Contributions to analysis and prevention of power system blackouts
Contribution à l'analyse et à la prévention des blackouts de réseaux électriques
Résumé
The electrical power system plays an important role as the major infrastructure in any country. However, with the increases in economic and environment pressures, power systems now become large-scale, more complex and operating closer to their stability limit. Some power system blackouts occurred around the world in recent years are consequence of that situation. The main objective of this dissertation is to find some preventive solutions to avoid future power systems blackout. Some major analyses of past blackout phenomena were firstly investigated in order to understand the main causes and mechanism. From these analyses, the major reasons for power system blackouts are directly related to the stability problems, such as angle and voltage stability. In order to prevent power system from blackout caused by small signal stability, a novel energy approach based on controllability and observability gramians has been proposed. The method was applied to choosing the optimal selection of inputs in order to add damping to reduce power system oscillations. The results could be applied to large-scale power systems in order to build a new control structure with robustness properties. In this dissertation, this energy approach was also applied to prevent transient stability. The approach employs a heuristic method combination with controllability gramians to choose generators which are used to resdispatch power generation output in order to improve transient stability by mean of increasing critical clearing time. Finally, major factors influenced on voltage collapse have been taken into account through long-term dynamic simulation. One preventive control strategy based on optimal power flow has also been proposed. From the prevention point of view, some major discussions of undervoltage load shedding based on intelligent and directly controlled load have been given and tested.
Le réseau électrique joue un rôle important en tant qu'infrastructure majeure dans chaque pays. Toutefois, avec l'accroissement de la pression économique et environnementale, les systèmes électriques deviennent plus étendus, plus complexes et fonctionnant plus près de leur limite de stabilité. Les blackouts de réseau électrique qui se sont produits dans le monde ces dernières années sont la conséquence de cette situation. Cette thèse a pour objectif de fournir des solutions permettant de prévenir les blackouts de réseaux électriques. Une analyse des phénomènes de blackouts passés est tout d'abord proposée afin de comprendre leurs principales causes et leurs mécanismes. Sur la base de cette analyse, il est établi que les principales causes de blackouts sont directement liées aux problèmes de la stabilité, tels que la stabilité angulaire et la stabilité de tension. Afin de pouvoir prévenir les pannes du réseau causées par les problèmes de stabilité, une nouvelle approche énergétique fondée sur l'utilisation des gramiens de commandabilité et d'observabilité a été proposée. La méthode permet la meilleure sélection de contrôleurs/capteurs afin de pouvoir améliorer l'amortissement des oscillations électriques. Les résultats pourraient être appliqués à grande échelle aux systèmes électriques, afin de construire une nouvelle structure de commande robuste. Dans ce mémoire, cette approche énergétique a également été appliquée afin de maîtriser la stabilité transitoire. Il s'agit d'une méthode heuristique utilisant le gramien de commandabilité comme moyen de choisir les générateurs qui sont utilisés pour replanifier la production d'électricité afin d'améliorer la stabilité transitoire de plus en plus critique lors d'un blackout. Enfin, les principaux facteurs influençant l'écroulement de tension ont été pris en compte à long terme grâce à une approche par simulation dynamique. Une stratégie de contrôle préventif fondée sur un « power flow » optimal a été également proposée. Du point de vue de la prévention, le problème du délestage de charges en cas de sous-tension a été discuté et évalué.
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