Modelling of Wind Energy Converters for Slow and Fast Transients

Pour améliorer la précision des études de l'impact de la génération éolienne sur les réseaux électriques, il est nécessaire développer des outils de simulation plus rapides et précis et utiliser des modèles de plus en plus sophistiqués. Les simulations sont généralement et traditionnellement effectuées de façon indépendante pour les phénomènes transitoires rapides et lents. Pour les transitoires lents, l'approche classique est basée sur l'utilisation de méthodes de solution simplifiées avec des approximations. Ces méthodes se classent dans la catégorie des transitoires électromécaniques. Les modèles plus sophistiqués sont basés sur la simulation détaillée de tous les composants d'une éolienne. Ces modèles appartiennent à la catégorie des transitoires électromagnétiques (EMT pour Electromagnetic Transients). Il est cependant très compliqué d'effectuer des simulations détaillées pour des périodes de simulation longues à cause des restrictions de temps de calcul. Cela est particulièrement vrai dans les grandes simulations d'intégration des éoliennes au réseau électrique. L'objectif et l'innovation de cette thèse est la simulation d'éoliennes avec une méthode de type EMT et un logiciel de type EMTP (Electromagnetic Transients Program) en appliquant des techniques de modélisation rapides et la combinaison avec des modèles détaillés. Ainsi les phénomènes lents et rapides peuvent être simulés dans un seul environnement de type EMTP. Un second objectif est la contribution de plusieurs modèles d'éoliennes pour les phénomènes rapides et lents. Cette thèse présente trois types de modèles, deux modèles à valeur moyenne et un modèle détaillé, dans le même environnement du logiciel EMTP-RV et en utilisant les mêmes méthodes numériques. Le développement des modèles de type détaillé sert principalement de référence pour la validation et la démonstration de précision pour les modèles à valeur moyenne.

Abstract

To improve the accuracy of wind generator grid impact studies, it is needed to develop faster and sophisticated models using various simulation tools. The simulations are usually carried out independently for fast and slow transients. Traditional slow transient analysis methods are based on simplified solution methods with various approximations. These methods fall into the category of electromechanical transients. More sophisticated models are based on the detailed simulation of all wind generator components. Such models fall into the category of electromagnetic transients (EMT). It is, however, complicated to run detailed simulations for long simulation periods due to computer time restrictions. This is especially true in large grid integration simulations. The objective and innovation of this thesis is the simulation of wind generators in EMTP-type (Electromagnetic Transients Program) programs using faster modeling techniques with small integration time-steps and the capability to combine with detailed models. This way fast and slow transients are solved in the same environment and with acceptable computational speed. Another objective of this thesis is the contribution of wind generator models for wind farm integration studies. This thesis presents the integration of three types of models, two mean value type models and one detailed EMTP-type (Electromagnetic Transients Program type), in the same EMTP-RV (software of EMTP-type) environment and with the same numerical methods. The mean value type models are distinguished by their precision levels. At the first level the model is demonstrated to contribute to significant reduction of computing time while limiting the loss of accuracy. At the second level the model provides precision improvement over the first level while still limiting computational efforts. The presented modeling techniques are validated using comparative simulation techniques based on EMTP-RV and PSS/E. PSS/E is only used for the simulation of electromechanical transients.