ABSTRACT:
Over the past two decades, electric utilities operate
their power systems at full power and often closer to their stability limits.
The small signal stability improvement, in particular the damping of inter-area
oscillations, has become, therefore, a priority. Interactions between the
generators of different regions and their regulators require a global
optimization of their performances: this is the best way to ensure the whole
optimal behaviour. Our work objective is to ensure a maximum damping of the
inter-area modes as well as of the local modes, using power system stabilizer
(PSS) that is habitually used in the damping of electromechanical local modes.
Thus, we have developed a global optimization method based on genetic
algorithms and a multiobjective function using relative and absolute stability
parameters that are obtained of the system eigenvalue analysis. We have
analyzed the influence of the gradual increase of the variable number that to
be optimized simultaneously (PSS parameters, their location and number). The
proposed method allows an optimal setting of PSSs with the best possible
location and a reduced number. We have also proposed a new optimization method
using dynamic search space. This can improve the optimization performance as
well as the convergence acceleration. The performance of these optimization
methods has been evaluated on the New England/ New York multimachine system via
linear model eigenvalue analysis, and non-linear time domain
simulations.
KEYWORDS: Small signal stability, Power
system stabilizer, Global optimization, Genetic Algorithms, Linear system
analysis.
Remerciements
J'ai débuté ce travail au laboratoire
Compatibilité Electromagnétique de Marseille (LaCEM) sous la
direction de Monsieur Michel THOLOMIER, que je tiens à remercier pour
m'avoir accueilli au sein de son laboratoire. Suite au départ de
Monsieur THOLOMIER à la retraite et la fermeture du laboratoire, je fus
à la recherche d'un autre laboratoire qui me permettrait de continuer
mon travail. Monsieur Marcel PASQUINELLI a accepté avec beaucoup de
gentillesse et de générosité de prendre la direction de ma
thèse et de m'aider à terminer mon étude dans les
meilleures conditions possibles. C'est pourquoi je tiens à lui exprimer
mon extrême reconnaissance pour son soutien moral et son aide
précieuse.
Pour avoir accepté de présider le jury, je tiens
à remercier Monsieur Seddik BACHA, Professeur des
Universités au Laboratoire G2Elab de INP de Grenoble, et d'avoir
porté la plus grandes des attentions à mon travail.
Je tiens également à remercier Monsieur Shahrokh
SAADATE, Professeur des Universités au Laboratoire GREEN de
l'Université Nancy1 et Monsieur Mohamed MACHMOUM, Professeur des
Universités au Laboratoire IREENA de l'Université de Nantes pour
l'intérêt qu'ils ont porté à mes travaux en
acceptant d'en être rapporteur.
Je tiens à remercier du plus profond de mon coeur Jean
DUVEAU, mon cher et précieux coencadrant, aussi incroyable sur le plan
humain que professionnel. Ton empreinte dans ce travail est remarquable, ta
présence en particulier dans la dernière phase de ma thèse
et la préparation de ma soutenance on était indispensable pour
réussir dans cette difficile mission. En outre l'aide que tu m'as
apporté, ton esprit "d'expérimentation" m'a donné une
autre vision sur mon travail et sur la relation recherche-expérience. Tu
as une qualité rare de nos jours, tu es un homme de parole.
Je tiens à remercier Monsieur THOLOMIER et Monsieur
CHOUCHA de m'avoir apporté aide et soutien moral. Mes meilleures
pensées vont également vers Monsieur TOLBA qui m'a aidé
sincèrement au démarrage de ma thèse.
Sans bien-sûr oublier, lors de mon passage au
laboratoire, la bonne humeur et l'ambiance chaleureuse qu'on sut créer
Chafik et Raluka. Je vous en remercie vivement.
Quant aux amis, que puis je dire ici pour les remercier ? Ils
ont tous été des soutiens d'exception. J'envoie vers eux cette
phrase de Gibran KHALIL GIBRAN : « Et que dans la douceur de
l'amitié réside la joie et le partage des plaisirs. Car dans la
rosée des menues choses le coeur trouve son matin et se ranime.
»
Douce et gentille Michèle, tu resteras toujours le seul
témoin des tracas et des joies qui ont parsemés mes trois
années de thèse. Le hasard n'existant pas, notre amitié
devait être depuis longtemps inscrite dans ma destinée comme une
ancre. Même si en amitié rien ne se compte, je te dois beaucoup.
