Convertisseurs de puissance avec stockage d'énergie intégré pour réseaux haute tension à courant continu - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Modular multilevel converters with integrated energy storage systems for high voltage direct current grids

Convertisseurs de puissance avec stockage d'énergie intégré pour réseaux haute tension à courant continu

Résumé

Owing to the growth of renewable energy sources and the liberalization of the electricity market, it is increasingly difficult to ensure a cheap, secure and sustainable supply of the electrical energy. The massive introduction of intermittent sources, geographically spread, and the increasing power that have to be transferred through transmission lines have imposed new constraints on the existing alternating current power transmission network. These problems emphasize the limitation of the existing technologies and call for the reinforcement of the high voltage power system. In this perspective, High Voltage Direct Current (HVDC) links have appeared as an attractive solution to transmit more power across long distances in a more economical and environmentally friendly way. This situation have been enabled by the remarkable advances in power electronics that lead to the increasing deployment of the Modular Multilevel Converter (MMC). In comparison with the conventional topologies, its structure no longer relies on the series connection of power semiconductors devices for blocking high voltage. On the contrary, it consists in a set of identical power converters with a low capacitive storage, the so-called submodules (SM). A new degree of freedom is brought in terms of control since the internally stored energy is split inside the converter in a distributed manner. This asset is further increased if an energy storage solution is added. By increasing the energy capacity of the converter, it can not only ensure its proper operation but also offer a suitable solution to the needs of ancillary services expressed by grid operators to enable maintaining the stability of the grid. This thesis focuses on the opportunity to integrate energy storage systems inside a modular multilevel converter with the aim at tackling the challenges of resiliency and reliability of the electricity transmission network. First, an overview of the context and a state of the art are presented to highlight the framework of these research works. Then, the modelling and the control principles of the modular multilevel converter are exposed. The use of the degree of freedom brought by the control of the internal energy of the converter to provide ancillary services, thanks to the integration of energy storage systems, is studied. In the same way, the opportunity to partially distribute energy storage systems within the converter and the influence on converter components are analysed. The second part of this thesis addresses the practical considerations about the insertion of an additional energy storage device, here supercapacitors, in a sub-module. With this aim in mind, a comprehensive review of the different interface solutions proposed in the literature is presented. A general methodology to evaluate the comparison of these diverse topologies is developed. From this study, an novel interface converter, suitable for these high voltage applications and economically attractive, is presented. Then, its model is detailed. This chapter also presents an appropriate control methods allowing a good energy management and minimal interactions with the overall control of the converter. Simulation and experimental results validate the proposed control strategy. Finally, the reliability and the availability of such a solution are evaluated. An assessment of performance degradation of energy storage systems, under a specific mission profile, during the life expectancy of HVDC converters is done. In this perspective, to define the availability of an energy storage function over time and the maintenance policy to consider, Monte Carlo simulations, that estimate the expected value of a random variable by generating a large number of sample according to a given probability law, are performed. They allowed to take into account the high modularity of the converter and the natural dispersions among the characteristics of thousands of energy storage devices that are integrated
L’introduction de ressources intermittentes, géographiquement dispersées, et l’augmentation des puissances sur les lignes de transmission ont imposé de nouvelles contraintes sur les réseaux de transport à courant alternatif. Ces problématiques ont exposé les limites des technologies existantes et le besoin de renforcer les infrastructures des systèmes à très haute tension. Dans cette perspective, les réseaux à courant continu haute tension (HVDC) sont une alternative technique et économique attrayante pour transporter des puissances plus importantes sur de plus longues distances. Cette situation est rendue possible grâce aux progrès de l’électronique de puissance, qui ont conduit à l’essor des convertisseurs modulaires multi-niveaux (MMC). En comparaison avec les topologies conventionnelles, leur structure n’utilise pas la mise en série complexe de composants de puissance pour tenir des tensions élevées. À l’inverse, elle repose sur la mise en série de convertisseurs élémentaires avec un stockage de faible capacité, appelés sous-modules (SM), fonctionnant à des tensions beaucoup plus faibles. En distribuant l’énergie stockée, un nouveau degré de liberté est obtenu en termes de contrôle. Cette caractéristique peut être renforcée, si une solution de stockage de l’énergie électrique y est associée pour décupler la capacité énergétique du convertisseur. Il pourra ainsi répondre aux besoins de services système exprimés par les opérateurs réseaux. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’intégration de systèmes de stockage de l’énergie au sein de convertisseurs modulaires multi-niveaux en vue de répondre aux challenges de résilience et de fiabilité des réseaux d’interconnexion et de transport de l’énergie électrique. Dans un premier temps, une introduction du contexte et un état de l’art sont présentés avec pour objectif de cerner le cadre dans lequel s’inscrivent ces travaux de recherche. Ensuite, nous exposons la modélisation et la commande de convertisseurs modulaires multi-niveaux. L’usage du degré de liberté offert par la commandabilité de l’énergie interne pour fournir des services système grâce à l’intégration de systèmes de stockage de l’énergie est étudié. De même, nous analysons l’opportunité de réaliser une distribution partielle des éléments de stockage de l’énergie à l’intérieur du convertisseur ainsi que leur influence sur les éléments dimensionnants. La seconde partie aborde les problématiques d’intégration des éléments de stockage de l’énergie, ici des supercondensateurs, directement au sein d’un sous-module. Pour ce faire, une vue d’ensemble des solutions d’interface émergentes de la littérature est donnée. Puis, une méthodologie de dimensionnement, permettant de comparer les structures retenues, a été développée. Par la suite, une topologie innovante, adaptée pour ces applications à haute tension et économiquement avantageuse, est présentée. Enfin, son modèle est développé tout comme les lois de commande associées pour garantir une gestion énergétique correcte avec un minimum d’interaction avec la commande globale du convertisseur modulaire multi-niveaux. Des simulations et une validation expérimentale valident les stratégies proposées. Finalement, la fiabilité et la disponibilité d’une telle solution est évaluée. Une étude sur la dégradation des performances des éléments de stockage de l’énergie, selon un profil de mission donné, au cours de la période d’exploitation du convertisseur a été réalisée en premier lieu. Dans la perspective de définir la disponibilité d’une fonction de stockage de l’énergie au fil du temps ainsi que la stratégie de maintenance à adopter, des simulations de Monte Carlo, permettant d’estimer l’espérance d’une variable aléatoire en générant un grand nombre d’échantillons selon une loi de probabilité donnée, ont été effectuées. Elles ont permis de tenir compte de la haute modularité du convertisseur et des dispersions entre les milliers d’éléments de stockage de l’énergie le composant
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03309896 , version 1 (30-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03309896 , version 1

Citer

Florian Errigo. Convertisseurs de puissance avec stockage d'énergie intégré pour réseaux haute tension à courant continu. Energie électrique. Université de Lyon, 2020. Français. ⟨NNT : 2020LYSE1174⟩. ⟨tel-03309896⟩
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