Développement d'une plateforme de simulation basée sur une formulation générique et une approche modulaire pour des analyses accélérées des réseaux électriques dans le domaine des phases

Bennani, Hakim (2024). Développement d'une plateforme de simulation basée sur une formulation générique et une approche modulaire pour des analyses accélérées des réseaux électriques dans le domaine des phases. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 174 p.

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Résumé

« La croissance des énergies renouvelables dans les réseaux de distribution impose des contraintes de modélisation liées à la complexité des modèles. Ceci est dû au fait que ces énergies renouvelables utilisent des convertisseurs intelligents, dont le comportement est dicté par les stratégies de contrôle implémentées dans le contrôleur des convertisseurs. La capacité d'un algorithme d'écoulement de puissance à reproduire fidèlement ce comportement est étroitement liée à la flexibilité de sa formulation. De plus, avec la grande variété des stratégies de contrôle imposées par le code du réseau, les gestionnaires des réseaux revendiquent la nécessité d'avoir un outil de simulation permettant une modélisation personnalisée et modulaire pour implémenter librement la logique de contrôle sans devoir impliquer le concepteur du logiciel. D'autre part, l'expansion des réseaux électriques impose le développement de nouvelles méthodes d'analyse permettant de simuler efficacement des réseaux de grandes tailles et d'accélérer les analyses nécessitant un effort de calcul considérable. La flexibilité, la modularité et l'efficacité numérique de l'algorithme d'écoulement de puissance sont des caractéristiques très recherchées dans les logiciels de simulation des réseaux électriques. Ces caractéristiques s'inscrivent au cœur de notre travail de recherche.Cette thèse porte sur le développement d'une nouvelle formulation dans le domaine des phases nommée « Formulation générique et approche modulaire (FGAM) » implémentée dans un algorithme d'écoulement de puissance basé sur la méthode de Newton. La formulation des équations du réseau avec FGAM est obtenue en modélisant chaque équipement du réseau en tant que sous-système autonome. Les équations de contrainte de chaque modèle sont définies sous une forme implicite et les variables d'état peuvent être de n'importe quel type. L'originalité de cette formulation réside dans sa flexibilité et sa modularité offrant la possibilité de procéder à une modélisation personnalisée. Une nouvelle technique de modélisation est aussi proposée pour accélérer l'analyse d'écoulement de puissance. L'idée de base derrière cette approche consiste à exploiter la flexibilité de la FGAM en introduisant des paramètres dynamiques dans la formulation des équations du système pour préserver la structure de la matrice Jacobienne, évitant ainsi les factorisations symboliques répétitives. Le concept de paramètres dynamiques est l'un des principaux apports de cette thèse. Cette approche a été étendue pour accélérer l'analyse de contingence en préservant la structure de la Jacobienne non seulement dans le processus itératif de Newton, mais également lors du changement de la topologie du réseau. La seule et unique factorisation symbolique retenue pour simuler tous les scénarios de contingence est celle de la première itération du cas de base. Ce projet de recherche a permis également d'apporter des contributions au niveau de la modélisation. Quatre nouveaux modèles ont été développés dans le domaine des phases avec la FGAM, à savoir : Machine asynchrone à double alimentation, machine synchrone, contrôle centralisé de la tension dans un parc éolien et la stratégie maître-esclave des transformateurs en parallèle pour la gestion des prises. Le développement du modèle de la machine asynchrone à double alimentation est basé sur la problématique de la quasi-absence d'une solution dans le domaine des phases prenant en compte le comportement des contrôleurs de convertisseurs et différentes stratégies de contrôle associées. Un nouveau modèle de la machine synchrone a été également proposé. Ce dernier est plus robuste numériquement que le modèle de la tension interne derrière une impédance et ne requiert pas l'impédance subtransitoire car la séquence directe est modélisée par une conductance et une susceptance au lieu d'une tension interne derrière une impédance. Finalement, deux stratégies de contrôle ont été implémentées par un ajustement automatique des variables d'états. Ces régulateurs de tension sont modélisés avec la FGAM comme des systèmes indépendants, et les liaisons entre le dispositif de contrôle et les dispositifs contrôlés sont ajoutées aux équations de connectivités.Dans ce travail, cinq cas de validation sont présentés pour tester la validité des modèles et la précision des résultats et trois autres cas pour tester les performances numériques, les caractéristiques de convergence et la rapidité des algorithmes. L'ensemble des simulations effectuées sur les différents réseaux ont permis de valider les modèles proposés dans des conditions déséquilibrées et de démontrer l'efficacité et la rapidité de la solution proposée par rapport aux méthodes classiques surtout lorsqu'elle est appliquée à des réseaux de grandes tailles et à des analyses exigeant un temps de calcul important. -- Mot(s) clé(s) en français : Écoulement de puissance multiphasé, formulation générique et approche modulaire, performances numériques, factorisation symbolique, analyse de contingence, analyse de la capacité d'accueil, machine asynchrone à double alimentation, machine synchrone, contrôle centralisé de la tension, stratégie de contrôle maître-esclave. »--