Je vous serais à jamais reconnaissant pour m'avoir ouvert les bras. Toi
et Jo m'avez offert un cadeau inestimable : une famille.
Sabrina, je ne te dis pas merci, un remerciement ne serait pas
suffisant. Le goût de l'amitié est tellement différent avec
toi ! Ta JOIE, ton esprit, ta passion pour les cultures du monde, ta
curiosité sont des qualités que j'apprécie chaque jour. Je
n'oublierais jamais ton aide précieuse dans la partie la plus difficile
de cette thèse : les remerciements.
Rafif, Rawya et leur petit ange Zina, une famille
merveilleuse. Mes premiers jours à Marseille ont été
marqués par votre rencontre. Avec vous, je suis toujours inondé
par la joie de l'amitié. Que de bons souvenirs avec vous, des
Narguilés en hiver, des balades en été et les sourires et
les rires de Zina. En bref, du réconfort.
Cher Abou-Ziad, Professeur Fouad, de tes montagnes
grenobloises, tu as été mon premier soutien en France et le rayon
de soleil de notre ville natale, Salamieh dont Mohammed ALMAGHOUT parlait ainsi
: « Cette ville réside dans mon sang. »
Notre amitié, nos échanges culturels sont des
richesses inestimables pour moi. Chez toi, j 'ai rencontré une famille,
un grand ami et un grand frère. Un esprit ouvert et cultivé, avec
au coeur des projets extraordinaires. Que notre ville puisse un jour profiter
de tes desseins.
Sawsan, la distance n'a jamais affaibli notre amitié.
De la Syrie à Lille en passant par Lyon, tu restes une fille très
audacieuse et pleine d'ambition. Tu mérites le meilleur de la vie. Je te
serais toujours reconnaissant pour ton amitié.
Je n'oublierais pas mes amis de Grenoble. Nigar et sa famille
merveilleuse, Navaz, Chemir, Khaled, ... Je vous remercie chaleureusement pour
votre amitié, gentillesse, soutien et les tonnes de moments inoubliables
que nous avons passés ensemble.
Ma famille, que deviendrais-je sans vous ? Je ne serais pas
là où j'en suis sans votre soutien. Des encouragements, sans
cesse renouvelés, au moment les plus difficiles dans tout mon parcours,
vous avez sans relâche cru en moi. Malgré la distance, j'ai
toujours senti votre amour et votre présence à mes
côtés. Papa, maman, mes frères, mes cousins et ma cousine
Huda dit Hadhood, mes oncles, mes tantes, ma tante Chahrow, mon
grand-père et ma grand- mère, mes beaux-parents, vous êtes
nombreux mais une seule grande famille. Un amour et une joie infinis.
Sarab, mon amour eternel que j 'ai attendu depuis toujours. Au
moment où je n'espérais plus, notre amour est né ...
« Mais l'amour n'est-elle pas un cadeau que l'on reçoit quand on ne
s'y attend pas ? » comme le dit Ahlam MOSTEGHANEMI.
Depuis, j'ai une vie plus belle que je ne l'aurais jamais
rêvé. Aucun mot n'est assez fort pour te témoigner ma
reconnaissance. Grâce à toi, toute ma peine pour conclure ce
travail a été particulièrement adoucie. Le bonheur avec
toi n'est pas une destination mais une trajectoire.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE 8
Chapitre I : Modélisation du système de
puissance 12
1.1- Introduction. 13
1.2- Les phénomènes dynamiques.
14
1.2.1 - Les phénomènes de propagation. 15
1.2.2- Les phénomènes
électromagnétiques 15
1.2.3- Les phénomènes
électromécaniques. 15
1.2.4- Les phénomènes thermodynamiques. 15
1.3- Le modèle général
non-linéaire 16
1.3.1- Introduction 16
1.3.2-Les éléments du modèle. 17
1.3.2.1- Modèle du générateur. 17
1.3.2.1.1- Modèle de la machine synchrone dans le
repère de Park. 17
1.3.2.1.2- Les hypothèses du modèle.
19
1.3.2.1.3- Equations électriques. 20
1.3.2.1.4- Equations mécaniques. 21
1.3.2.1.5- Régulation du générateur.
