Thèse de doctorat, phd (h/f)

Outil méthodologique pour l’analyse de la stabilité de réseaux MVDC à structure variable


Contexte de travail

Le MVDC (Medium Voltage Direct Current ou courant continu à moyenne tension) s’adresse aux exploitants de réseaux électriques désireux de l’agrandir pour accueillir plus de sources (renouvelables) ou de charges (véhicules électriques par ex.) afin de proposer une solution de production décentralisée et renouvelable (jusqu’à 200 km de distance et 20-100kV).

Les sources d'énergie renouvelables et de stockage sont reliées à un micro-réseau MVDC par des convertisseurs de puissance régulés qui sont connectés entre eux par des filtres et des lignes passives. Dans le cas d'une unité de production unique, le convertisseur associé est à haut rendement et régulé avec des dynamiques élevées pour garantir la qualité de la tension du bus DC tout en assurant des marges de stabilité satisfaisantes. Du fait de l’intermittence des sources d’énergies renouvelables et de l’imprévision des charges se connectant au réseau, la stabilité du fonctionnement de l’ensemble devient une tâche importante à garantir ou à définir les conditions pour lesquelles le réseau sera stable. Ainsi, pour ce réseau, plusieurs unités de production peuvent s’interconnectées pour former un système décentralisé de DG (Decentralized Generators) qui alimente plusieurs charges. Dans ces systèmes complexes, en raison de la faible inertie et des interactions possibles entre les différentes bandes passantes (contrôleurs, filtres passifs, communication), une instabilité peut se produire, en particulier dans des conditions de charge contraignantes. Ceci est particulièrement critique lors de l'alimentation de charges à puissance constante (CPL : Constant Power Load), la reconfiguration de l’architecture du réseau suite à la connexion ou déconnexion des unités DG ou charges, et d'une éventuelle expansion du système pour agréger de nouvelles sources et/ou charges. De telles contraintes entraînent des problèmes de stabilité sur des échelles de temps étendues allant de quelques millisecondes à plusieurs minutes.

Actions :
Une première phase consiste à obtenir un modèle du réseau MVDC avec les DG et les convertisseurs associés (modèle analytique et/ou de simulation). Une mise à l’échelle d’un réseau réelle ainsi que la prise en compte d’un standard normalisée sera indispensable. Une phase d’analyse de la stabilité de l’ensemble en découle avec comme degré de liberté le contrôle des convertisseurs ou une action sur la topologie par la connexion et déconnexion des DG.
Une stratégie de contrôle hiérarchique est à prospecter afin d’apporter une preuve de stabilité globale de l’ensemble de réseau en présence de larges perturbations tout en intégrant l'expansion potentielle du système.

Etapes envisagées :

 Etat de l’art des outils pour l’étude et l’analyse de stabilité statique et dynamique des systèmes énergétiques et des réseaux DC ou AC (spectroscopie d’impédance, méthodes de Lyapunov,…).

 Etude des méthodes de synthèse de type larges signaux afin de dégager une formulation générique et généralisable en cas de reconfiguration de l’architecture du réseau MVDC ou de son expansion. Le concept de passivité, basé sur le formalisme Hamiltonien, semble adapté pour appréhender la problématique.

 Elaboration de stratégies de contrôle hiérarchique (droop, consensus…) du réseau MVDC permettant de garantir la résilience du système et de maintenir la stabilité sous de grandes perturbations (impacts de charges, connexion et déconnexion d'une ou plusieurs unités DG, et problèmes liés aux moyens de communication (retards, pertes)).

 Recherche d’une preuve de stabilité globale des stratégies développées en présence de larges perturbations.

 Développement de techniques de stabilisation actives respectant le formalisme retenu face à des phénomènes de résonances (stabilité haute-fréquences), induits notamment par de possibles interactions filtres-commandes.

 Validation des stratégies hiérarchiques développées sur un réseau de référence MVDC avec un environnement HIL.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.


Contraintes et risques

Travail exploratoire dans le cadre d'un projet PEPR TASE Architect