Fast detection method for AC short-circuit faults in shipboard power systems based on decoupled double synchronous rotating frame

Résumé technique : Méthode de détection rapide des défauts de court-circuit CA dans les systèmes de puissance de bord basées sur le référentiel de rotation synchrone double découplé

Énoncé du problème
Les systèmes de puissance de bord évoluent vers des micro-réseaux isolés à capacité limitée et faible inertie, intégrant de plus en plus de sources d'énergie renouvelables telles que le photovoltaïque et le stockage d'énergie. Dans cet environnement, l'onduleur triphasé à deux niveaux connecté au réseau est une interface critique. Cependant, les méthodes traditionnelles de détection de défauts de court-circuit, qui reposent sur des grandeurs électriques de fréquence-puissance en régime permanent (telles que les valeurs RMS), souffrent de vitesses de fonctionnement lentes et d'une faible capacité d'anti-interférence. Ces limitations rendent difficile la satisfaction des exigences de rapidité nécessaires pour prévenir les dommages aux équipements, les défaillances en cascade et la perte totale de puissance dans les systèmes de bord modernes, particulièrement compte tenu des conditions transitoires complexes introduites par la propulsion et les charges quotidiennes.

Méthodologie
L'article propose une méthode de détection rapide des défauts de court-circuit CA basée sur le référentiel de rotation synchrone double découplé (DDSRF). La méthodologie procède selon les étapes suivantes :

1. Modélisation du système et analyse de défaut : Un modèle de circuit équivalent d'un onduleur triphasé connecté au réseau est établi. Les auteurs analysent les caractéristiques de réponse aux défauts pour les défauts symétriques et asymétriques. Contrairement aux systèmes traditionnels où les défauts asymétriques affectent principalement la phase en défaut, la stratégie de commande de découplage des axes d et q de l'onduleur provoque une augmentation synchrone des amplitudes de courant triphasé, quelle que soit la symétrie du défaut.
2. Construction du vecteur de tension : Le DDSRF est utilisé pour construire deux systèmes de coordonnées rotatifs synchrones tournant dans des directions opposées. Cela permet une séparation précise des composantes de tension de séquence positive et négative, même sous des conditions de réseau déséquilibrées.
3. Construction de la variable d'état de défaut (FSV) : Une variable d'état de défaut (FSV) est définie pour intégrer les caractéristiques des séquences positive et négative. La FSV est un vecteur scalaire temporel normalisé calculé comme la différence entre le rapport de courant normalisé et le rapport de tension normalisé :
   $$FSV = k_f \frac{i_m}{I_{pv}} - \frac{u_m}{U_N}$$
   Où $i_m$ et $u_m$ sont les amplitudes instantanées de courant et de tension, $I_{pv}$ et $U_N$ sont les valeurs nominales, et $k_f$ est un coefficient de compensation.
4. Critère de détection : En fonctionnement normal ou lors de perturbations non liées à un défaut (ex. : fluctuations PV), la FSV reste proche de zéro. Lors d'un court-circuit CA, la tension chute et le courant augmente brusquement, provoquant une élévation significative de la FSV au-dessus de zéro. Un seuil ($FSV_{ac} = 0,15$) est fixé pour distinguer les défauts des perturbations.

Contributions clés

• Métrique de détection novatrice : L'introduction de la variable d'état de défaut (FSV), qui fusionne les caractéristiques de séquence positive et négative en une seule valeur scalaire, permettant une détection rapide sans analyse phase par phase.
• Application du référentiel de rotation synchrone double découplé : L'application du DDSRF spécifiquement pour la détection de défauts dans les onduleurs de bord, exploitant sa capacité à découpler les composantes de séquence pour gérer efficacement les défauts symétriques et asymétriques.
• Robustesse aux perturbations : La méthode est conçue pour être insensible aux perturbations courantes non liées à un défaut, telles que les fluctuations de la production photovoltaïque et le démarrage de moteurs, qui déclenchent souvent de faux positifs avec les méthodes traditionnelles basées sur la valeur RMS.

Résultats expérimentaux
La méthode a été validée à l'aide d'un prototype expérimental d'onduleur triphasé à deux niveaux de 1 kW et de modèles de simulation.

• Vitesse de détection : La méthode proposée a atteint des temps de détection inférieurs à 2 ms pour divers types de défauts. Plus précisément, des délais de détection de 0,34 ms ont été enregistrés pour les courts-circuits triphasés, 1,61 ms pour les défauts à la terre monophasés, et aussi bas que 0,05 ms pour les défauts à la terre biphasés et les courts-circuits biphasés.
• Comparaison avec les méthodes traditionnelles : Comparée à la méthode traditionnelle de valeur efficace (RMS), la méthode FSV proposée a démontré une amélioration de vitesse de plus de 50 % (et jusqu'à un ordre de grandeur dans certains cas). Par exemple, la méthode RMS a mis jusqu'à 22,4 ms pour détecter un court-circuit monophasé, alors que la méthode FSV n'a pris que 1,61 ms.
• Stabilité et robustesse : La méthode a maintenu des performances stables à travers différents angles de phase initiaux de défaut. De plus, lors de perturbations non liées à un défaut (changements d'intensité lumineuse simulés et démarrage de moteur), la fluctuation de la FSV est restée bien en dessous du seuil de détection (fluctuation maximale de 0,07), confirmant qu'aucune fausse décision n'a eu lieu.

Signification
L'article affirme que cette méthode fournit un moyen technique efficace pour la protection rapide contre les défauts dans les systèmes de puissance de bord. En atteignant une détection de l'ordre de la microseconde (avec des délais minimaux de 0,05 ms), la méthode offre une base d'identification extrêmement précoce pour les disjoncteurs à l'état solide et les limiteurs de courant rapides. Cette capacité permet l'isolement du défaut avant que le courant de court-circuit n'atteigne son maximum, évitant ainsi les creux de tension de grande zone qui pourraient déconnecter des charges critiques telles que les moteurs de propulsion et les radars haute puissance. En fin de compte, l'approche vise à améliorer considérablement la capacité de fonctionnement continu et les niveaux d'auto-guérison des systèmes de puissance de bord, particulièrement dans les configurations complexes de micro-réseaux hybrides AC/DC ou de micro-réseaux DC.