modélisation et simulation d`une liaison hvdc de type vsc-mmc

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
MODÉLISATION ET SIMULATION D’UNE LIAISON HVDC
DE TYPE VSC-MMC
HANI AZIZ SAAD
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
THÈSE PRÉSENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIAE DOCTOR (Ph.D.)
(GÉNIE ÉLECTRIQUE)
MARS 2015
© Hani Aziz Saad, 2015.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Cette thèse intitulée :
MODÉLISATION ET SIMULATION D’UNE LIAISON HVDC
DE TYPE VSC-MMC
présentée par : SAAD Hani Aziz
en vue de l’obtention du diplôme de : Philosophiae Doctor
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. KARIMI Houshang, Ph. D., président
M. MAHSEREDJIAN Jean, Ph. D., directeur de recherche
M. GUILLAUD Xavier, Ph. D., codirecteur de recherche
M. KOCAR Ilhan, Ph. D., membre
M. PAOLONE Mario, Ph. D., membre externe

iii
DÉDICACE
… On vous a dit aussi que la vie est obscurité, et dans
votre lassitude vous répétez ce que disent les las.
Et je vous dis que la vie est en effet obscure sauf là où il y a élan,
Et tout élan est aveugle sauf là où il y a la connaissance.
Et toute connaissance est vaine sauf là où il y a le travail,
Et tout travail est futile sauf là où il y a l'amour
Et quand vous travaillez avec amour vous attachez votre
être à votre être, et vous aux autres…
… Le travail est l'amour rendu visible.
Et si vous ne pouvez travailler avec amour mais
seulement avec dégoût, il vaut mieux quitter votre travail
et vous asseoir à la porte du temple et recevoir l'aumône
de ceux qui travaillent dans la joie.
Car si vous faites le pain avec indifférence, vous faites un
pain amer qui n'apaise qu'à moitié la faim de l'homme.
Et si vous pressez le raisin de mauvaise grâce, votre
rancune distille un poison dans le vin…
Extraits de “Le Prophète”, poème de Gibran Khalil Gibran

iv
REMERCIEMENTS
Une thèse de doctorat est un long voyage qui ne se mène pas seul. Les remerciements qui suivent
lèvent le chapeau à tous ceux qui ont participé par leur temps, leur expertise, leur partage et leur
amour à ces années de travail que conclut en quelques pages ce document.
Tout d’abord, je tiens à exprimer ma gratitude à mon directeur Prof. Jean Mahseredjian pour son
soutien continu, son encouragement, son orientation et sa confiance. Il était plus qu'un directeur
de recherche; il a été un mentor et un ami. Son expertise, sa rigueur et son professionnalisme ont
grandement contribué à la réussite de ce projet et à ma formation. Je me considère, donc,
chanceux d'avoir eu l'occasion de travailler avec lui. Mes remerciements iront aussi à Sebastien
Dennetière pour son implication et son soutien permanent tout au long de ma thèse et à Prof.
Xavier Guillaud et Samuel Nguefeu pour leur patience, leur rigueur et leur expertise. Mes
remerciements iront également au commanditaire de la thèse : RTE, qui a permis à ce projet de
voir le jour.
Je souhaite remercier toutes ces personnes qui m’ont aidé à réaliser les différentes contributions
de la thèse : Ulas Karaagac, Tarek Ould-Bachir, Christian Dufour, Jean Bélanger, Pierre Rault et
Jaime Peralta. Chacun d’eux a contribué d’une façon ou d’une autre à la bonne réussite de ce
projet et je les en remercie chaleureusement.
Je ne manquerai non plus de remercier les amis du laboratoire « FuN EneRgY DePaRtEmEnT of
Poly » qui m’ont apporté du dynamisme et de la joie. Je n’oublierai pas non plus les soirées
festives qui m’ont données tant d’inspiration et de nouvelles idées pour ma thèse.
Sur une note plus intime, je ne pourrais jamais assez remercier ma famille; ma mère pour m’avoir
supporté, mon père pour sa bonne bière et son BBQ, mon frère Richard, Caroline et princesse
Flora pour être devenu tonton, mon frère Georges pour les séjours intenses et ma sœur Rosie et
Olivier pour leur accueil chaleureux chez eux, même tard la nuit. Finalement à ma chère Klara
qui a accepté de partager notre vie avec ma thèse.

v
RÉSUMÉ
Le transport d’énergie en courant continu à haute tension (CCHT ou HVDC) est aujourd’hui en
pleine expansion dans le monde. Deux principaux facteurs sont à l’origine de cet engouement. Le
premier est lié à la difficulté de construire de nouvelles lignes aériennes pour assurer le
développement du réseau à haute tension qui fait que le recours à des câbles souterrains est de
plus en plus fréquent. Or l’utilisation de ces câbles est limitée en longueur à quelques dizaines de
km à cause du courant capacitif généré par le câble lui-même. Au-delà de cette longueur limite, la
solution consiste généralement à transporter en courant continu. Le second facteur est lié au
développement de l’éolien offshore qui nécessite de raccorder des puissances de plusieurs
centaines de MW au réseau continental au moyen de câbles dont les longueurs peuvent atteindre
quelques centaines de km et ce qui nécessite donc le transport en HVDC.
De façon concrète, plusieurs projets de transmission HVDC ont été planifiés par le gestionnaire
du réseau de transport français RTE. Le projet INELFE, par exemple, est une interconnexion
HVDC entre la France et l’Espagne, pour la transmission de 2,000 MW. Cette thèse est financée
par RTE, dans le but de modéliser, simuler en temps réel et étudier les risques d’interaction entre
ces liaisons HVDC.
La particularité des ouvrages de transport en courant continu est de faire appel à un contrôle
commande dédié qui va en grande partie déterminer le comportement dynamique de la liaison
tant sur des grosses perturbations (défauts sur le réseau) qu’en régime de petites variations.
Il existe différentes topologies VSC (Voltage Source Converter), comme les convertisseurs à
deux niveaux, les convertisseurs multi-niveaux avec des diodes et les convertisseurs multi-
niveaux avec des condensateurs flottants. Toutefois, en raison de la complexité des commandes et
des limites pratiques, les installations de système HVDC-VSC ont été limitées à des
convertisseurs à deux niveaux et à trois niveaux. Récemment, la mise au point de la technologie
modulaire appelé MMC (Modular Multilevel Converter [Siemens]-[Alstom]) ou CTL (Cascaded
Two Level topology [ABB]) en fonction des industriels, a permis de surmonter les limites des
autres topologies multi-niveaux pour les applications HVDC. Cette topologie est constituée de
plusieurs sous-modules connectés en séries. Chaque sous-module contient deux IGBTs avec leurs
diodes antiparallèles et un condensateur qui sert comme accumulateur d’énergie. La commande
de ces IGBTs permet de connecter et de déconnecter le condensateur sur le réseau. Le