High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission System

Abstract

Depuis plus de cent ans, la génération, la transmission, la distribution et l'utilisation de l'énergie électrique ont été principalement basées sur les systèmes AC. Les systèmes HVDC ont été considérés il y a quelques 50 ans pour des raisons techniques et économiques. De nos jours, il est bien connu que HVDC est plus pratique que AC pour les lignes aériennes de transport de 500 - 800 km de long. Cette distance de rentabilité diminue jusqu'à 50 km pour les câbles souterrains ou sous-marins. Au cours de la vingt et unième siècle, les transmissions HVDC sera un point clé dans le développement de l'énergie électrique verte. En raison des limitations de la capacité de courant des semi-conducteurs et les câbles électriques, les applications de forte puissance nécessitent des convertisseurs à haute tension. grâce à l'élaboration de dispositifs semi-conducteurs à haute tension, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs de forte puissance pour la conversion CA / CC dans la plage de puissance GW. Ce thèse est organisé comme suit. Tout d'abord, les systèmes HVDC sont introduits. leurs configurations classiques de source de courant Convertisseurs (CCM) et la source de tension Convertisseurs (VSC) sont présentés. Les topologies les plus attrayants pour les systèmes VSC-HVDC sont analysés. Le deuxième chapitre traite de la modélisation du système. Chaque composant est décrit en détail ci en présentant son rôle dans le système. Ensuite, la conception des stratégies de contrôle pour la transmission de puissance à base HVDC VSC sont étudiés. La technique PLL utilisée pour synchroniser le système mis au point avec la grille des tensions est également présenté dans cette section. Il contient également la conception du régulateur de courant, le régulateur de tension continue, les régulateurs de puissance active et réactive et le régulateur de tension alternative. Le processus de réglage de ces contrôleurs a été réalisé en utilisant SISOtool fournies par MATLAB / Simulink. Dans le troisième chapitre plusieurs études de cas sont réalisées dans le but d'analyser et de prouver le comportement du modèle de système de transmission HVDC développée à base de VSC. Enfin, les conclusions de la thèse et aussi des idées pour les travaux futurs sont indiqués. منذ أكثر من مائة عام, إنتاج, نقل, وتوزيع واستعمال الطاقة الكهربائية كان يعتمد أساسا على نظم الطاقة الكهربائية ذات التيار المتناوب. لكن ولأسباب تقنية و اقتصادية ومنذ ما يقارب الخمسين سنة تم الانتقال إلى نظم نقل الجهد العالي للتيار المستمر. وفي أيامنا هذه من المعروف أن نظم الجهد العالي للتيار المستمر مناسبة وفعالة أكثر لما يكون طول خط النقل في الخطوط الجوية أكثر من 500 كم إلى 600 كم. هذه المسافة تصبح 50 كم لما يتعلق الأمر بخطوط النقل تحت الأرض أو تحت البحر. خلال القرن الواحد والعشرين. سيكون لنظم نقل الطاقة بالجهد العالي للتيار المستمر دورا مفتاحيا في تطور الطاقة الخضراء. ويرجع ذلك إلى القيود المفروضة من حيث قدرة التيار الكهربائي لأنصاف النواقل والكابلات الكهربائية. إن تطبيقات الإستطاعة العالية تتطلب محولات ذات جهد عالي. هذه الأخيرة أصبح بالإمكان إنجازها بفضل التطور الكبير لتكنولجيا أنصاف النواقل حيث أصبح ممكن إنجاز محولات من التيار المستمر للمتناوب والعكس في حدود الجيجا واط.هذه المذكرة مقسمة كما يلي : أولا, تم عرض نظم نقل الطاقة الكهربائية بالجهد العالي للتيار المستمر. والإعدادات المعروفة لها وهي نظم كمصدر للتيار الكهربائي ونظم كمصدر للجهد الكهربائي وقد تم تحليل هذه الأخير نظرا لأنها ذات استعمال واسع. في الفصل الثاني تم التطرق إلى نمذجة هذا النظام حيث تم توضيح كل مكون على حد مع تبيان دوره في النظام. بعدها تم التطرق إلى استراتيجيات التحكم المستعملة في نظم مصادر الجهد. حيث تم استعما تقنية (PLL) من أجل مزامنة النظام مع الشبكة. هذا الفصل يحتوي أيضا على تقنيات التحكم بالتيار الكهربائي, التحكم بالجهد الكهربائي المستمر. في الفصل الثالث أجريت دراسة لعدة حالات من أجل تحليل وإثبات سلوكات نظم الجهد العالي للتيار المستمر المعتمدة على محولات مصدر الجهد.في الأخير خلاصة عاة للمذكرة و طرح بعض الأفكار من أجل الأعمال المستقبلية في هذا المجال. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The second chapter deals with the modeling of the system. Each component is separately explained by presenting its role in the system. Then The design of the control strategies for the VSC-based HVDC power transmission are investigated. The PLL technique used to synchronize the developed system with the grid voltages is also presented in this section. This chapter also contains the design of the current controller, the DC voltage controller, the active and reactive power controllers and the AC voltage controller. The tuning process of these controllers was realized using SISOtool provided by MATLAB/Simulink. In the third chapter several study cases are carried out in order to analyze and to prove the behavior of the developed VSC-based HVDC transmission system model. Finally, the conclusions of the thesis and also ideas for the future work are pointed out