Un ilot non-intentionnel peut se former lorsque d’une petite partie du réseau est déconnectée du reste du système électrique, et continue pourtant de fonctionner à l’insu du gestionnaire de réseau en raison de la présence de générateurs locaux. Cet événement n’est pas voulu : le comportement des ilots n’est pas maitrisé, ce qui entraîne des risques potentiels pour les personnes et équipements électriques. L’ilotage non-intentionnel est un phénomène complexe et mal connu, aujourd’hui considéré comme rare, mais dont la probabilité d’apparition tend actuellement, a priori, à s’accroître progressivement. Cet accroissement est dû à l’effet conjugué de plusieurs phénomènes : premièrement, le développement des installations de production de petite et moyenne puissance, raccordées directement au réseau de distribution ; deuxièmement, l’élargissement des seuils de détection qui sont utilisés dans leurs protections de découplage ; et troisièmement, l’implémentation dans ces installations d’automatismes de régulation de puissance active et réactive. Dans ce contexte, la chaire industrielle Smartgrid d’Enedis a financé ces travaux de thèse afin de mieux caractériser ces phénomènes d’ilotage et d’améliorer leur détection.Afin d’atteindre ces objectifs, une première priorité de la thèse a été d’améliorer la compréhension des ilots non-intentionnels au travers d’une approche analytique. Celle-ci a notamment permis la résolution formelle d’un modèle simple capable d’expliquer le comportement en fréquence d’un îlot. Ces résolutions ont été enrichies par de nombreuses expérimentations en laboratoire et par des simulations numériques. Les modèles ont fait l’objet d’une étude bibliographique approfondie, notamment pour le choix des modèles de charge.Une seconde priorité de la thèse a été d’estimer l’efficacité des méthodes passives de détection d’ilotage au travers du calcul de la zone de non-détection (ZND). L'influence de plusieurs charges sur la ZND a été analysé, ce qui a permis d’améliorer la compréhension du phénomène complexe que sont les ilots non-intentionnels. L’efficacité des nouvelles protections anti-ilotage utilisant des seuils sur la dérivée en fréquence (ROCOF) a aussi fait l’objet d’évaluations approfondies. Enfin, les méthodes de calcul de ZND ont été améliorés par rapport aux méthodes préexistantes, ce qui a permis de radicalement améliorer l’estimation faite de l'impact des nouvelles régulations de puissance P(f) et Q(U). / Unintentional islands might appear when a subpart of the grid is disconnected from the power system and keeps working because of local generation. These events are unwanted: their behavior is not controlled and leads to potential risks for people and for electric equipment. Unintentional islanding is a complex phenomenon and badly understood. Nowadays it is considered to be rare, but a priori its occurrence probability is currently steadily increasing. This rising is the consequence of several phenomena: firstly, the development of distributed generation of small and average size directly connected to the distribution grid; secondly, the enlargement of frequency thresholds used by isolating protections; and thirdly, the implementation of power regulations of active and reactive power in the generation unit. Within this context, the Smart Grid chair of Enedis financed this PhD thesis in order to better characterize these islanding phenomena and to improve their detection.To achieve these targets, a first priority of the PhD was to improve the comprehension of unintentional islanding through symbolic calculation. This approach makes it possible to solve a simple model and to explain the evolution of the frequency during an island. These results are completed with several laboratory experiments and by numeric simulations. Models are designed based on a thorough bibliography, in particular for load modeling.A second priority of the PhD was to estimate the efficiency of anti-islanding protections through the computation of non-detection zone (NDZ). The impact of several loads on the NDZ is analyzed to improve the understanding of unintentional islanding, which is a complex phenomenon. The efficiency of new anti-islanding protections using thresholds on the rate of change of frequency (ROCOF) is also thoroughly evaluated. It is shown that the computation method used by the protection plays a key role. At last, the calculation methods of the NDZ is improved regarding previous methods. Among other things, it allows to radically change the estimations of the impact of new power regulations P(f) and Q(U).

