Commande non linéaire d’un DSTATCOM quatre bras multiniveaux couplé à une unité de stockage d’énergie supraconductrice (SMES)

Abstract

الملخص (بالعربية) : تؤدي الأحمال غير المتوازنة في أنظمة توزيع الطاقة ثلاثية الأطوار ذات الاربعة أسلاك إلى العديد من الاضطرابات والمشاكل المتعلقة بجودة الطاقة. إذ أنها تسبب إضطرابات في الفولطية، تقلبات في التردد، تيارات محايدة مفرطة وتيارات غير متوازنة للنظام ثلاثي الطور. للتعامل مع هذه الإضطرابات، يعتبرDSTATCOM (المعوض المتزامن الثابت) أحد أجهزة FACTS (أنظمة النقل المرنة) التي حظيت بإهتمام كبير لتحسين أداء أنظمة الطاقة و الاستقرار الديناميكي وتنظيم الجهد وضمان جودة أفضل للطاقة. تم تصميم DSTATCOM ذو الأربع أذرع خصيصا لأنظمة توزيع الطاقة ذات الأربعة أسلاك وذلك لتعويض تيار الحياد بالإضافة إلى تعويض الطاقة غير الفعالة، تنظيم الجهد وموازنة الأحمال. من ناحية أخرى، تسمح إمكانية دمج DSTATCOM مع أجهزة تخزين الطاقة الجديدة بتبادل الطاقة الفعالة وكذلك غير الفعالة مع الشبكة الكهربائية. تقدم هذه الأطروحة نظامDSTATCOM رباعي الأذرع ذو ثلاث مستويات موصول بوحدة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES). نقترح في هذه الأطروحة نموذج كامل ومفصل وأيضا خوارزمية تحكم بالاستناد إلى استراتيجية الفصل بين التيارات وأيضا تحسين موازنة الفولتية للمكثفات وذلك باستخدام التشكيل الثلاثي المتجهات متعدد المستويات (3DSVM) بالإضافة الى تقنية اخرى تستخدم القاطعة المتناوبة ثنائية الاتجاه. لتحسين أداء نظام التحكم في DSTATCOM/ SMES ، تم إقتراح تقنيتين غير خطيتين تعتمدان على تقنية الأسلوب الانزلاقي. تقنية التحكم المعتمدة على الاسلوب الانزلاقي من الدرجة الأولى والدرجة الثانية. أثبتت هذه الطرق فعاليتها من حيث الحد من تشوه التوافقيات الكلي، زمن الاستجابة، والحد من التجاوز في الفولتية. وفي الختام تم إجراء دراسة مقارنة على النتائج التي تم الحصول عليها من تقنيات التحكم المقترحة. كلمات مفتاحية : DSTATCOM, SMES , 3DSVM, ، نظام التحكم الإنزلاقي ـ أنظمة توزيع الطاقة ذات الاربعة أسلاك. Résumé (Français) : Dans un système de distribution triphasé à quatre fils, les charges déséquilibrées conduisent à de nombreux problèmes affectant la qualité d'énergie. En effet, elles provoquent des variations de l'amplitude de la tension, des fluctuations de la fréquence, un courant de neutre excessif et des courants déséquilibrés. Pour faire face à ces problèmes, le DSTATCOM (compensateur synchrone statique) est l'un des dispositifs FACTS (systèmes de transmission flexibles) les plus répandus pour améliorer les performances du système d'alimentation. Le DSTATCOM quatre bras est une version dédiée particulièrement au système à quatre fils utilisé généralement pour la compensation du courant de neutre, la compensation de la puissance réactive ainsi que la régulation de la tension alternative. Par ailleurs, la possibilité d'associer le DSTATCOM avec un dispositif de stockage d'énergie permet au compensateur d'échanger avec le réseau électrique non seulement de la puissance réactive mais aussi de la puissance active. C'est dans ce contexte que cette thèse est réalisée. La modélisation et la commande d’un DSTATCOM quatre bras trois niveaux couplé à un dispositif de stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES) sera présentée. Le contrôle découplé du système DSTATCOM/SMES proposé est réalisé sur la base de la théorie des composantes symétriques. En outre, l'équilibrage des tensions des condensateurs du bus DC est assuré soit à l'aide de la modulation vectorielle tridimensionnelle à trois niveaux (3DSVM) soit à base d’une stratégie appropriée de contrôle du hacheur. Afin d’améliorer les performances du système de contrôle du DSTATCOM/SMES, deux approches de commande par mode glissant seront proposées. Il s’agit des commandes par mode glissant du premier ordre et du second ordre basée sur l’algorithme du Super-Twisting. Ces méthodes ont prouvé leur efficacité en termes de réduction de la distorsion harmonique totale, du temps de réponse et de réduction du dépassement des tensions du bus continu et du point de couplage commun. Enfin, une étude comparative est réalisée sur les performances obtenues par les contrôleurs proposés. Mots-clés : Système de distribution à quatre fils, DSTATCOM, SMES, 3DSVM, Commande par mode glissant, Algorithme Super Twisting. Résumé (Anglais) : In a three-phase four-wire distribution system, unbalanced loads lead to many problems affecting power quality. Indeed, they cause variations in the amplitude of the voltage, fluctuations in the frequency, excessive neutral current and unbalanced currents. To deal with these problems, the DSTATCOM (Static Synchronous Compensator) is one of the most popular FACTS (Flexible AC Transmission Systems) devices for improving power system performance. The four-leg DSTATCOM is a version specifically dedicated to the four-wire systems generally used for neutral current compensation, reactive power compensation and AC voltage regulation. Moreover, the possibility of coupling DSTATCOM with an energy storage device enables the compensator to exchange not only the reactive power but also the active power with the electricity network. In this context, this thesis is realized. The modeling and control of a four-leg three-level DSTATCOM coupled to a Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) device will be presented. The decoupled control of the proposed DSTATCOM / SMES system is carried out based on symmetrical component theory. In addition, DC-link capacitors voltage balancing is provided either with three-dimensional space vector modulation (3DSVM) or with an appropriate chopper control strategy. In order to improve the performance of the DSTATCOM / SMES control system, two sliding mode control approaches will be proposed. The first order and second order sliding mode control based on the Super-Twisting algorithm. These methods have proven effective in reducing total harmonic distortion, response time, and reducing overshoot of the DC bus and common coupling point voltages. Finally, a comparative study is carried out on the performances obtained by the controllers proposed. Keywords: Four-wire distribution system, DSTATCOM, SMES, 3DSVM, sliding mode control, Super Twisting algorithm.