23
1.3.2.1.5.1- Régulateur de fréquence et
modèle du turbine. 23
1.3.2.1.5.2- Régulateur de tension et modèle du
système d'excitation. 25
1.3.2.2- Réseau de transport. 27
1.3.2.2.1- Modèle de transformateurs. 27
1.3.2.2.2- Modèle des lignes de transmission.
28
1.3.2.3- Modèle des charges. 29
1.3.2.4- Mise en équations du réseau de transport.
30
1.3.3- Les équations d'état
généralisé du modèle. 32
1.4- Le modèle linéaire. 35
1.4.1- Introduction : Linéarisation du modèle 35
1.4.2- Application au système de puissance 37
1.4.3- Analyse du modèle linéaire 37
1.4.3.1- Introduction. 37
1.4.3.2- Valeurs propres. 37
1.4.3.3- Analyse modale 40
1.4.3.3.1- Vecteurs propres. 40
1.4.3.3.2- Facteur de participation. 41
1.4.3.3.3- Résidus. 43
1.5- Conclusion. 44
Chapitre II : Stabilité du système de
puissance 46
2.1- Introduction. 47
2.2- La stabilité au sens de Lyapunov
47
2.2.1 - Définitions de la stabilité. 47
2.2.1.1- Stabilité du point d'équilibre. 48
2.2.1.2- Stabilité asymptotique 48
2.2.1.3- Stabilité exponentielle 49
2.2.2- Méthodes d'analyse de stabilité au sens de
Lyapunov. 49
2.2.2.1 - Première méthode de Lyapunov
(méthode indirecte). 49
2.2.2.2- Deuxième méthode de Lyapunov
(méthode directe). 50
2.2.3- Conclusion. 51
2.3- Les différents types de la stabilité
de système de puissance. 51
2.3.1 - La stabilité de l'angle de rotor. 53
2.3.1.1- Introduction. 53
2.3.1.2- Stabilité angulaire aux grandes perturbations
(stabilité transitoire). 54
2.3.1.3- Stabilité angulaire aux petites perturbations
(stabilité dynamique). 59
2.3.2- La stabilité de tension. 59
2.3.3 - La stabilité de fréquence. 61
2.3.4- Conclusion. 62
2.4- Etude de la stabilité angulaire aux petites
perturbations 62
2.4.1 - Introduction. 62
2.4.2- Variation de couple électromagnétique 63
2.4.2.1- Couple synchronisant TS. 63
2.4.2.2- Couple d'amortissement TA. 64
2.4.3- Influence du système d'excitation sur la
stabilité angulaire. 64
2.4.3.1- Influence sur la stabilité transitoire 65
2.4.3.2- Influence sur la stabilité dynamique. 66
2.4.4- Les différents types d'oscillations à
faibles fréquences 67
2.4.4.1 - Les oscillations des modes locaux. 67
2.4.4.2- Les oscillations des modes globaux. 68
2.4.4.3- Les oscillations des modes de contrôle. 69
2.4.4.4- Les oscillations des modes de torsion. 69
2.4.4.5- Conclusion. 69
2.4.5- L'amortissement. 69
2.4.5.1- Fonctionnement et modèle de PSS. 70
2.4.5.2- Réglage des paramètres de PSS. 73
2. 4.5.2.1- Méthode de compensation de phase.
73
2. 4. 5. 2.2- Méthode du résidu 75
2. 4. 5. 2. 3- Méthode de placement des pôles
76
2.4.5.3- Emplacement optimal des PSSs 77
2.5- Conclusion. 78
Chapitre III : Optimisation par algorithmes
génétiques 80
3.1- Introduction. 81
3.2- Les Algorithmes Génétiques (AGs).
