur
5.5.1 Modélisation du redresseur dans le repère (abc)
5.5.2 Modélisation de circuit à CC
5.6 Contrôle du système
5.6.1 Conception du régulateur de courant
5.6.2 Régulateur de tension CC
5.6.3 Boucle de régulation de la tension CC
5.6.4 Modélisation de filtre LCL
5.6.5 Bloc de commande de convertisseur VSC (redresseur)
5.6.6 Bloc de commande de convertisseur VSC (onduleur)
5.7 Transmission Multi-terminal CC
5.8 Simulation et analyse
5.8.1 Réponse dynamique et en régime permanent
5.8.2 Défaut au système de transmission à courant continu
5.8.3 Simulation et interprétation de système multi-terminal
5.9 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE I PARAMETRES DE LA GÉNÉRATRICE ET DE LA TURBINE ÉOLIENNE
ANNEXE II PARAMÉTRES DE SYSTÈME VSC-HVDC OFFSHORE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUE
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