Synchronous Machine Modeling Precision and Efficiency in Electromagnetic Transients

L'objectif principal de cette thèse est l'élaboration d'une méthode de modélisation de la machine synchrone plus performante et plus précise, et des algorithmes pour le calcul et la solution des transitoires électromagnétiques. Le pas d'intégration numérique est un facteur clef pour ces aspects. La possibilité d'utiliser des pas plus grands permet d'augmenter la vitesse des calculs et donc d'étendre le champ d'application des méthodes de type électromagnétique. Cette thèse propose quatre modèles de façon à améliorer la précision du modèle dq0 classique tout en maintenant son efficacité. Trois de ces modèles utilisent le dq0 avec une précision accrue de la modélisation. Parmi les modèles précis se retrouve le dq0 avec des pas d'intégration intermédiaires. L'efficacité est maintenue par la restriction du modèle à l'usage durant des intervalles transitoires, là où la précision du modèle classique dq0 diminue. Ces modèles fournissent une modélisation précise tout en maintenant la vitesse du dq0 classique. Cependant, ils sont conçus spécialement pour les cas typiques d'étude de stabilité transitoire de réseau, et leur précision se détériore quand l'exactitude du modèle est nécessaire pour une grande partie de l'intervalle de simulation complète. Le meilleur modèle nommé PD-dq0 est obtenu en appliquant la transformation de ‘'Park'' aux équations discrétisées dans le domaine des phase. Les études d'évaluation de la précision et de l'efficacité démontrent que le modèle PD-dq0 est supérieur aux autres modèles proposés dans la littérature. L'analyse de précision est effectuée avec les contraintes de précision du réseau environnant. Donc, ce travail contribue également à une meilleure évaluation de la précision numérique et de l'efficacité des engins de simulation étudiés.

Abstract

The main objective of this dissertation is the establishment of more efficient and more precise synchronous machine modeling approaches and solution algorithms for the computation of electromagnetic transients (EMT). Numerical integration time step size is a key factor in both aspects. The capability to use larger time steps in EMT-type simulation methods also contributes to the extension of such methods into the efficient simulation of electromechanical transients. In this thesis, four new models are proposed in order to improve the precision of the classical dq0 model while maintaining its efficiency. Three of them use the classical dq0 model with increased accuracy. The most accurate models are: dq0 with internal intermediate time step usage, phase-domain and voltage behind reactance. Efficiency is maintained by restricting the accurate model usage to the transient intervals where the precision of the classical dq0 formulation decreases. This approach provides accuracy while maintaining classical dq0 computational speed. However, these three models are designed for typical transient stability cases and their performance deteriorates when the accurate model usage is needed for a large portion of the complete simulation interval. The last forth model proposed in this thesis is obtained by applying Park's transformation to the discretized equations of the phase-domain model. This model maintains the precision of the phase-domain model and eliminates its computational inefficiencies through a constant admittance matrix. Unlike the first three models, its efficiency does not change with simulated system and phenomenon. Precision and efficiency assessment studies demonstrate that this model is superior in both aspects and should be chosen for the computation of both electromagnetic and electromechanical transients in the same computational framework.