Dans le contexte du concept de l'avion "plus électrique ", l'électricité prend une part croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Ainsi, de nombreuses évolutions ont eu lieu, concernant les réseaux de bord, notamment l'architecture du réseau qui est devenue de plus en plus complexe, intégrant de nombreux équipements de différentes natures ; ceci entraine de multiples questions relatives à la qualité et la stabilité du réseau. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent d'une part à la mise en œuvre de méthodes d'analyse de la stabilité et de la qualité du réseau aéronautique embarqué et d'autre part à l'analyse de couplage entre plusieurs équipements connectés sur un seul réseau. Les études menées au cours de ces travaux reposent sur l'utilisation des expressions analytiques représentant le comportement fréquentiel de réseaux continus. Une méthode de calcul basée sur les lois de la physique a été développée et validée par des approches de simulation et d'expérimentation. Par ailleurs, en absence d'un modèle analytique, nous choisissons de déterminer l'expression littérale du modèle équivalent du réseau à partir de l'identification des données issues de l'approche expérimentale en se basant sur des algorithmes d'optimisation. Ces modèles analytiques sont associés aux critères mathématiques de stabilité (Routh- Hurwitz, MiddleBrook), et aux contraintes de qualité imposées par les standards aéronautiques, dans le but de dimensionner les éléments de filtrage à placer entre le réseau et l'équipement. Le calcul des composants assurant le filtrage repose sur la recherche d'une solution optimale : nous introduisons les algorithmes d'optimisation utilisés en première étape, et nous proposons par la suite une formulation de la procédure de calcul des paramètres du filtre pour une meilleure illustration des résultats intéressants pour un concepteur de réseau. Enfin, nous clôturons ce travail par une analyse des couplages entre plusieurs équipements connectés sur un réseau continu et nous concluons par une approche expérimentale afin d'appuyer les résultats théoriques.

L'émergence et le développement des systèmes électriques de ces vingt dernières années nous ont conduits à l'élaboration d'architectures de plus en plus complexes. Nous les retrouvons notamment au niveau d'applications embarquées ainsi qu'au cœur de réseaux de distribution isolés. L'intégration de nombreux équipements de différentes natures soulève la problématique de la stabilité. C'est dans ce contexte que s'insèrent ces travaux de thèse, qui aboutissent sur la mise en œuvre de méthodes d'analyse de la stabilité et de la qualité des réseaux distribués de puissance. Les études menées au cours de ces travaux reposent sur des expressions analytiques représentant le comportement fréquentiel de réseaux continus. Ces modèles sont ensuite associés au critère de Routh-Hurwitz, afin de permettre les études de stabilité selon les évolutions de leurs paramètres. L'analyse des résultats obtenus au niveau d'architectures présentant plusieurs équipements permet d'affiner nos connaissances sur le fonctionnement de ces systèmes. Les phénomènes de couplage, la disposition d'un réseau en fonction du nombre et de la puissance des charges, du point de vue de la stabilité, sont notamment développés. Les recherches de dimensionnements optimaux de plusieurs éléments indéterminés, combinant les notions de stabilité et de qualité et réalisées à l'aide d'algorithmes d'optimisation, sont également présentées. Enfin, les parties fondamentales de ces travaux, que constituent la modélisation ainsi que l'étude de la stabilité, sont validés par une approche expérimentale. / The emergence and the development of electrical systems during these last twenty years have led us to the elaboration of more and more complex architectures. They can be particularly found on embedded applications as well as in the heart of isolated distribution networks. The integration of several equipments with various natures raises the problem of stability. Thesis work presented here fits in with this context, leading to the implementation of stability and quality analysis methods, applied to distributed power networks. Studies led during this work are based on analytical expressions representing the continuous networks frequency behaviour. These models are then associated to the Routh-Hurwitz criterion in order to allow stability studies, according to their parameter values evolution. Analysis of results obtained on networks architectures using several equipments allows the refinement of our knowledge on these systems operation. Coupling phenomena, network layout according the loads number and power from a stability point of view, are particularly developed. Optimal sizing research for several undetermined elements, merging stability and quality criteria and carried out using optimization algorithms, is also presented. Finally, fundamental parts of this work which correspond to models building as well as stability studies are validated by an experimental approach.

