Some Problems on the Analysis and Control of Electrical Networks with Constant Power Loads
Institution:
Université Paris-Saclay (ComUE)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The continuously increasing demand of electrical energy has led to the conception of power systems of great complexity that may extend even through entire countries. In the vast majority of large-scale power systems the main primary source of energy are fossil fuels. Nonetheless, environmental concerns are pushing a major change in electric energy production practices, with a marked shift from fossil fuels to renewables and from centralized architectures to more distributed ones. One of the main challenges that distributed power systems face are the stability problems arising from the presence of the so-called Constant Power Loads (CPLs). These loads, which are commonly found in information and communication technology facilities, are known to reduce the effective damping of the circuits that energize them, which can cause voltage oscillations or even voltage collapse. In this thesis, the main contributions are focused in understanding and solving diverse problems found in the analysis and control of electrical power systems containing CPLs. The contributions are listed as follows. (i) Simply verifiable conditions are proposed to certify the non existence of steady states in general, multi-port, alternating current (AC) networks with a distributed array of CPLs. These conditions, which are based on Linear Matrix Inequalities, allow to discard the values of the loads' powers that would certainly produce a voltage collapse in the whole network. (ii) For general models of some modern power systems, including High-Voltage Direct Current transmission networks and microgrids, it is shown that if equilibria exist, then there is a characteristic high-voltage equilibrium that dominates, entry-wise, all the other ones. Furthermore, for the case of AC power systems under the standard decoupling assumption, this characteristic equilibrium is shown to be long-term stable. (iii) A class of port-Hamiltonian systems, in which the control variables act directly on the power balance equation, is explored. These systems are shown to be shifted passive when their trajectories are constrained to easily definable sets. The latter properties are exploited to analyze the stability of their---intrinsically non zero---equilibria. It is also shown that the stability of multi-port DC electrical networks and synchronous generators, both with CPLs, can be naturally studied with the proposed framework. (iv) The problem of regulating the output voltage of the versatile DC buck-boost converter feeding an {em unknown} CPL is addressed. One of the main obstacles for conventional linear control design stems from the fact that the system's model is non-minimum phase with respect to each of its state variables. As a possible solution to this problem, this thesis reports a nonlinear, adaptive controller that is able to render a desired equilibrium asymptotically stable; furthermore an estimate of the region of attraction can be computed. (v) The last contribution concerns the active damping of a DC small-scale power system with a CPL. Instead of connecting impractical, energetically inefficient passive elements to the existing network, the addition of a controlled DC-DC power converter is explored. The main contribution reported here is the design of a nonlinear, observer-based control law for the converter. The novelty of the proposal lies in the non necessity of measuring the network's electrical current nor the value of the CPL, highlighting its practical applicability. The effectiveness of the control scheme is further validated through experiments on a real DC network.
Abstract FR:
La croissante demande d'énergie électrique a conduit à la conception de systèmes électriques de grande complexité où les combustibles fossiles constituent la principale source d'énergie. Néanmoins, les préoccupations environnementales poussent à un changement majeur dans les pratiques de production d'électricité, avec un passage marqué des énergies fossiles aux énergies renouvelables et des architectures centralisées à distribuées. Les problèmes de stabilité dus à la présence de ce qu'on appelle les Charges à Puissance Constante (CPLs) constituent l’un des principaux défis auxquels sont confrontés les systèmes électriques distribués. On sait que ces charges, que l’on trouve couramment dans les installations de technologie de l’information et de la communication, réduisent l’amortissement effectif des circuits qui les alimentent, ce qui peut provoquer des oscillations de tension, voire une chute. Dans cette thèse, les principales contributions sont centrées sur la compréhension et la résolution de divers problèmes rencontrés dans l'analyse et le contrôle de systèmes électriques contenant des CPLs. Les contributions sont énumérées comme suit. (i) Des conditions simplement vérifiables sont proposées pour certifier la non existence d'états en régime permanent pour des réseaux multi-ports, à courant alternatif avec une distribution de CPLs. Ces conditions, qui reposent sur les inégalités matricielles linéaires, permettent d’écarter les valeurs des puissances des charges qui produiraient certainement un effondrement de la tension sur l’ensemble du réseau. (ii) Pour des modèles généraux de certains systèmes électriques modernes, y compris les réseaux de transmission à courant continu haute tension et les microréseaux, il est montré que, si des équilibres existent, il existe un équilibre caractéristique à haute tension qui domine tous les autres. En outre, dans le cas des systèmes d'alimentation en courant alternatif sous l'hypothèse de découplage standard, cet équilibre caractéristique s'avère stable à long terme. (iii) Une classe de systèmes port-Hamiltoniens, dans laquelle les variables de contrôle agissent directement sur l'équation du balance de puissance, est explorée. Il est démontré que ces systèmes sont décalés de manière passive lorsque leurs trajectoires sont contraintes à des ensembles facilement définissables. Ces dernières propriétés sont exploitées pour analyser la stabilité de leurs équilibres intrinsèquement non nuls. Il a également été montré que la stabilité des réseaux électriques à courant continu multiports et des générateurs synchrones, tous deux connectés à des CPLs, peuvent naturellement être étudiée avec le cadre proposé. (iv) Le problème de la régulation de la tension de sortie du convertisseur buck-boost alimentant une CPL non connu est résolu. L'un des principaux obstacles à la conception de commandes linéaires classiques provient du fait que le modèle du système est de phase non minimale par rapport à chacune de ses variables d'état. Cette thèse rapporte un contrôleur adaptatif non linéaire capable de rendre un équilibre souhaité asymptotiquement stable; de plus, une estimation de la région d'attraction peut être calculée. (v) La dernière contribution concerne l'amortissement actif d'un système d'alimentation de petite taille à courant continu avec une CPL. Au lieu de connecter des éléments passifs peu pratiques et énergétiquement inefficaces au réseau existant, l’ajout d’un convertisseur de puissance contrôlé est exploré. La contribution principale rapportée ici est la conception d'une loi de contrôle non linéaire basée sur l'observateur pour le convertisseur. La nouveauté de la proposition réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de mesurer le courant électrique du réseau ni la valeur de la CPL, soulignant ainsi son applicabilité pratique. L'efficacité du schéma de contrôle est ensuite validée par des expériences sur un réseau à courant continu réel.