Le but de cette thèse est l'optimisation du contrôle commande d'un système hydraulique réversible à vitesse variable. L'approche est d'abord traitée par simulation dynamique pour finir ensuite par validation expérimentale sur maquette physique temps réel hybride basée sur l'émulation (PHIL). La partie simulation concerne la modélisation des différents éléments de la microcentrale hydraulique tel que la turbine, la génératrice et l'interface d'électronique de puissance ainsi que le développement des lois de commande et la synthèse des différents régulateurs. Deux stratégie de contrôle ont été étudié, la première dite commande en vitesse associé à un algorithme MPPT adaptatif développé au cours de la thèse et la deuxième dite en puissance. Le management des contrôles commandes pour assurer la fonction de secours (backup) de la microcentrale hydraulique a été simulé et validé expérimentalement. Et enfin la transition rapide entre les deux modes de fonctionnement d'une petite station de transfert d'énergie par pompage a été proposé et validé par émulation sur la maquette physique. / The purpose of this thesis is to optimize the control command of a reversible variable speed hydraulic system. The approach is first treated by dynamic simulation and then finish by experimental validation on hybrid physical model based on real-time emulation (PHIL). The simulation part concerns the modeling of different elements such as micro-hydro turbine, generator and the power electronics interface and the development of control laws and synthesis of different regulators. Two control strategies were studied, the first so-called speed control associated with an adaptive MPPT algorithm developed during the thesis and the second strategy is based on power control. Management controls to ensure failover (backup) of the micro-hydro has been simulated and validated experimentally. And finally the rapid transition between the two modes of operation of a small variable speed pumped storage was proposed and validated by emulation on the physical model.

This work takes place in the context of distribution grids with high level of distributed generation, for example in microgrids. With high level of distributed generation, it has been shown that selective, fast and sensitive network protection is expected to be more difficult. Furthermore, during system restoration, the accurate fault location could be more challenging to assess, thereby increasing the average outage duration.<p>Thanks to cost reductions and improvement of information and communication technologies, future distribution networks will probably have advanced communication infrastructures and more measurement devices installed in order to manage the increasing complexity of those networks, which is primarily caused by the introduction of distributed generation at the distribution level.<p>Therefore this thesis investigates how the monitoring, protection and fault location functions can be improved by using system-wide measurements, i.e. real-time measurements such as synchronized voltage and current measurements recorded at different network locations. Distributed synchronized measurements bring new perspectives for these three functions: protection and fault location are usually performed with local measurements only and synchronized measurements are not common in monitoring applications. For instance, by measuring distributed generators infeed together with some feeder measurements, the protection is expected to be more sensitive and selective and the fault location to be more accurate.<p>The main contribution of this work is the use of state estimation, which is normally only used for network monitoring, for the protection and the fault location. <p>The distribution system state estimation is first developed using the classical transmission system approach. The impact of the placement of the measurement devices and of a relatively low measurement redundancy on the accuracy, on the bad data detection and on the topology error identification capabilities of the estimator are discussed and illustrated. This results in recommendations on the placement of the meters.