Contrôle d'une unité de production d'énergie décentralisée raccordée à un réseau de distribution déséquilibré

Historiquement, l'électricité est produite par de grandes centrales (nucléaires, thermiques, hydro-électriques, etc.) alimentant un vaste territoire. L'engouement que suscitent les énergies renouvelables, ainsi que la promesse d'un nouveau réseau électrique plus flexible, tend à changer ce paradigme en favorisant l'essor de nouveaux modes de production basés sur l'utilisation conjointe de plusieurs petites installations décentralisées (éoliennes, panneaux solaires, piles à combustible, etc.). L'augmentation du nombre de ces installations s'accom-pagne d'une dégradation substantielle de la stabilité du réseau, dont le taux de déséquilibre ne cesse de croître. Les unités de production décentralisées sont communément reliées au réseau par le biais d'un convertisseur en source de tension. En temps normal, ce dernier est contrôlé de manière à atténuer ses harmoniques de commutation haute fréquence afin de délivrer des tensions et des courants de bonne qualité (les plus sinusoïdaux possible). Cependant, le déséquilibre du réseau compromet l'intégrité du système à travers l'apparition de nouvelles harmoniques en entrée et en sortie du convertisseur. En e˙et, ces harmoniques basse fréquence endommagent les équipements, augmentent les pertes de puissance et polluent les courants injectés au réseau. Puisque le déséquilibre est inévitable, il est essentiel de les faire disparaître pour ne pas dégrader le fonctionnement de l'unité de production décentralisée et du réseau. Ainsi, ce mémoire propose de concevoir un système de commande capable de réguler une unité de production décentralisée raccordée à un réseau de distribution potentiellement dés-équilibré. L'objectif principal est l'élimination des harmoniques présentes des deux côtés du convertisseur. On commence donc par étudier le système à contrôler dans le but de déterminer les conditions à satisfaire pour résoudre le problème. Ces conditions sont ensuite traduites en performances à atteindre par le système en boucle fermée. L'architecture choisie est celle d'une loi de com-mande par retour d'état estimé à l'aide d'un observateur. Le contrôleur incorpore un modèle interne des signaux de consigne à suivre et des perturbations à rejeter. L'observateur doit quant à lui estimer fidèlement l'état du système en présence de perturbations non mesurables. Le gain du contrôleur est réglé en minimisant un indice de performance linéaire quadratique tandis que celui de l'observateur est obtenu en résolvant un problème d'optimisation formulé à l'aide d'inégalités matricielles linéaires. Enfin, le système de commande est validé en si-mulation grâce au logiciel MATLAB/Simulink.

Abstract

Electricity is conventionally produced in central power plants (e.g., nuclear, thermal, hydro-electric plants) to supply a vast area. The proliferation of renewable energy resources, along with the advent of a smarter grid, tend to change the conventional paradigm by promoting new modes of production based on the use of small-scale, decentralized units (e.g., wind turbines, photovoltaics, fuel cells, etc.). The growing number of such units, however, could degrade the stability and power quality. A distributed generation unit is often connected to the grid through a power electronic converter. Among the power electronic apparatus, voltage source converters are more advan-tageous since they provide high power quality and can operate in either inverter (DC/AC) or rectifier (AC/DC) mode. Nevertheless, a voltage source converter can adversely a˙ect the power quality whenever the host grid is unbalanced. An unbalanced grid can produce double-frequency ripples on the input voltage of the converter, which in turn, reduces the lifetime of its DC-side capacitor. Moreover, the feedback control system may result in the injection of low-frequency current harmonics on the AC side of the converter. Thus, this thesis proposes a control system for a grid-connected distributed generation unit operating under unbalanced grid conditions. Attention is focused on the cancellation of both DC-side voltage ripples and AC-side current harmonics. First, a mathematical analysis of the system leads to the definition of the structure of the controller. The control system must ensure closed-loop stability and asymptotic tracking regulation regardless of disturbances. Hence, the proposed architecture is an observer-based output feedback servomechanism controller. Linear quadratic techniques as well as linear matrix inequalities are used to optimally design the servo-compensator, the stabilizing com-pensator and the observer. The performance of the controller is then evaluated by several MATLAB/Simulink simulations. The results show perfect tracking and good disturbance rejection even under highly unbalanced grid, e.g., single-phase grid. The voltage ripples on the DC-side and the current harmonics on the AC-side are completely eliminated.