Dans le contexte du concept de l’avion «plus électrique », l’électricité prend une part croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Ainsi, de nombreuses évolutions ont eu lieu, concernant les réseaux de bord, notamment l’architecture du réseau qui est devenue de plus en plus complexe, intégrant de nombreux équipements de différentes natures ; ceci entraîne de multiples questions relatives à la qualité et la stabilité du réseau. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent d’une part à la mise en œuvre de méthodes d’analyse de la stabilité et de la qualité du réseau aéronautique embarqué et d’autre part à l’analyse de couplage entre plusieurs équipements connectés sur un seul réseau. Les études menées au cours de ces travaux reposent sur l’utilisation des expressions analytiques représentant le comportement fréquentiel de réseaux continus. Une méthode de calcul basée sur les lois de la physique a été développée et validée par des approches de simulation et d’expérimentation. Par ailleurs, en absence d’un modèle analytique, nous choisissons de déterminer l'expression littérale du modèle équivalent du réseau à partir de l'identification des données issues de l’approche expérimentale en se basant sur des algorithmes d'optimisation. Ces modèles analytiques sont associés aux critères mathématiques de stabilité (Routh-Hurwitz, MiddleBrook), et aux contraintes de qualité imposées par les standards aéronautiques, dans le but de dimensionner les éléments de filtrage à placer entre le réseau et l’équipement. Le calcul des composants assurant le filtrage repose sur la recherche d’une solution optimale : nous introduisons les algorithmes d’optimisation utilisés en première étape, et nous proposons par la suite une formulation de la procédure de calcul des paramètres du filtre pour une meilleure illustration des résultats intéressants pour un concepteur de réseau. Enfin, nous clôturons ce travail par une analyse des couplages entre plusieurs équipements connectés sur un réseau continu et nous concluons par une approche expérimentale afin d’appuyer les résultats théoriques. / In the concept of the "more electric" aircraft, power takes an increasing proportion in aeronautic embedded systems. So many changes have occurred on board networks, including the network architecture that has become more and more complex, integrating many different types of equipment that causes quality and stability issues on the network. In this context that this thesis is inscribed, firstly it leads to the implementation of methods for stability and quality analyzing of the embedded network and secondly to coupling analysis of several devices connected to a single network. Studies conducted in this work are based on analytical expressions representing the frequency behavior of networks. A compute based on fundamental physical laws has been developed and validated by simulation and experimental approaches. Moreover, in the absence of an analytical model, we choose to determine the literal expression of the equivalent model of the network by identifying data, come from the experimental approach, using optimization algorithms. These analytical models are associated with mathematical criteria: Routh-Hurwitz, Middlebrook, and quality constraints imposed by aeronautic standards, in order to size the elements of the filter cell placed between the voltage source and the equipment to ensure the stability and quality of the entire system. The sizing of cell parameters based on optimal search by means of optimization algorithms in the first step, and then we propose a formulation of the calculation procedure of the filter parameters to illustrate some interesting results for designer’s network. Finally, we close this work with a coupling analysis of several devices connected to a single DC bus and we conclude by an experimental approach to support the theoretical results.

