Modélisation du comportement transitoire des génératrices distribuées raccordées au réseau électrique de distribution à l'aide de convertisseurs

Ce mémoire contribue à améliorer l'état de la science concernant l'introduction de sources d'énergies décentralisées dans les réseaux de distribution. Étant donné que le nombre de génératrices distribuées raccordées au réseau électrique de distribution à l'aide de convertisseurs - panneaux solaires et éoliennes - ne cesse d'augmenter, il est important d'étudier leur comportement transitoire pour s'assurer que ces nouvelles connexions ne détériorent pas la qualité du réseau. L'objectif de ce mémoire est donc de modéliser le comportement transitoire de ces génératrices dans le logiciel de simulations électriques EMTP. Deux modèles sont développés : un modèle de parc solaire triphasé et un modèle de génératrice photovoltaïque monophasée. Le modèle de parc solaire est inspiré du modèle de parc éolien déjà présent dans EMTP. Le modèle de génératrice photovoltaïque monophasée est créé de toute pièce dans le but de reproduire le comportement d'un onduleur commercial disponible au laboratoire. Le modèle de parc solaire est employé dans une étude d'impacts : après avoir validé sa stabilité numérique, il est introduit dans un réseau de distribution afin d'observer les impacts de l'augmentation de la production décentralisée. Un nombre croissant de parcs solaires est introduit dans le réseau où un même défaut est appliqué à chaque simulation. Cette étude met en évidence la sensibilité des pertes, du profil de tension et de l'équilibre du réseau par rapport à l'augmentation de la production décentralisée. Il est donc important de mener des études préliminaires pour s'assurer que le réseau peut accepter de nouvelles connexions. Il est également observé que les courants de défauts sont sujets à une faible augmentation lorsque la production décentralisée augmente. Ceci vient légèrement détériorer la coordination de protection. Le modèle de génératrice photovoltaïque monophasée est comparé à des relevés expérimentaux du comportement d'un onduleur commercial. Il est configuré en interne pour reproduire le plus précisément possible le comportement observé. Les résultats indiquent que le comportement en régime établi est correctement reproduit. Le dispositif expérimental ne permettant pas d'appliquer des défauts de manière instantanée, il n'est pas certain que le comportement soit identique durant les millisecondes où le défaut est appliqué parce que les mesures ne sont pas disponibles. Une perspective d'amélioration pour le modèle est de travailler dans un environnement de test plus contrôlé afin d'obtenir de meilleurs relevés expérimentaux. Il est par exemple suggéré de travailler avec le logiciel de simulation en temps réel Hypersim couplé à des amplificateurs de puissance.

Abstract

This dissertation further advances the state of science with regard to the integration of decentralized energy sources into distribution networks. Since the number of distributed generators connected to the distribution grid using converters - solar panels and wind turbines - is steadily increasing, it is important to study their transient behavior to ensure that these new connections do not deteriorate the network quality. Hence the objective of this thesis is to model the transient behavior of these generators in the EMTP electrical simulations software. Two models are developed: a three-phase solar park model and a single-phase photovoltaic generator model. The solar park model is inspired by the wind farm model already available in EMTP. The single-phase photovoltaic generator model is created from scratch to reproduce the behavior of a commercial inverter available in the laboratory. The solar park model is used in an impact study: after the validation of its numerical stability, it is introduced in a distribution network in order to observe the impacts of the increase in decentralized production. An increasing number of solar parks are introduced into the network where the same fault is applied at each simulation. This study highlights the sensitivity of the losses, the voltage profile and the balance of the network with respect to the increase in decentralized production. It is therefore important to conduct preliminary studies to ensure that the network can accept new connections. It is also observed that the fault currents are subject to small increases when the decentralized generation increases. This slightly deteriorates the protection coordination. The single-phase photovoltaic generator model is compared with experimental measurements of the behavior of a commercial inverter. It is internally configured to reproduce as closely as possible the observed behavior. The results indicate that the steady state behavior is correctly reproduced. Since the experimental design does not allow the application of faults instantaneously, it is not certain that the behavior is the same during the milliseconds when the fault is applied. An improvement perspective for the model is to work in a more controlled test environment to obtain better experimental records. For example, it is suggested to work with Hypersim real-time simulation software coupled with power amplifiers.