<p>Then, a backup protection algorithm using system-wide measurements is presented. The coherence of the measurements and the healthy network model are checked thanks to a linear three-phase state estimation. If the model does not fit to the measurements and if the estimated load is too high or unbalanced, a fault is detected. The advantages of the method are that the voltage measurement redundancy is considered, improving the detection sensitivity, and that load models may be considered in the algorithm, avoiding the need to install measurement devices on every line of the network.<p>Finally, two new impedance-based fault location algorithms using distributed voltage and current recordings are proposed. By defining statistical errors on the measurements and the network parameters, a method to compute a confidence interval of the fault distance estimate is proposed. The fault location accuracy and its sensitivity to the fault conditions (e.g. fault resistance or fault type) and to the different sources of error are assessed on a simulated distribution system. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le but de ce document est de vérifier la faisabilité d’un relais de protection de synchronisme en utilisant la fouille de données et les arbres de décisions. En utilisant EMTP-RV, 180 simulations ont été effectuées sur le réseau Anderson en variant l’endroit auquel survient le court-circuit, la durée, le type, ainsi que le load-flow. Pour chacune de ces simulations, 39 mesures électriques ainsi que huit mesures mécaniques sont sauvegardées. Ces simulations sont ensuite classées stables et instables en utilisant le centre d’inertie d’angle et de vitesse. Trente-trois nouvelles autres variables sont déduites des 39 premières et sont ajoutées en utilisant MATLAB. Avec le logiciel KNIME, les arbres de décision de type C4.5, CART, ADABoost, ADTree et les forêts aléatoires sont modélisées et leurs performances en fonction de la période d’échantillonnage sont comparées. Une réduction de variable par filtre de type Consistency Subset Eval, Symmetrical Uncert Attribute Set Eval et Correlation-based Feature Subset Selection est ensuite appliquée. Les simulations sont visualisées en utilisant l’ensemble de validation. Les résultats montrent que l’utilisation d’une fréquence de 240 [Hz] et 28 variables est suffisante pour obtenir, en moyenne, une aire sous la courbe de 0.9591 pour l’ensemble de test et de validation des 4 générateurs. / The goal of this document is to verify the feasability of an out-of-step relay using data mining and decision trees. Using EMTP-RV and the Anderson network, 180 simulations were done while changing the place of the short circuit, the length, the type and the load-flow. For these simulations, 39 electrical measures and 8 mechanical measures were made. These simulations were then classified as stable or instable using the center of inertia of angle and speed. With MATLAB, 33 new other variables were created by using the first 39, and then with KNIME, decisions trees such as C4.5, CART, ADABoost, ADTree and random forest were simulated and the sampling time versus the performances were compared. Using Consistency Subset Eval, Symmetrical Uncert Attribute Set Eval and Correlation-based Feature Subset Selection, the features were reduced and the simulations were visualised using the validation set. Results show that with a sampling frequency of 240 [Hz] and 28 variables is enough to obtain a mean area under the curve of 0.9591 for the training and the validation set of the 4 generators.

La Directive européenne et les politiques de prévention du changement climatique conduisentà un développement important des Énergies Renouvelables pour la production d'électricité. Cecontexte politique est en train d'induire l'insertion massive de production intermittente d'origineéolien dans les réseaux électriques. Pour répondre à la question des limites de l'intégration de l'éoliendans les réseaux électriques, nous nous appuyons sur l'étude des aspects technique et économiques.Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse d'une part à l'étude de l'efficacité des dispositifs d'incitationéconomique du point de vue de leur efficacité à stimuler la croissance de l'énergie éolienne et d'autrepart, aux problématiques techniques de court et long terme liées à l'intermittence de l'éolien. Dans lecourt-terme, les problèmes du réseau électrique ainsi que les ajustements dans le marché del'électricité sont abordés. Dans le long terme, l'impact de l'éolien sur la sûreté de fonctionnement estévalué au moyen d'un algorithme de calcul du crédit de capacité de l'éolien.