Les nouvelles politiques adoptées par les autorités nationales ont encouragé pendant les dernières années l'intégration à grande échelle des systèmes d'énergie renouvelable (RES). L'intégration à grande échelle des RES aura inévitablement des conséquences sur le réseau de transport d'électricité tel qu'il est conçu aujourd'hui, car le transport de l'électricité massif sur de longues distances pourrait amener les réseaux de transport à fonctionner près de leurs limites, réduisant ainsi leurs marges de sécurité. Des systèmes de transport d’électricité plus complexes seront donc nécessaires.Dans ce scénario, les systèmes de transmission à Courant Continu Haute Tension (HVDC) constituent la solution la plus intéressante pour le renforcement et l'amélioration des réseaux à Courant Alternatif (AC) existants, non seulement en utilisant des configurations point à point, mais aussi dans des configurations multi-terminales. L'introduction des systèmes HVDC aboutira à terme à un réseau électrique hybride haute tension AC/DC, qui doit être analysé comme un système unique afin de mieux comprendre les interactions entre le réseau AC et le réseau DC.Cette thèse porte sur l'analyse de la stabilité transitoire des systèmes de transmission électrique hybrides AC/DC. Plus particulièrement, deux questions ont été abordées: Quel est l'impact d'un défaut du réseau DC sur la stabilité transitoire du réseau AC? Comment est-il possible de se servir des systèmes de transmission DC en tant qu'actionneurs afin d'améliorer la stabilité transitoire AC ?Dans la première partie de ce travail, les modèles mathématiques du réseau hybride AC/DC sont décrits ainsi que les outils nécessaires à l'analyse du système en tenant compte de sa nature non linéaire. Ensuite, une analyse approfondie de la stabilité transitoire du réseau électrique dans le cas particulier d'un court-circuit dans le réseau DC et l'exécution des stratégies de protection correspondantes sont effectuées. En complément, des indicateurs de stabilité et des outils pour dimensionner les futurs réseaux de la MTDC afin de respecter les contraintes des stratégies de protection existantes sont proposés.La deuxième partie de la thèse porte sur les propositions de commande pour la modulation des références de puissance des systèmes de transmission HVDC dans le but d'améliorer la stabilité transitoire du système AC connecté à ce réseau DC. Tout d'abord, nous axons notre étude sur le contrôle non linéaire des liaisons HVDC point à point dans des liaisons hybrides AC/DC. La compensation rapide des perturbations de puissance, l'injection de puissance d'amortissement et l'injection de puissance de synchronisation sont identifiées comme des mécanismes par lesquels les systèmes HVDC peuvent améliorer les marges de stabilité des réseaux AC.Enfin, une stratégie de contrôle pour l'amélioration de la stabilité transitoire par injection de puissance active dans par un réseau MTDC est proposée. Grâce à la communication entre les stations, la commande décentralisée proposée injecte la puissance d'amortissement et de synchronisation entre chaque paire de convertisseurs en utilisant uniquement des mesures au niveau des convertisseurs. L'implémentation proposée permet d'utiliser au maximum la capacité disponible des convertisseurs en gérant les limites de puissance d'une manière décentralisée. / The new policy frameworks adopted by national authorities has encouraged the large scale-integration of Renewable Energy Systems (RES) into bulk power systems. The large-scale integration of RES will have consequences on the electricity transmission system as it is conceived today, since the transmission of bulk power over long distances could lead the existing transmission systems to work close to their limits, thus decreasing their dynamic security margins. Therefore more complex transmissions systems are needed.Under this scenario, HVDC transmission systems raise as the most attractive solution for the reinforcement and improvement of existing AC networks, not only using point-to-point configurations, but also in a Multi-Terminal configuration. The introduction of HVDC transmission systems will eventually result in a hybrid high voltage AC/DC power system, which requires to be analyzed as a unique system in order to understand the interactions between the AC network and the DC grid.This thesis addresses the transient stability analysis of hybrid AC/DC electric transmission systems. More in particular, two questions sought to be investigated: What is the impact of a DC contingency on AC transient stability? How can we take advantage of the of DC transmission systems as control inputs in order to enhance AC transient stability?In the first part of this work, the mathematical models of the hybrid AC/DC grid are described as well as the necessary tools for the analysis of the system taking into account its nonlinear nature. Then, a thorough analysis of transient stability of the power system in the particular case of a DC fault and the execution of the corresponding protection strategies is done. As a complement, stability indicators and tools for sizing future MTDC grids in order to respect the constraints of existing protection strategies are proposed.The second part of the thesis addresses the control proposals for the modulation of power references of the HVDC transmission systems with the purpose of transient stability enhancement of the surrounding AC system. Firstly, we focus our study in the nonlinear control of point-to-point HVDC links in hybrid corridors. Fast power compensation, injection of damping power and injection of synchronizing power are identified as the mechanisms through which HVDC systems can improve stability margins.Finally, a control strategy for transient stability enhancement via active power injections of an MTDC grid is proposed. Using communication between the stations, the proposed decentralized control injects damping and synchronizing power between each pair of converters using only measurements at the converters level. The proposed implementation allows to fully use the available headroom of the converters by dealing with power limits in a decentralized way.

