La forte et rapide croissance de l'énergie éolienne à travers le monde a nécessité la mise en vigueur de nouveaux critères normalisés permettant de l'intégrer dans les réseaux électriques sans affecter la qualité et la stabilité du système, et qui peuvent demander aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence dans les réseaux en cas de besoin. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse visent à proposer une solution de loi de commande qui permette aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence du réseau. En analysant les limites des correcteurs classiques de types P, PI et PID, nous avons opté pour la commande LQ munie d'une approche multimodèle et qui a montré de bonnes performances aux résultats de simulation. Certaines améliorations ont été ajoutées à cette loi de commande du genre modèle de référence, action intégrale, ... afin de permettre une poursuite de puissance autour d'une référence donnée qui change selon la fréquence du réseau

Le fort développement qu'a connu l'énergie éolienne cette dernière décennie en Europe se retrouve aujourd'hui au niveau mondial. Cette croissance a été rendue possible grâce à divers facteurs qui ont guidés les volontés de politique énergétique en faveur de cette énergie. Or un tel développement amène à repenser son intégration dans les systèmes d'énergie électrique. C'est pourquoi les conditions de raccordement qui lui sont imposées évoluent et tendent à ce qu'elle participe aux services système. Ces travaux de thèse s'intéressent à la mise en oeuvre de parcs éoliens basés sur une mixité technologique, capables de satisfaire les nouvelles et futures exigences de raccordement. L'aptitude de différentes technologies d'éoliennes à répondre à différents services est analysée afin de définir les solutions envisageables pour la création de tels parcs éoliens. Ces travaux se conclus sur une étude d'intégration de parcs éoliens mixtes en milieu insulaire.

La forte et rapide croissance de l’énergie éolienne à travers le monde a nécessité la mise en vigueur de nouveaux critères normalisés permettant de l’intégrer dans les réseaux électriques sans affecter la qualité et la stabilité du système, et qui peuvent demander aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence dans les réseaux en cas de besoin. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse visent à proposer une solution de loi de commande qui permette aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence du réseau. En analysant les limites des correcteurs classiques de types P, PI et PID, nous avons opté pour la commande LQ munie d’une approche multimodèle et qui a montré de bonnes performances aux résultats de simulation. Certaines améliorations ont été ajoutées à cette loi de commande du genre modèle de référence, action intégrale, … afin de permettre une poursuite de puissance autour d’une référence donnée qui change selon la fréquence du réseau / The fast and big growth of wind power around the world required the implementation of new standardized criteria to integrate this kind of energy into electric networks without affecting the quality and stability of the system. These criteria could ask the wind turbines to participate in the network frequency control when necessary. Thus, the works presented in this thesis aim to provide a control law solution that allows wind turbines to participate the grid frequency control. By analyzing the limits of traditional regulators such as P, PI and PID, we opted for the LQ controller combined to a multi-model approach because of the good performances shown in the simulation results. Some improvements were added to this control law: reference model, integral action, ... to allow a power trucking for a given reference that changes with the grid frequency

La qualité d’un réseau électrique se mesure notamment par sa résilience, à savoir sa capacité à continuer de fournir, de façon stable, une électricité de qualité malgré les incidents. Cette continuité d’alimentation est notamment assurée par le réglage de la fréquence, ce dernier faisant office de moyen de coopération entre les différentes sources du réseau. Les travaux de cette thèse étudient en profondeur les différentes façons d’assurer ce réglage de la fréquence sur des microréseaux alternatifs îlotés au regard des problématiques nouvelles : intégration croissante de sources d’énergie renouvelables intermittentes et baisse (voire disparition) de l’inertie inhérente aux groupes synchrones tournants. L’objectif principal est de proposer un ensemble de modèles analytiques permettant d’appréhender le comportement dynamique de la fréquence et des puissances actives transitant sur un microréseau, quelle que soit la topologie de ce dernier, afin de constituer une aide au dimensionnement. À cet objectif global s’ajoute un certain nombre de sous-objectifs qui structurent et guident l’ensemble des travaux :- Un objectif pédagogique : les couplages entre l’équilibre des puissances actives et la fréquence sur un réseau alternatif sont clairement explicités, que ces couplages relèvent de la structure et des paramètres physiques du microréseau ou qu’ils soient liés aux lois et paramètres de commande. La lecture des modèles doit ainsi permettre de comprendre analytiquement les différents liens de cause à effet entre les paramètres du système, la fréquence et les puissances,et les spécificités propres à chaque topologie de microréseau.- Un objectif de simplicité et de modularité : les modèles proposés doivent pouvoir être adaptés selon les cas particuliers de topologies, afin que tout lecteur puisse les réutiliser facilement en dehors du cadre de cette étude. Pour ce faire, ces travaux utilisent des modèles mathématiques sous forme de schémas blocs, intégrables sous Matlab.- Enfin, un objectif de modélisation « grand signal » : pour trancher avec l’approche petit signal de beaucoup de modélisations de microréseaux classiques, et pour permettre d’appréhender le comportement du microréseau sur une large plage de déséquilibre de puissance

