Initialisation automatique des systèmes de contrôle pour la simulation des transitoires de réseau

Un réseau électrique est normalement en régime permanent. Ainsi c'est dans cet état que commencent la plupart des simulations de réseau dans le domaine du temps. Cependant, si la partie purement électrique d'un réseau peut être initialisée via un calcul d'écoulement de puissance, il n'y a pas de solution équivalente pour les systèmes de contrôle. Ce mémoire s'applique à toute méthode de calcul de type EMT (Electromagnetic Transient). Celui-ci possède une fonctionnalité pour modéliser les systèmes de contrôle sous forme de diagramme-blocs dont les variables peuvent être initialisées manuellement. Une erreur ou un manque à ce niveau va créer un régime transitoire virtuel en début de simulation, le temps que le système converge vers son régime permanent. Afin d'éviter ce problème, ce mémoire va présenter un algorithme visant à initialiser automatiquement un système de contrôle à partir des quelques données disponibles grâce au calcul d'écoulement de puissance. Les fonctions de transfert, composants majeurs des systèmes de contrôle, sont étudiées en premier lieu. Une méthode de simulation réduisant les problèmes d'instabilité numérique est proposée avec l'initialisation correspondante. Son utilité est démontrée sur un cas présentant une erreur numérique sur la simulation faite avec le logiciel EMTP (Electromagnetic Transient Program) à très faible pas de temps. La démarche proposée est enfin généralisée aux fonctions de transfert à plusieurs entrées et sorties. Ensuite, cette approche est combinée à la modélisation d'autres éléments présents dans les systèmes de contrôle afin de construire un procédé de simulation avec une initialisation en régime permanent. Le principe est de construire une équation matricielle représentant le comportement du système de contrôle. Cela fait intervenir les variables de ce dernier au pas de temps précédent. Cet historique est initialisé en régime permanent grâce aux données obtenues de l'écoulement de puissance. L'implémentation de la méthode donne un algorithme permettant de simuler une grande variété de diagramme-blocs avec un départ en régime permanent. L'efficacité du procédé d'initialisation est, finalement, démontré dans le cas d'un micro-réseau. Ce dernier change de contrôleur lors de la déconnexion du réseau principal. Il est montré qu'initialiser correctement le nouveau contrôleur permet d'éviter de fortes variations de tensions mesurées dans le cas contraire.

Abstract

As electrical networks are usually in steady-state, it is typically from this state that most time-domain simulations are started. However, if the power parts can be initialized via a power flow calculation, there is no equivalent solution for control systems. The electrical network time-domain simulation software Electromagnetic Transient Program (EMTP) has a functionality to model control systems in the form of block-diagrams whose variables can be initialized manually. An error or a lack at this level will create a virtual transient at the beginning of simulation while the system converges to its steady-state. To avoid this problem, this thesis will present an algorithm which automatically initialize a control system from data available from the steady-state solution. This works is fully applicable to other EMT-type simulation methods and its validity is compared with EMTP (Electromagnetic Transient Program). Transfer functions are studied first as they are major components of control systems. A simulation method that reduces numerical instability is proposed with the corresponding initialization. Its utility is demonstrated on a case presenting a numerical error on EMTP simulation made with a very small time step. The proposed approach is finally generalized to transfer functions with several inputs and outputs. Then, this method is combined with the modeling of other elements present in control systems in order to build a simulation process with steady-state initialization. The principle is to build a matrix equation representing the control system behavior. This involves using variables of the latter at the previous time step. This history is initialized in steady state thanks to data obtained from the power flow. The method implementation gives an algorithm allowing simulation of block-diagrams from steady-state initialization. The effectiveness of the initialization method is finally demonstrated in the case of a microgrid. The latter changes controller when it disconnects from the main network. It is shown that correctly initializing the new controller avoids large voltages variations measured otherwise.