Accelerating Electromagnetic Transient Simulations of Large-Scale Multiterminal High Voltage Direct Current Systems

L'intégration croissante des sources d'énergie renouvelable, ainsi que le développement rapide des systèmes de transport d’électricité en courant continu haute tension (HVDC) et des réseaux multiterminaux en courant continu (MTDC), ont introduit une complexité importante tant sur le plan de la modélisation que sur celui du calcul dans l’analyse des réseaux électriques. La simulation de ces systèmes à grande échelle, à l’aide d’outils de simulation des transitoires électromagnétiques (EMT), est essentielle pour garantir un fonctionnement fiable, la validation des systèmes de contrôle et une intégration sécurisée au réseau. Toutefois, les plateformes EMT traditionnelles peinent à gérer efficacement l’augmentation de la taille des systèmes, la présence de nombreux composants non linéaires et les exigences de modélisation détaillée des convertisseurs. De plus, le processus d’initialisation à l’état stationnaire demeure un goulot d’étranglement majeur : il est souvent fastidieux, numériquement instable et coûteux en ressources de calcul, en particulier pour les systèmes intégrant des systèmes de contrôle complexes ou des composants de type boîte noire. Pour répondre à ces limitations, cette thèse propose des techniques de simulation avancées, spécialement conçues pour accélérer les simulations EMT et améliorer le processus d’initialisation dans les réseaux MTDC à grande échelle. Tout d’abord, avant d’aborder l’initialisation EMT, une nouvelle méthode hybride de calcul de flux de puissance AC–DC est proposée. Cette méthode est adaptée à des modèles de simulation MTDC complexes, prenant en charge une diversité de stratégies de commande des convertisseurs et dépassant les limitations des approches classiques. Elle offre également une grande flexibilité, ce qui lui permet de s'adapter aux nouveaux modèles de systèmes de contrôle sans modifier l'algorithme. Sur cette base, une méthodologie d’initialisation unifiée, appelée méthode de l’Interface de Découplage (DI), est développée pour rationaliser l’initialisation EMT. En exploitant les résultats du calcul de flux de puissance pour initialiser les systèmes de contrôle sans nécessiter d’accès interne, la méthode DI permet une convergence rapide et une transition stable vers la simulation temporelle. Les évaluations sur bancs d’essai confirment sa supériorité par rapport aux méthodes d’initialisation existantes. De plus, cette méthode est étendue avec succès aux environnements de simulation en temps réel, où elle permet une convergence accélérée, réduit les transitoires liés à l’initialisation et protège les composants sensibles lors des tests Hardware-in-the-Loop (HIL).

Abstract

The increasing integration of renewable energy sources, alongside the rapid development of High Voltage Direct Current (HVDC) systems and Multi-Terminal DC (MTDC) networks, has introduced significant modeling and computational complexity in power system analysis. Simulating these large-scale, control-intensive systems using Electromagnetic Transient (EMT) tools is essential for reliable operation, control validation, and secure grid integration. However, traditional EMT simulation platforms struggle to efficiently manage growing system size, extensive nonlinear components, and the detailed modeling required for power converters. In addition, the steady-state initialization process remains a major bottleneck, often cumbersome, numerically unstable, and computationally demanding, especially in systems containing complex control hierarchies or black-box models. To address these limitations, this dissertation introduces advanced simulation techniques specifically designed to accelerate EMT simulations and enhance the initialization process for large-scale MTDC networks. First, prior to engaging in EMT initialization, a novel hybrid AC–DC load-flow technique is proposed. This method is tailored for sophisticated MTDC simulation models, accommodating diverse converter control strategies and extending beyond the limitations of conventional AC–DC load-flow approaches. Its flexibility also allows adaptation to emerging control models without changing the algorithm. Building upon this, a unified initialization methodology called the Decoupling Interface (DI) method is proposed to streamline EMT initialization. By leveraging load-flow results to initialize control systems without requiring internal access, the DI method achieves rapid convergence and stable transitions to time-domain simulation. Benchmark evaluations confirm its superiority over existing initialization methods. Furthermore, the method is successfully extended to real-time simulation environments, where it ensures faster convergence, reduces initialization-induced transients, and protects sensitive grid components during Hardware-in-the-Loop (HIL) testing.