Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La transition énergétique transforme les réseaux électriques, en particulier avec l’intégration croissante de sources d’énergie renouvelable raccordées au moyen d’onduleurs (SERMO). Ces sources, dominées au Québec par les éoliennes de type 3 et 4, possèdent un comportement fondamentalement différent des générateurs synchrones traditionnels. Leur faible contribution aux courants de courtcircuit, leur contrôle électronique complexe, la variabilité de leur production et la nature non conventionnelle de leurs courants de séquence rendent plus difficile le bon fonctionnement des protections de distance. Les méthodes de protection classiques utilisées dans les réseaux ne sont plus pleinement adaptées à cette nouvelle réalité. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de contribuer à garantir la sécurité et la fiabilité des réseaux électriques en veillant à ce que leurs systèmes de protection demeurent adaptés aux récentes évolutions. Cette problématique est abordée à travers une démarche originale, reposant sur une validation expérimentale approfondie du comportement réel des relais commerciaux à partir de centaines de défauts reproduits en laboratoire.

Le premier sous-objectif consiste à modéliser avec précision le réseau réel de la péninsule de la Gaspésie et du Bas-Saint-Laurent. Un modèle détaillé a été développé sous ETAP et EMTP, incluant les lignes de transport, les transformateurs, les charges saisonnières et l’ensemble des parcs éoliens installés dans les régions étudiées. Des efforts particuliers ont été consacrés à la modélisation dynamique des éoliennes de type 3 et 4, notamment à travers la sélection des modes de contrôle, de la tenue à basse tension, des exigences de puissance réactive, ainsi que du comportement des convertisseurs lors des défauts. Les modèles ont été validés à partir des connaissances issues de la littérature, assurant leur représentativité pour les études de protection.

Le second sous-objectif de cette recherche est de déterminer expérimentalement les limites de performance des protections actuelles. Pour ce faire, un banc d’essai a été conçu afin d’injecter dans des relais commerciaux des signaux analogiques issus de plus de 700 événements transitoires. Cinq lignes de topologies différentes ont été étudiées. Les rapports d’événements obtenus ont été analysés en profondeur. Sept raisons de mauvaises opérations ont été identifiées, classifiées et quantifiées. Elles sont notamment dues à un courant de court-circuit insuffisant, à un aveuglement de l’impédance mesurée, à une mauvaise identification du type de défaut, à des blocages de directionnalité causés par une contribution de séquence inverse non conventionnelle, à des problèmes de polarisation liés aux variations de fréquence, ainsi qu’à une mauvaise identification de ligne ouverte. Plusieurs de ces phénomènes sont peu ou pas traités dans la littérature, soulignant l’importance de cette étude expérimentale.

Le troisième et dernier sous-objectif consiste à proposer des solutions adaptées aux réseaux à forte pénétration de SERMO, puis à les valider expérimentalement. Les améliorations envisagées ont été regroupées en trois catégories : améliorer les réponses des protections actuelles ; développer de nouveaux principes et stratégies ; et apporter des modifications à d’autres parties du réseau. Une analyse comparative des schémas de téléaccélération et de téléblocage a montré que la téléaccélération combinée à une détection de source faible offre les meilleures performances. D’autres stratégies ont été étudiées : adoption d’éléments quadrilatéraux (QUAD) pour mieux détecter les défauts résistifs ; implantation de l’autopolarisation avec une nouvelle logique de déclenchement ; utilisation du contrôle à séquences découplées pour augmenter la contribution en séquence inverse ; et ajout d’une seconde protection plus sensible pour les périodes de très faible production. Enfin, des essais combinant plusieurs de ces stratégies ont montré une amélioration notable de la sécurité des systèmes de protection.

En conclusion, les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’adapter efficacement les protections de distance existantes sans remplacer entièrement les systèmes actuels. Des ajustements ciblés, fondés sur une compréhension approfondie des phénomènes propres aux convertisseurs et validés par des essais pratiques, permettent d’assurer une protection fiable dans les réseaux modernes. Par son approche expérimentale et par le développement de nouvelles solutions adaptées aux réseaux à forte pénétration de SERMO, cette thèse apporte une contribution significative au domaine de la protection de lignes. Elle améliore non seulement la compréhension des comportements non conventionnels associés aux convertisseurs, mais propose également des mesures concrètes et applicables pour soutenir l’intégration sécuritaire des énergies renouvelables et accompagner l’évolution des réseaux électriques.

The energy transition is transforming electrical power systems, particularly with the increasing integration of inverter-based renewable energy sources (IBRs). These sources, dominated in Quebec by type 3 and type 4 wind turbines, exhibit behavior fundamentally different from that of conventional synchronous generators. Their low contribution to short-circuit currents, their complex electronic control, the variability of their output, and the non-conventional nature of their sequence currents make the proper operation of distance protection more challenging. Traditional protection methods used in power systems are no longer fully suited to this new reality. In this context, the main objective of this thesis is to contribute to ensuring the safety and reliability of electrical power systems by ensuring that their protection schemes remain adapted to recent developments. This issue is addressed through an original approach based on an in-depth experimental validation of the actual behavior of commercial relays using hundreds of faults reproduced in the laboratory.

The first sub-objective is to accurately model the real power system of the Gaspésie Peninsula and Bas-Saint-Laurent region. A detailed model was developed in ETAP and EMTP, including transmission lines, transformers, seasonal loads, and all wind farms installed in the studied regions. Particular effort was devoted to the dynamic modelling of type 3 and type 4 wind turbines, notably through the selection of control modes, low-voltage ride-through capability, reactive power requirements, and converter behavior during faults. The models were validated based on publicly available data, ensuring their representativeness for protection studies.

The second sub-objective of this research is to experimentally determine the performance limits of current protection systems. To this end, a test bench was designed to inject analog signals derived from more than 700 transient events into commercial relays. Five transmission line topologies were studied. The obtained event reports were analyzed in depth. Seven causes of misoperation were identified, classified, and quantified. These are notably due to insufficient short-circuit current, impedance blinding, incorrect fault type identification, directional blocking caused by non-conventional negative-sequence current contribution, polarization issues related to frequency variations, as well as incorrect identification of open-line conditions. Several of these phenomena have scarcely or not yet been addressed in the literature, highlighting the importance of this experimental study.

The third and final sub-objective consists in proposing solutions adapted to networks with high penetration of inverter-based renewable energy sources (IBRs), and then validating them experimentally. The proposed improvements were grouped into three categories : enhancing the performance of existing protection schemes ; developing new principles and strategies ; and introducing modifications to other parts of the power system. A comparative analysis of teleprotection schemes showed that permissive overreaching transfer trip combined with weak-infeed detection offers the best performance. Other strategies were investigated, including the adoption of quadrilateral (QUAD) elements to better detect resistive faults ; the implementation of self-polarization with a new tripping logic ; the use of decoupled sequence control to increase negative-sequence contribution ; and the addition of a second, more sensitive protection for periods of very low generation. Finally, tests combining several of these strategies demonstrated a significant improvement in the security and dependability of protection systems.

In conclusion, the obtained results show that it is possible to effectively adapt existing distance protections without fully replacing current systems. Targeted adjustments, based on a deep understanding of converter-specific phenomena and validated through practical testing, enable reliable protection in modern power systems. Through its experimental approach and the development of new solutions adapted to networks with high penetration of IBRs, this thesis makes a significant contribution to the field of line protection. It not only improves the understanding of non-conventional behaviors associated with converters but also proposes concrete and implementable measures to support the safe integration of renewable energy sources and accompany the evolution of electrical power systems.