84
3.2.1- Introduction. 84
3.2.2- Codage et initialisation. 86
3.2.3 - Fonctions objectif et de performance. 88
3.2.3.1- Fonction objectif. 88
3.2.3.2- Fonction de performance. 89
3.2.4- Sélection 90
3.2.4.1- Sélection par la roulette biaisée. 90
3.2.4.2- Sélection par tournoi. 92
3.2.4.3- Conclusion. 93
3.2.5- Croisement. 93
3.2.5.1- Croisement seul point. 94
3.2.5.2- Croisement multipoints. 95
3.2.5.3- Croisement uniforme. 96
3.2.6- Mutation. 96
3.2.7- Création de la génération suivante et
critères d'arrêt 98
3.2.8- Compromis exploration et exploitation. 99
3.2.9- Paramètres de réglage de l'AG. 99
3.3- Conclusion. 100
Chapitre IV : Applications 102
4.1- Introduction. 103
4.2- Réseau étudié. 104
4.2.1- Caractéristiques du réseau
étudié. 104
4.2.2- Caractérisations d'un défaut 104
4.3- Analyse de la performance et critères de
bonne régulation. 106
4.3.1 - Critères d'analyse du modèle
linéaire 108
4.3.2- Critères de simulation. 109
4.3.2.1- Critères temporels instantanés. 109
4.3.2.2- Critères temporels intégraux. 111
4.3.3- Conclusion. 111
4.4- Développement de l'AG 112
4.4.1 - Introduction. 112
4.4.2- Fonction objectif. 112
4.4.3- Mise en oeuvre de l'AG. 113
4.4.3.1- Codage du problème. 113
4.4.3.2- Population initiale. 114
4.4.3.3- Sélection 115
4.4.3.4- Croisement. 115
4.4.3.5- Mutation. 115
4.4.4- L'organigramme du problème. 115
4.4.5- Conclusion. 115
4.5- Résultat et discussion. 116
4.5.1- Le système sans PSSs. 116
4.5.2- Les scénarios et défauts. 119
4.5.3- Cas 1 : optimisation des
paramètres des PSSs 120
4.5.3.1- Localisation des PSSs. 120
4.5.3.2- Réglage des paramètres des PSSs par l'AG
122
4.5.3.3- Analyse des valeurs propres 125
4.5.3.3.1- Le point de fonctionnement nominal. 125
4. 5.3. 3.2- Les autres scénarios. 132
4.5.3.4- Analyse par simulations temporelles. 133
4.5.3.4.1- Le point de fonctionnement nominal. 133
4. 5.3. 4.2- Les autres scénarios. 136
4.5.3.5- Conclusion. 136
4.5.4- Cas 2 : optimisation des
paramètres et de la localisation des PSSs 137
4.5.4.1- Application des AGs. 137
4.5.4.2- Analyse des valeurs propres 140
4.5.4.2.1- Le point de fonctionnement nominal. 140
4. 5. 4. 2.2- Les autres scénarios. 141
4.5.4.3- Analyse par simulations temporelles. 142
4.5.4.3.1- Le point de fonctionnement nominal. 142
4. 5. 4. 3.2- Les autres scénarios. 144
4.5.4.4- Discussion et conclusion. 146
4.5.5- Cas 3 : optimisation globale des PSSs
147
4.5.5.1- Application des AGs. 147
4.5.5.2- Analyse des valeurs propres 150
4.5.5.2.1- Le point de fonctionnement nominal. 150
4. 5.5.2.2- Les autres scénarios. 151
4.5.5.3- Analyse par simulations temporelles. 153
4.5.5.3.1- Le point de fonctionnement nominal. 153
4. 5.5. 3.2- Les autres scénarios. 155
4.5.5.4- Evaluation du nombre de modes dans les trois cas.
156
4.5.5.5- Discussion et conclusion. 157
4.5.6- Influence des contraintes de l'AG dans l'optimisation :
application au troisième cas 158
4.5.6.1- Application des AGs. 158
4.5.6.2- Analyse des valeurs propres pour le point de
fonctionnement nominal. 160
4.5.6.3- Analyse par simulations temporelles pour le point de
fonctionnement nominal. 1161
4.5.6.4- Discussion et conclusion. 162
4.6- Conclusion. 162
Chapitre V : Optimisation par algorithmes
génétiques à contraintes dynamiques 1164
5.1- Introduction. 1165
5.2- Approche proposée. 1166
5.3- Première application 1168
5.3.1- Optimisations par contraintes fixes 1168
5.3.2- Optimisations par contraintes dynamiques. 170
5.4- Deuxième application 176
5.4.1- Optimisations par contraintes fixes 176
5.4.2- Optimisations par contraintes dynamiques. 176
5.5- Conclusion. 179
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE 181
LISTE DE PUBLICATIONS 183
BIBLIOGRAPHIE 185
ANNEXES 193
Annexe A 193
Annexe B. 194
Annexe C. 198
Annexe D 203
Annexe E. 204
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