Power Systems Model Developments for Power Quality Monitoring: Application to Fundamental Frequency and Unbalance Estimation
Contribution à la modélisation des systèmes électriques pour la surveillance de la qualité de l'énergie électrique : application à l'estimation de la fréquence fondamentale et du déséquilibre
Résumé
This thesis investigates power system models and signal processing methods for estimating power quality parameters of electrical distribution systems. The fundamental frequency is supposed to be a constant but varies continuously according to the demand, to available power, to renewable energy generation and to nasty synchronization of some devices. Moreover, the power absorbed by loads or produced by sources is generally different from one phase to the other one. Identifying the symmetrical components is therefore an efficient way to quantify the imbalance between the phases of a grid. A first state‐space representation is developed by supposing the fundamental frequency to be known or to be calculated by another estimator. In return, it provides other parameters and characteristics from the power system. Another original state‐space model is introduced which does not require the fundamental frequency. Here, one state variable is a function of the frequency which can thus be deduced. Furthermore this new state‐space model is perfectly are able to represent a three‐phase power system in both balanced and unbalanced conditions. The advantage of the proposed state‐space representation is that it gives directly access to physical parameters of the system, like the frequency and the amplitude and phase values of the voltage symmetrical components. Power systems parameters can thus be estimated in real‐time by using the new statespace with an online estimation process like an Extended Kalman Filter. The methods have been implemented and validated through various tests respecting real technical constraints and various severe operating conditions.
Cette thèse étudie des modèles des systèmes électriques et des méthodes de traitement du signal pour estimer les paramètres représentant la qualité de l’énergie dans les réseaux électriques. La fréquence fondamentale est censée être une constante mais elle varie en permanence selon l’énergie disponible et demandée, selon la production d’énergie renouvelable et les mauvaises synchronisations de certains équipements. De plus, la puissance absorbée et produite est différente d’une phase à l’autre. Identifier les composantes symétriques de tension est un moyen pertinent pour quantifier le déséquilibre entre les phases. Un premier modèle d’espace d’état est proposé, il considère la fréquence fondamentale comme obtenue par un autre estimateur et fournit en échange d’autres paramètres caractérisant le système électrique. Un second modèle d’état‐espace est introduit, il ne nécessite aucune connaissance de la fréquence fondamentale. Une de ses variables d’état est directement reliée à la fréquence et permet donc de la déduire. En outre, ce nouvel espace d’état est parfaitement capable de représenter des systèmes électriques équilibrés et non équilibrés. L’avantage de l’espace d’état proposé réside dans le fait qu’il permet d’estimer directement les paramètres physiques du système électrique, tels que la fréquence, l’amplitude et la phase des composantes symétriques en tension. Les paramètres des systèmes électriques peuvent être estimés en temps réel en utilisant le nouvel espace d’état et un Filtre de Kalman Etendu. Les méthodes ont été mises en oeuvre et validées par le biais de différents tests proches des contraintes techniques et des conditions d’utilisation réelles.