Les réseaux de transport d’électricité multi-terminaux à courant continu se révèlent être la solution adéquate pour une intégration massive d’énergie renouvelable dans les réseaux alternatifs existants. En effet, les réseaux en courant continu sont capables de transmettre de manière efficace des niveaux de puissance élevés sur de très longues distances par rapport aux réseaux alternatifs car, à partir d'une certaine puissance à transmettre, il existe une distance limite à partir de laquelle la transmission d’énergie en courant alternatif perd sa compétitivité face à la transmission en courant continu. L'un des principaux défis liés au développement de ces réseaux de transport d’électricité à courant continu ou Supergrid, concerne leur protection contre des défauts de type court-circuit sur des liaisons en courant continu. . Dans ce travail de thèse, un nouveau concept de stratégie de protection des réseaux en courant continu à haute tension en cas de défaut court-circuit est proposé. La stratégie repose sur une philosophie de protection ayant comme priorité la suppression du courant de défaut avant l’isolation de la liaison en défaut. Elle est basée sur l’utilisation de disjoncteurs mécaniques à courant continu sans avoir recours à des limiteurs de courant de défaut. Une séquence de protection primaire ainsi que deux séquences de sauvegarde en cas de défaillance de disjoncteurs ont été développées, testées et validées à l’aide de simulations de transitoires électromagnétiques et de simulations temps-réel. En outre, les algorithmes des relais de protection ont été implémentés avec l'aide de l’outil d’analyse fonctionnelle descendante SADT (Structured Analysis and Design System). Cette thèse a été effectuée dans le cadre du SuperGrid Institute, une plate-forme de recherche collaborative visant à développer des technologies pour les futurs réseaux de transport d'électricité et regroupant l'expertise d'industries telles que GE Grid Solutions et les laboratoires de recherche publique comme le laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2Elab). / Multi-terminal High Voltage Direct Current (MTDC) grids,have been proven to be an adequate solution for massive integration of renewable energy power to existing High Voltage Alternating Current (HVAC) grids. Indeed, HVDC grids are capable of transmitting efficiently high level of power over very long distances compared to HVAC grids since, from a certain power to be transmitted, there is a limited distance from which the AC power transmission loses its efficiency and becomes very costly compared to DC power transmission. One of the main challenges related to the development of theses multi-terminal HVDC grids, or Supergrids, concerns their protection against DC short-circuit faults. In this thesis, a new concept of protection strategy for MTDC grids in case of permanent short-circuit fault on a DC cable has been proposed. The strategy is based on the non-selective fault clearing philosophy where the priority is given to the suppression of the fault current before isolating the faulty transmission line. The strategy is based on mechanical DC breakers and no fault current limiting devices are used. A primary protection sequence as well as two back-up sequences in case of breakers operation failure have been developed, tested and validated through Electromagnetic Transient (EMT) and Real-Time (RT) simulations. Also, algorithms to be implemented on protective relays have been designed with the help of the Structured Analysis and Design System (SADT). This PhD thesis has been performed in the frame of the SuperGrid Institute, a collaborative research platform aiming to develop technologies for the future electricity transmission network and bringing together the expertise of industries such as GE grid solutions and public research laboratories as the Grenoble Electrical Engineering Laboratory (G2Elab).