La qualité d’un réseau électrique se mesure notamment par sa résilience, à savoir sa capacité à continuer de fournir, de façon stable, une électricité de qualité malgré les incidents. Cette continuité d’alimentation est notamment assurée par le réglage de la fréquence, ce dernier faisant office de moyen de coopération entre les différentes sources du réseau. Les travaux de cette thèse étudient en profondeur les différentes façons d’assurer ce réglage de la fréquence sur des microréseaux alternatifs îlotés au regard des problématiques nouvelles : intégration croissante de sources d’énergie renouvelables intermittentes et baisse (voire disparition) de l’inertie inhérente aux groupes synchrones tournants. L’objectif principal est de proposer un ensemble de modèles analytiques permettant d’appréhender le comportement dynamique de la fréquence et des puissances actives transitant sur un microréseau, quelle que soit la topologie de ce dernier, afin de constituer une aide au dimensionnement. À cet objectif global s’ajoute un certain nombre de sous-objectifs qui structurent et guident l’ensemble des travaux :- Un objectif pédagogique : les couplages entre l’équilibre des puissances actives et la fréquence sur un réseau alternatif sont clairement explicités, que ces couplages relèvent de la structure et des paramètres physiques du microréseau ou qu’ils soient liés aux lois et paramètres de commande. La lecture des modèles doit ainsi permettre de comprendre analytiquement les différents liens de cause à effet entre les paramètres du système, la fréquence et les puissances,et les spécificités propres à chaque topologie de microréseau.- Un objectif de simplicité et de modularité : les modèles proposés doivent pouvoir être adaptés selon les cas particuliers de topologies, afin que tout lecteur puisse les réutiliser facilement en dehors du cadre de cette étude. Pour ce faire, ces travaux utilisent des modèles mathématiques sous forme de schémas blocs, intégrables sous Matlab.- Enfin, un objectif de modélisation « grand signal » : pour trancher avec l’approche petit signal de beaucoup de modélisations de microréseaux classiques, et pour permettre d’appréhender le comportement du microréseau sur une large plage de déséquilibre de puissance / The quality of an electricity grid is measured by its resilience, namely its ability to continue to provide electricity despite the incidents. This continuity of supply is ensured by the frequency control, acting as a means of cooperation between the different sources of the grid. This thesis examines in depth the different ways to ensure this frequency control on stand-alone microgrids with regard to new issues: increasing integration of intermittent energy sources and decreasing (or disappearing) of the synchronous rotating groups with their inertia. The main objective is to propose a set of analytical models explaining the dynamic behavior of the frequency and the active powers transiting on a microgrid, whatever the topology, in order to constitute an aid to the sizing. To this overall objective is added a number of sub-objectives that structure and guide this work:- An educational objective: the nature of the link between the balance of active powers and the frequency on an AC microgrid is clearly explained, whether this link is based on physical parameters or is related to control laws. The goal is to understand the different links of cause and effect between the paramers of the system, the frequency and the active power and thespecificities to each topology of microgrid. - An objective of simplicity and modularity: the models proposed must be adaptable to particular cases, so that any reader can reuse easily outside the scope of this study. To do this, mathematical models in the form of block diagrams which can be integrated in Matlab are used. - Finally, a "big signal" simulation objective: to decide with the small signal approach of many traditional microgrid models, and to make it possible to understand the behavior of the microgrid over a wide range of power imbalance.

L'intégration croissante de la production éolienne ne participant pas au réglage de fréquence induit de nouvelles difficultés de gestion des systèmes électriques. Ces problèmes sont d'autant plus significatifs que le réseau est faible. La présente thèse vise à évaluer la performance et la fiabilité du réglage de fréquence des éoliennes à l'échelle du système électrique. Les études sont appliquées sur un réseau insulaire.D'abord, l'impact d'un fort taux de pénétration de la production éolienne sur l'allocation de la réserve primaire et sur le comportement dynamique du réseau est caractérisé. Il est montré que la participation des éoliennes au réglage de fréquence est techniquement indispensable pour le maintien de la sûreté du système électrique à partir d'un certain taux de pénétration. Deux solutions permettant aux éoliennes de contribuer au réglage de fréquence sont ensuite étudiées par simulations dynamiques. La performance d'une inertie émulée est caractérisée en considérant l'impact du point de fonctionnement initial des éoliennes et des paramètres du contrôleur. La contribution de la réserve éolienne à l'amélioration de la performance dynamique du système est également identifiée.Afin d'évaluer le potentiel et la fiabilité de la réserve éolienne, la dernière partie de ce travail est consacrée aux études statistiques prenant en compte la variabilité et l'incertitude de la prévision de la production. Deux stratégies du placement de réserve sont proposées et comparées. L'impact des erreurs de prévision sur le potentiel de réserve éolienne est également mis en évidence. Enfin l'énergie réglante d'une ferme et la plage de réglage du statisme éolien sont caractérisées

