SyNPID - Auto-synchronisation dans les réseaux électriques avec dynamique périodique

Coordinateur : Monsieur Denis Efimov INRIA de l’Université de Lille - CRIStAL

Équipe : VALSE du Groupe Thématique : CO2.

Dates : 10/20 - 01/24

Résumé :

Poussée par des objectifs politiques mais aussi environnementaux et facilitée par les avancées technologiques, l’utilisation des énergies renouvelables n’a cessé d’augmenter au cours des dernières années. Le gouvernement français vise à atteindre 113 GW de capacité d’énergie renouvelable installée d’ici 2028, soit plus du double par rapport à 2017. En outre, le gouvernement allemand a fixé dans son accord de coalition actuel une part cible d’au moins 65% des la production d’électricité renouvelable d’ici 2030. Bien que la transition vers un avenir sobre en carbone soit hautement souhaitable, elle a des implications énormes pour le fonctionnement des futurs systèmes électriques. En particulier, dans les systèmes à courant alternatif (AC), le remplacement des générateurs synchrones par des appareils à interface inverseuse entraîne une réduction significative de l’inertie du système disponible et peut conduire à une dynamique de fréquence beaucoup plus rapide dans le réseau. De tels systèmes d’alimentation dominés par des onduleurs sont appelés systèmes à faible inertie. Afin de garantir un fonctionnement abordable, efficace et durable dans de tels systèmes, de nouvelles solutions de contrôle méthodiques, robustes et flexibles sont nécessaires. Motivé par cela, le projet SyNPiD est consacré au développement d’un cadre méthodique pour l’analyse globale et la conception de contrôle dans des systèmes dynamiques non linéaires, qui sont périodiques dans une partie des coordonnées d’état. Ce dernier est une propriété intrinsèque des systèmes de puissance AC et, en raison de la périodicité, conduit également à l’existence d’équilibres multiples. En s’appuyant sur de vastes travaux antérieurs conjoints des deux partenaires, une caractéristique unique de la méthodologie de recherche proposée est qu’elle exploite explicitement la périodicité inhérente à la dynamique du système d’alimentation afin d’assouplir les exigences habituelles de l’analyse de stabilité standard et des méthodes de conception de contrôle, telles que le caractère définitif des fonctions de Lyapunov, qui entravent généralement l’établissement de propriétés globales pour les systèmes d’alimentation en courant alternatif. Une attention particulière sera accordée à l’analyse de stabilité et à la conception du contrôleur pour les mécanismes d’auto-synchronisation. Pour un système interconnecté, l’auto-synchronisation signifie que la synchronisation se produit sans aucun signal externe ni action artificielle. Les résultats obtenus formeront un pont entre des concepts théoriques innovants pour la synthèse de contrôle et un domaine d’application important traitant des systèmes énergétiques durables et verts du futur, qui sont au cœur de nombreuses initiatives scientifiques européennes et nationales. Le consortium est composé de la chaire de systèmes de contrôle et de technologie de contrôle de réseau de l’Université de technologie de Brandebourg Cottbus-Senftenberg (BTU), en Allemagne, et de l’équipe Valse d’Inria, en France, qui ont une complémentarité claire démontrée par une collaboration de longue date et réussie sur les sujets du projet. Les résultats du projet présentent un potentiel de transfert élevé, dont la réalisation, ainsi que l’excellence scientifique des résultats obtenus, sont les principaux objectifs de SyNPiD.

Abstract :

Driven by political as well as environmental goals and facilitated by technological advances, the use of renewable energies has steadily increased over the past years. The French government aims at up to 113 GW of installed renewable energy capacity by 2028 - more than double com-pared to 2017. Also, the German government has set out in its current coalition agreement a tar-get share of at least 65% of electric renewable generation by 2030. Though the transition to a low-carbon future is highly desirable, it has tremendous implications for the operation of future power systems. In particular, in alternating current (AC) systems the replacement of synchronous generators with inverter-interfaced devices results in a significant reduction of the available system inertia and can lead to much faster frequency dynamics in the grid. Such inverter-dominated power systems are called low-inertia systems. In order to secure an affordable, efficient and sustainable operation in such systems, novel methodical, robust and flexible control solutions are needed. Motivated by this, the project SyNPiD is devoted to the development of a methodical framework for global analysis and control design in nonlinear dynamical systems, which are periodic in a part of the state coordinates. The latter is an intrinsic property of AC pow-er systems and, due to the periodicity, also leads to the existence of multiple equilibria. By building upon extensive previous joint work of both partners, a unique feature of the proposed re-search methodology is that it explicitly exploits the inherent periodicity of the power system dynamics in order to relax the usual requirements of standard stability analysis and control design methods, such as definiteness of Lyapunov functions, which typically hamper the establishment of global properties for AC power systems. Special emphasis will be given to the stability analysis and controller design for self-synchronizing mechanisms. For an interconnected system self-synchronization means that synchronization occurs without any artificially introduced external signal nor action. The obtained results will form a bridge between innovative theoretical concepts for control synthesis and an important application domain dealing with sustainable and green future energy systems, which are at the core of many European and national scientific initiatives. The consortium is composed by the Chair of Control Systems and Network Control Technology at Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg (BTU), Germany, and Valse team of Inria, France, which have a clear complementarity demonstrated by a long-standing, successful collaboration on the project’s subjects. The outcomes of the project exhibit high transfer potential, whose realization, together with the scientific excellence of the obtained results, are the main goals of SyNPiD.