Since the last United Nations Climate Change Conference in 2015 in Paris (the COP 21), world leaders acknowledged climate change. There is no need any more to justify the switch from fossil fuel-based to renewable energy sources. Nevertheless, this transition is far from being straightforward. Besides technologies that are not yet mature -- or at least not always financially viable in today's economy -- the power grid is currently not ready for a rapid and massive integration of renewable energy sources. A main challenge for the power grid is the inadequacy between electric production and consumption that will rise along with the integration of such sources. Indeed, due to their dependence on weather, renewable energy sources are intermittent and difficult to forecast with today's tools. As a commodity, electricity is a quite distinct good for which there must be perfect adequacy of production and consumption at all time and characterized by a very inelastic demand. High shares of renewable energy sources lead to high price volatility and a higher risk to jeopardize the security of supply. Additionally, the switch to renewable energy sources will lead to an electrification of loads and transportation, and thus the emergence of new higher-consumption loads such as electric vehicles and heat pumps. These new and higher-consumption loads, combined with the population growth, will cause over-rated power load increases with less predictable load patterns in the future.This work focuses on issues specific to the distribution power grid in the context of the current energy transition. Traditional low-voltage grids are perhaps the most passive circuits in power grids. Indeed, they are designed primarily using a fit and forget approach where power flows go from the distribution transformer to the consumers and no element has to be operated or regularly managed. In fact, low-voltage networks completely lack observability due to very low monitoring. The distribution grid will especially undergo drastic changes from this energy transition. Distributed sources and new high-consumption -- and uncoordinated -- loads result in new power flow patterns, as well as exacerbated evening peaks for which it is not designed. The consequences are power overloads and voltage imbalances that deteriorate grid components, such as a main asset like the medium-to-low voltage transformer. Additionally, the distribution grid is characterized by end-users that pay a price for electricity that does not reflect the grid situation -- that is, mostly constant over a year -- and allow little to no actions on their consumption.These issues have motivated authorities to propose a global approach to ensure security of electricity supply at short and medium-term. The latter requires, among others, the development of demand response programs that encourage users to take advantage of load flexibility. First, we propose adequate electricity pricing structures that will allow users to unlock the potential of such demand response programs; namely, dynamic pricings combined with a prosumer structure. Second, we propose a fast and robust two-level optimization, formulated as a mixed-integer linear program, that coordinates flexible loads. We focus on two types of loads; electric vehicles and heat pumps, in an environment with solar PV panels. The lower level aims at minimizing individual electricity bills while, at the second level, we optimize the power load curve, either to maximize self-consumption, or to smoothen the total power load of the transformer. We propose a parametric study on the trade-off between only minimizing the individual bills versus only optimizing power load curves, which have proven to be antagonist objectives. Additionally, we assess the impact of the rising share of flexible loads and renewable energy sources for scenarios from today until 2050. A macro-analysis of the results allows us to assess the benefits of load flexibility for every actor of the distribution grid, and depending on the choice of a pricing structure. Our optimization has proved to prevent evening peaks, which increases the lifetime of the distribution transformer by up to 200%, while individual earnings up to 25% can be made using adequate pricings. Consequently, the optimization significantly increases the power demand elasticity and increases the overall welfare by 10%, allowing the high shares of renewable energy sources that are foreseen. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La reconnaissance des perturbations survenant sur les réseaux HTA est une problématique essentielle pour les clients industriels comme pour le gestionnaire du réseau. Ces travaux de thèse ont permis de développer un système d’identification automatique. Il s’appuie sur des méthodes de segmentation qui décomposent de manière précise et efficace les régimes transitoires et permanents des perturbations. Elles utilisent des filtres de types Kalman linéaire ou anti-harmoniques pour extraire les régimes transitoires. La prise en compte des variations harmoniques et de la présence de transitoires proches se fait à l’aide de seuils adaptatifs. Des méthodes de correction du retard a posteriori permettent d’améliorer la précision de la décomposition. Des indicateurs adaptés à la dynamique des régimes de fonctionnement analysés sont utilisés pour caractériser les perturbations. Peu sensibles aux erreurs de segmentation et aux perturbations harmoniques, ils permettent une description fiable des phases des perturbations. Deux types de systèmes de décision ont également été étudiés : des systèmes experts et des classifieurs SVM. Ces systèmes ont été mis au point à partir d’une large