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Coordinateur : Denis Efimov, Inria de l’Université de Lille, CRIStAL
Équipe : VALSE du Groupe Thématique : CO2
Dates : 03/2025 - 03/2028
Résumé :
La transition mondiale vers l’énergie renouvelable présente des défis importants pour l’exploitation des futurs systèmes électriques neutre pour le climat, en particulier dans les systèmes à courant alternatif (AC). Un changement structurel majeur est le remplacement des générateurs synchrones conventionnels par des dispositifs interfacés par un onduleur à différents niveaux de tension. Cela conduit à une dynamique de fréquence beaucoup plus rapide dans le réseau. De tels systèmes électriques dominés par des onduleurs sont donc appelés systèmes électriques à faible inertie. Pour garantir le fonctionnement abordable, efficace et durable des futurs systèmes à faible inertie, il existe un besoin crucial de solutions d’analyse et de contrôle nouvelles et flexibles, adaptées à des propriétés globales des systèmes électriques. Étant donné que les systèmes électriques à courant alternatif présentent par nature un comportement périodique, entraînant l’existence d’équilibres multiples, leur analyse et leur synthèse globales sont très difficiles. Pour relever ce défi, notre approche est guidée par l’observation qu’en exploitant la périodicité du système, il est possible d’assouplir les exigences habituelles de définition de la théorie de Lyapunov, tout en garantissant rigoureusement les propriétés de stabilité et de robustesse. En utilisant cette propriété, les partenaires ont développé conjointement la théorie de fonctions de Leonov, qui aborde spécifiquement la nature périodique de la dynamique du système électrique. Inspirés par les progrès récents en matière d’apprentissage profond et de réseaux de neurones inspirés de la physique (PINN), les principaux objectifs de SyNNuM sont orientés vers les prochaines étapes de développement de méthode Leonov, et à dérivation de méthodes numériques pour construire efficacement les fonctions Leonov. Les résultats serviront de lien entre les avancées théoriques de pointe en matière de synthèse de contrôle et un domaine d’application important lié aux futurs systèmes énergétiques, qui sont au centre de nombreux projets de recherche nationaux et européens. À cette fin, nous démontrerons également expérimentalement le potentiel des nouvelles méthodes dérivées sur une configuration de matériel électrique dans la boucle pour les systèmes électriques à faible inertie. Le consortium, composé de la Chaire Systèmes de contrôle et technologie de contrôle de réseau de l’Université technologique de Brandebourg Cottbus-Senftenberg (BTU), en Allemagne, et de l’équipe Valse d’Inria, en France, rassemble des expertises complémentaires et vise à réaliser le fort potentiel de transfert du résultat du projet tout en atteignant l’excellence scientifique, ce qui a déjà été démontré par une collaboration fructueuse de longue date sur les sujets du projet.
Abstract :
The global transition to renewable energy sources presents significant challenges for the operation of future climate-neutral power systems, particularly in alternating current (AC) systems. A major structural change is the replacement of conventional synchronous generators with inverter-interfaced devices at various voltage levels. This leads to much faster frequency dynamics in the grid. Such inverter-dominated power systems are therefore termed low-inertia power systems. To ensure the affordable, efficient and sustainable operation of future low-inertia systems, there is a critical need for novel and flexible analysis and control solutions. Given their highly disruptive nature, it is impossible to successfully handle these changes exclusively via numerical simulations, nor purely local analysis and synthesis approaches based on linearization of the system dynamics.
Instead, new advanced formal methods and techniques suitable for analyzing and designing global properties in power systems are needed. Since AC power systems inherently exhibit periodic behavior, resulting in the existence of multiple equilibria, their global analysis and synthesis are very challenging. To meet this challenge, our research approach is guided by the observation that by exploiting the system’s periodicity, it is possible to relax the usual definiteness requirements of Lyapunov theory while still rigorously guaranteeing stability and robustness properties. By using this property, the partners have jointly developed the Leonov function framework, which specifically addresses the periodic nature of power system dynamics. Inspired by recent advances in deep learning and physics-inspired neural networks (PINNs), the main goals of SyNNuM are geared towards the next development steps in the Leonov framework, namely the derivation of numerical methods to efficiently construct Leonov and Control Leonov functions. In addition, we aim to further relax the requirements of stability analysis and control design via the Leonov functions. In addition, we aim to further relax the requirements of stability analysis and control design via the Leonov method. The outcomes will serve as a link between cutting-edge theoretical advances for control synthesis and a significant application area pertaining to climate-neutral future energy systems, which are at the center of numerous national and European research projects. To this end, we will also experimentally demonstrate the potential of the derived new methods on a Power-Hardware-in-the-Loop setup for low-inertia power systems. The consortium, comprising the Chair of Control Systems and Network Control Technology at Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg (BTU), Germany and the Valse team of Inria, France, combines complementary expertise and aims to realize the high transfer potential of the project outcomes while achieving scientific excellence. This has already been demonstrated by a long-standing, successful collaboration on the project’s subjects.