« The growth of renewable energies in distribution networks poses a variety of modeling challenges due to the complexity of the models. These renewable energies use smart converters, whose behavior is dictated by the control strategies implemented in the controllers of the converters. The capability of a power flow algorithm to reproduce the real behavior of electrical power devices is closely related to the flexibility of its formulation. Moreover, with the variety of control strategies imposed by the grid code, the network operators are claiming the need for a simulation tool capable of providing a modular modeling approach to freely implement the control logic without having to involve the software designer. On the other hand, the expansion of power systems requires the development of new methods to efficiently simulate large systems and to accelerate computationally intensive analyses. The flexibility, modularity, and numerical efficiency of the power flow algorithm are highly sought-after features in power system simulation software. These features are at the heart of our research work.The main objective of this thesis is to develop a new formulation in the phase domain named "Generic Formulation and Modular Approach (FGAM)" implemented in a power flow algorithm based on Newton's method. The FGAM formulation of the network equations is obtained by modeling each component autonomously as a subsystem. The constraint equations of each model are defined in implicit form, and the state variables can be of any type. The originality of this formulation resides in its flexibility and modularity offering the possibility of a user-defined modeling approach. A new modeling technique is proposed to accelerate the power flow analysis. The basic idea behind this approach is to exploit the flexibility of FGAM by introducing dynamic parameters into the formulation of the system equations to preserve the Jacobian matrix structure, thus avoiding repetitive symbolic factorizations. The concept of dynamic parameters is one of the main contributions of this thesis. This approach has been extended to accelerate contingency analysis by preserving the structure of the Jacobian matrix not only in the iterative Newton process but also after every change in network topology. The unique symbolic factorization performed to evaluate all contingency scenarios is that of the first iteration of the base case scenario.This research project also made contributions to the field of modeling. Four new models were developed in the phase domain with the FGAM formulation, namely: Double-fed asynchronous machine, synchronous machine, centralized voltage control in a wind farm, and the master-slave strategy of parallel transformers for taps management. The development of the double-fed asynchronous machine model is based on the problem of the near-absence of a phase domain solution considering the behavior of converter controllers and various associated control strategies. A new model of synchronous machine has also been proposed. This is numerically more robust than the internal voltage behind an impedance model and does not require the subtransient impedance, as the positive sequence is modeled as conductance and susceptance instead of an internal voltage behind an impedance. Finally, two control strategies have been implemented through automatic adjustment of state variables. These voltage regulators are modeled with FGAM as independent systems, and the links between the control device and the controlled devices are added to the connectivity equations.In this work, five validation cases are presented to test the validity of the models and the accuracy of the results, and three other cases to test the numerical performance and convergence characteristics. All the simulations carried out on the different networks have validated the proposed models under unbalanced conditions and demonstrated the efficiency and rapidity of the proposed solution compared with conventional methods, especially when applied to large-scale networks and analyses requirin significant computing time. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Multiphase load flow, generic formulation and modular approach, numerical performance, symbolic factorization, contingency analysis, hosting capacity, doubly fed induction generator, synchronous machine, centralized voltage control, master-slave control strategy. »--

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	El Ouafi, Abderrazak
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Chebak, Ahmed
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie en vue de l'obtention du grade de philosophiæ doctor (Ph.D.)
Mots-clés :	Écoulement polyphasique ; Réseaux électriques (Circuits) - Analyse ; Réseaux électriques (Énergie) - Gestion - Modèles mathématiques ; Analyseurs de réseaux électriques ; Simulation par ordinateur ; Machines synchrones ; Machines à induction ; Programmation modulaire ; Programmation générique.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Date de dépôt :	24 janv. 2025 18:53
Dernière modification :	24 janv. 2025 18:53
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3135