base de perturbations simulées. Leurs performances ont été évaluées sur une base de perturbations réelles : ils déterminent efficacement le type et la direction des perturbations observées (taux de reconnaissance moyen > 98%). / The recognition of disturbances affecting MV networks is essential to industrials and distribution system operators. The aim of this thesis work is to design a near real-time automatic system able to detect and identify disturbances from their waveforms. Segmentation methods split the disturbed waveforms into transient and steady-state intervals. They use Kalman filters or anti-harmonic filters to extract the transient intervals. Adaptive thresholding methods increase the detection capacity while a posterior delay compensation methods improve the accuracy of the decomposition. Indicators adapted to the disturbance dynamic are used to characterize its steady-state and transient phases. They are robust to segmentation inaccuracies as well as to steady-state disturbances such as harmonics. Two distinct decision systems are also studied: expert recognition systems and SVM classifiers. During the learning stage, a large simulated event database is used to train both systems. Their performances are evaluated on real events: the type and direction of the measured disturbances are determined with a recognition rate over 98%.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l'Hystérésis à Zones Carrées et l'Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d'équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d'expérimentation montrent que la stratégie basée sur l'HZCi est meilleure en termes de forme d'onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l'éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration dans le réseau électrique du limiteur supraconducteur de courant (SCFCL). Un modèle du ruban supraconducteur ont été développé et validé grâce à une comparaison avec des tests expérimentaux. Premièrement, ce modèle a permis le dimensionnement du SCFCL du projet Eoccoflow (projet européen). Dans un deuxième temps, le modèle de SCFCL est intégré dans différents types de réseau. D'une part, l'intégration du SCFCL dans les réseaux haute tension continu maillés rend vraisemblable la protection de tels réseaux. D'autre part, grâce au SCFCL de nouvelles architectures du réseau de distribution sont proposées permettant l'intégration massive de génération distribuée. Cette thèse se clot sur le dimensionnement et les tests d'un SCFCL pour un réseau à taille réduite.

Dans le contexte de l’avion plus électrique, les réseaux électriques aéronautiques sont en pleine évolution. Cette évolution est poussée par le besoin d’une intégration à forte densité énergétique ce qui pose des défis aux concepteurs en termes d’architectures, de systèmes et de méthodes de dimensionnement.Un réseau de bord est composé d’un ensemble de systèmes électriques multidisciplinaire qui proviennent de différents fournisseurs dont le design est actuellement effectué en répondant à des standards de qualité spécifiés par l’agrégateur. L’objectif de la thèse est de proposer de nouvelles approches intégrées qui permettent de gérer la complexité des réseaux électriques tout en convergeant vers un résultat optimal, offrant des gains de masses en référence à un design par des « approches mécanistes » reposant sur un agrégat de boucles d’optimisation locales. Une approche multiniveau a été développée en s’inspirant des travaux sur la MDO « Multidisciplinary Design Optimization ». L’élaboration de cette approche a été le résultat d’une expertise accumulée en appliquant différentes méthodes disponibles dans la bibliographie. L’optimisation porte plus spécifiquement sur les filtres d’entrée des charges du réseau ainsi que sur le filtre de sortie du canal de génération du réseau électrique embarqué. L’optimisation multiniveau vise, dans un contexte collaboratif, à itérer entre le niveau agrégateur (niveau réseau) et le niveau équipementier (charges et source du réseau). L’utilisation d’une formulation agrégée au niveau réseau et le respect des causalités au niveau des sous-problèmes sont les principaux atouts de cette approche qui conduit à des solutions proches de l’optimum global de masse de filtres. / Within more electric aircraft context, electric systems and networks have to evolve. High energy density integration pushes designers to reconsider their systems, architectures and tools.An aircraft network contains a large number of multidisciplinary systems which come from different manufacturers. Each manufacturer designs its system separately following quality standards specified by the aggregator. The goal of this thesis is to provide system approaches which could deal with the high-level of complexity of the network while reaching the optimal design of all the system and so reduce the total weight in comparison with mechanistic approaches based on independent optimization loops for the different subsystems.Consulting MDO “Multidisciplinary Design Optimization” researches, we have developed a multilevel approach based on our previous studies and conclusions on classical approaches used in the design of electrical systems. The optimization concerns the input filters of the loads connected to the HVDC bus and the output filter of the generating channel which supply the electric power. The multilevel collaborative optimization allows an automated exchange of data between the aggregator (system level) and manufacturers (sub-system level) and thanks to that, the optimal design of all the system is joined. The strong points of this approach are the aggregated formulation and causality connections between sub-systems.