Modeling of Wind Parks for Steady State Short Circuit Studies

La part croissante des énergies renouvelables dans la production d'électricité impose une adaptation des systèmes de protection des réseaux électriques. Ceci est dû au fait que ces énergies renouvelables utilisent majoritairement l'électronique de puissance, et que leurs comportements en conditions transitoires sont différents de ceux des centrales électriques fonctionnant avec des génératrices synchrones. Le comportement de ces énergies renouvelables est dicté par le contrôleur des convertisseurs, et en principe, ce comportement en conditions de court-circuit peut être reproduit de manière précise avec des logiciels de simulation dynamique ou transitoire. Cependant les progiciels de protection et de court-circuit utilisés par les ingénieurs fonctionnent avec des outils d'analyse en régime permanent dans le domaine phaseur. L'objectif principal de cette thèse est de développer un modèle phaseur de parc photovoltaïque ou éolien qui donne la contribution de courant en conditions permanentes de court-circuit. Le modèle phaseur est développé pour les éoliennes de type-III et type-IV. La répresentation de la séquence inverse et d'un contrôleur de parc sont aussi développés. Le modèle de type-IV peut aussi représenter un parc photovoltaïque comme tous deux transmettent l'ensemble de leur puissance via un onduleur. Les modèles phaseur sont validés avec des modèles temporels détaillés, construits dans le logiciel EMTP-RV. Ces modèles temporels ont été construits et améliorés grâce à des retours d'un des leaders européens de la fabrication d'éoliennes. Les modèles phaseur prennent en compte le comportement des contrôleurs de convertisseurs et différentes stratégies de contrôle associées. Pour les grands parcs éoliens connectés au réseau haute tension, le point de contrôle est situé au point d'interconnection du parc. Les différentes stratégies de contrôle agissent sur la tension, la puissance réactive ou le facteur de puissance. En plus de ces 3 modes de contrôle, un mode d'alimentation sans panne (Fault Ride Through en anglais) est aussi disponible pour relever la tension pendant les court-circuits. Un limiteur de courant protège les convertisseurs contre les surintensités, et fonctionne en donnant la priorité à la composante active ou réactive du courant. Ce limiteur est indispensable mais ajoute un comportement non linéaire au contrôleur. Les modèles phaseur présentés donnent le comportement de séquence inverse avec 2 niveaux de precision : simple et détaillé. Ces deux niveaux ne s'appliquent qu'aux contrôleurs qui ne régulent pas directement leur courant de séquence inverse.

Abstract

The increasing share of renewable energy resources in electricity generation requires reassessment of protection systems. This is due to the fact that renewables are often electronically coupled to the grid and their behavior under transient conditions is different from the behavior of power plants generating power using classical synchronous generators. The behavior of electronically coupled generators depends on the controllers of their converters, and in principle, their precise simulation under short-circuit conditions is possible using dynamic or transient tools which allow detailed modeling of controllers. However, protection and short-circuit software packages used by practicing engineers depend on steady-state solution engines built in phasor domain. The main objective of this thesis is to develop steady-state phasor models of wind and solar parks that provide their current contribution under steady-state short-circuit conditions. The steady-state models are developed for type-III and type-IV wind turbine generators. Negative sequence control and park controller options are also considered. The Type-IV model can also be used for modeling solar plants since both sources are connected via full converters. The steady-state models are validated using a detailed time-domain model that is developed in EMTP-RV software with the feedback of a leading European manufacturer of wind turbines. The phasor models take into account the behavior of converter conrollers and various control strategies associated with it. For large-scale wind parks connected to high voltage networks, the point of control is located at the point of interconnection of the park. The control strategies act on voltage, reactive power or power factor. In addition to these three control modes, a fault ride through mode is also available to support voltage during fault conditions. A current limiter protects the converters against overcurrent, and operates with P- or Q-priority. This limiter is indispensable but introduces a non-linear behavior. The phasor models take into account the natural negative sequence response of the wind turbine generator with two levels of precision if the controllers are not set to regulate negative sequence: simplified and detailed. Higher precision requires more details about the controller, such as the gains of the inner loop proportional-integral controller.