SOUTENANCE DE THESE
3/07/2015
BERGNA DIAZ Gilbert 3/07/15 CentraleSupélec à 14h.

SUJET :
Conception d'une commande adaptée pour le convertisseur modulaire multiniveaux
Modular Multilevel Control for HVDC Operation – Optimal Shaping of the Circulating Current Signal for Internal Energy Regulation

Thèse préparée à : CentraleSupélec – Labo : Geeps /Pole System (ECO2)/ Equipe Supélec Science et Systèmes ; en co-tutelle internationalle avec NTNU (Norwegian University of Science and Technology)/ Department of Electric Power Engineering

Directeur de Thèse Jean-Claude Vannier et Marta Molinas
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)

FOSSO Olav
GUILLAUD Xavier
LABOURE Eric
PIETRZAK-DAVID Maria
SADARNAC Daniel
SAEEDIFARD Maryam

RESUME

Dans le cadre du programme de croissance Européen 2020, la commission européenne a mis en place officiellement un chemin à long terme pour une économie à faible émission de carbone, en aspirant une réduction d’au moins 80% des émissions de gaz à effet de serre, d’ici 2050. Répondre à ces exigences ambitieuses, impliquera un changement majeur de paradigme, et notamment en ce qui concerne les infrastructures du réseau électrique. La forme du futur réseau électrique sera inévitablement caractérisée par sa capacité d’intégrer différentes sources d’énergies renouvelables à grande échelle : à partir de sources d’énergies offshore comme les parcs éoliens, ainsi que des sources terrestres, comme par exemple l’énergie solaire photovoltaïque (PV) et concentrée (CSP), l’énergie géothermique, etc. De plus, des projets d’interconnexion des réseaux électriques européens avec ceux des pays voisins (Afrique du Nord, Moyen-Orient, Russie, etc.) sont à l’étude afin de faciliter l’accès aux sources d’énergie renouvelable et en accroitre le foisonnement sur le réseau électrique. Enfin, la pénétration des sources d’énergie distribuées jouera un rôle crucial dans la mutation du réseau électrique à moyen et long terme.

Indépendamment du développement de systèmes de production d’électricité décentralisés, facilité par l’émergence de smart grids, il est fort probable que des infrastructures de transport d’électricité à haute tension auront un rôle crucial à jouer, dans l’optique de transmettre de l’énergie renouvelable à grande échelle et sur des longues distances, jusqu’ aux centres de consommation importants, comme la plupart des grandes villes européennes. Il demeure difficile d’envisager une approche ne combinant pas de manière optimale ces deux paradigmes (centralisée / décentralisée).
En ce qui concerne le réseau de transport, le réseau paneuropéen ou SuperGrid, il n’existe plus de barrières technologiques à une telle réalisation puisque les liaisons haute tension `a courant continu (HVDC) basés sur la technologie des convertisseurs à sources de tension ont ouvert la voie à la gestion d’un tel réseau.
Les percées dans la technologie des semi-conducteurs et les avancées avec les nouvelles topologies d’électronique de puissance et leurs contrôle-commandes, ont contribué à l’impulsion donnée au processus en cours de réaliser un tel SuperGrid.

Une percée technologique majeure a eu lieu en 2003, avec le convertisseur modulaire multi-niveaux (MMC ou M2C), présenté par le professeur Marquardt, et qui est actuellement la topologie d’électronique de puissance la plus adaptée pour les stations HVDC. En effet, le MMC offre de nombreux avantages par rapport à ses prédécesseurs, tels que la diminution des pertes de commutation et du stress sur les modules de puissance, la structure modulaire facilite son fonctionnement et son exploitation, son adaptabilité technique au réseau HVDC, et ses faibles exigences de filtrage, pour en nommer quelques-uns.

Cependant, cette structure de conversion introduit également un certain nombre de défis relativement complexes tels que les courants “additionnels” qui circulent au sein du convertisseur, entraînant des pertes supplémentaires et un fonctionnement potentiellement instable. En outre, le MMC a comme exigence spécifique l’équilibrage de l’énergie capacitive stockée dans ses différents bras, en même temps que le transfert de la puissance entre les réseaux alternatif et continu auxquels il est connecté. Ce projet de thèse vise à concevoir des stratégies de commande “de haut niveau” pour contrôler le MMC adaptées pour les applications à courant continue-haute tension (HVDC), dans des conditions de réseau AC équilibrés et déséquilibrés. La stratégie de commande optimale identifiée est déterminée via une approche pour la conception du type “de haut en bas”, inhérente aux stratégies d’optimisation, où la performance souhaitée du convertisseur MMC donne la stratégie de commande qui lui sera appliquée. Plus précisément, la méthodologie d’optimisation des multiplicateurs de Lagrange est utilisée pour calculer le signal minimal de référence du courant de circulation du MMC dans son repère naturel, capable simultanément de :
• réguler avec succès les énergies stockées dans les bras du convertisseur
• réduire les pertes et les variations de tension des condensateurs
• découpler efficacement les oscillations de puissance qui auraient lieu sur le réseau AC en cas de déséquilibres et les empêcher de se propager côté DC.
Les travaux de recherche de cette thèse ont été développés en tenant compte de deux
paradigmes principaux: la nécessité d’une nouvelle philosophie de commande pour le MMC entièrement dans son repère naturel (coordonnées abc) et une méthode pour assurer la stabilité asymptotique globale visant à des applications multi-terminales. Les deux posent de nouveaux défis importants pour la commande et la sécurité du fonctionnement d’un éventuel SuperGrid. En effet, résoudre complétement tous ces défis au sein d’une seule thèse de doctorat est illusoire. Par conséquent, l’accent a été mis sur quatre tâches principales:
1. calcul de la référence optimale pour le courant circulant du MMC en utilisant la méthode des multiplicateurs de Lagrange, en coordonnées de phases “abc”;
2. commande linéaire du courant circulant en boucle fermée dynamiquement performante;
3. utilisation du convertisseur MMC comme pare-feu pour les oscillations en puissance;
4. stabilisation du convertisseur MMC via l’emploi de commandes passives;

L’étude et l’analyse théorique ont été complétées par des simulations avec Matlab / Simulink, EMTP et OPAL-RT, et validées sur un prototype expérimental de convertisseur MMC.