L’intégration croissante de la production éolienne ne participant pas au réglage de fréquence induit de nouvelles difficultés de gestion des systèmes électriques. Ces problèmes sont d’autant plus significatifs que le réseau est faible. La présente thèse vise à évaluer la performance et la fiabilité du réglage de fréquence des éoliennes à l’échelle du système électrique. Les études sont appliquées sur un réseau insulaire.D’abord, l’impact d’un fort taux de pénétration de la production éolienne sur l’allocation de la réserve primaire et sur le comportement dynamique du réseau est caractérisé. Il est montré que la participation des éoliennes au réglage de fréquence est techniquement indispensable pour le maintien de la sûreté du système électrique à partir d’un certain taux de pénétration. Deux solutions permettant aux éoliennes de contribuer au réglage de fréquence sont ensuite étudiées par simulations dynamiques. La performance d’une inertie émulée est caractérisée en considérant l’impact du point de fonctionnement initial des éoliennes et des paramètres du contrôleur. La contribution de la réserve éolienne à l’amélioration de la performance dynamique du système est également identifiée.Afin d’évaluer le potentiel et la fiabilité de la réserve éolienne, la dernière partie de ce travail est consacrée aux études statistiques prenant en compte la variabilité et l’incertitude de la prévision de la production. Deux stratégies du placement de réserve sont proposées et comparées. L’impact des erreurs de prévision sur le potentiel de réserve éolienne est également mis en évidence. Enfin l’énergie réglante d’une ferme et la plage de réglage du statisme éolien sont caractérisées / The increasing development of wind power that does not participate in frequency control leads to new challenges in the management of electrical power systems. The problems are more significant in weak power grids. The present thesis aims to evaluate the performance and the reliability of frequency response from wind turbines on a system-wide scale. Studies are applied onto an isolated power grid.First of all, the impact of high levels of wind penetration on primary reserve allocation and on grid dynamic behaviour is characterized. It is shown that the participation of wind turbines in frequency regulation is technically required for maintaining power system security from a certain wind penetration rate.Two solutions allowing wind turbines to contribute to frequency control are then studied through dynamic simulations. The performance of emulated inertia is characterized by taking into account the impact of initial wind operating point and controller parameters. The contribution of wind power reserve to system dynamic performance improvement is also identified.In order to assess the potential and the reliability of wind primary reserve, the last part of this research work is devoted to statistical analyses considering the variability and the prediction uncertainty of wind generation. Two strategies for reserve allocation are proposed and compared. The impact of forecast errors on the potential of wind power reserve is also highlighted. Finally the power frequency characteristic of a wind farm as well as the droop adjustment range is characterized

L’intégration massive de la production d’énergie éolienne intermittente au niveau des réseaux électriques pose un problème de stabilité du système électrique. En effet les caractéristiques sont très différentes de celles de sources conventionnelles maîtrisées par les gestionnaires de réseau. Par conséquent, l’injection de cette énergie induit de nouveaux challenges pour les gestionnaires de réseaux électriques. De plus, les conditions de raccordement évoluent et tendent à ce que toutes les sources participent aux services rendus aux systèmes électriques. Les travaux de cette thèse sont focalisés sur la proposition d’une nouvelle stratégie de commande non-linéaire basée sur la commande par « platitude à une boucle » d’un système de conversion d’énergie éolienne. Cette stratégie de contrôle vise la gestion des interactions au point de connexion par la génération et le suivi de trajectoires de références. De par le fait que toutes les variables du système sont liées à la « sortie plate » de ce système, cette commande procure une rapidité de réponse et une bonne maitrise des régimes transitoires. La mise en œuvre de cette nouvelle stratégie de contrôle pour la constitution d’un parc éolien offshore, capable de satisfaire différentes conditions de raccordement a été simulée avec succès. Plus particulièrement, l’évaluation de l’impact de différents défauts du réseau sur les services proposés (Régulation de fréquence et de tension, la tenue aux creux de tension.) a été réalisée. / The massive integration of intermittent production of wind energy in electrical networks creates an electrical system stability problem. Indeed, its characteristics are very different from those of conventional sources controlled by Grid managers. Therefore, the injection of this energy makes new challenges for power Grid operators. Moreover, the connection conditions are evolving and go towards the situations that all different sources participate into services of electrical systems. This thesis proposes a new nonlinear control strategy based on a « one loop flatness control » of a wind energy conversion system. This control strategy has aim of energy interactions management at the connection point through generation and tracking of reference trajectories. As all system variables are functions of the « flat output » of the system, this control provides fast response and good control in transient state. The application of this new control strategy into an offshore wind farm which is able to satisfy different connection conditions was simulated successfully. Specifically, effects of various grid faults on the proposed ancillary services (frequency and voltage regulation, and low-voltage ride through capabilities) were performed.