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Contrôle avancé des convertisseurs de puissance multi-niveaux pour applications sur réseaux faibles
Full text link139 p.El advenimiento progresivo de las microrredes que incorporan fuentes de energía renovable está dando lugar a un nuevo paradigma de distribución de la electricidad. Este nuevo planteamiento sirve de interfaz entre consumidores no controlados y fuentes intermitentes, implicando desafíos adicionales en materia de conversión, almacenamiento y gestión de la energía.Los convertidores de potencia se adaptan en consecuencia, en particular con el desarrollo de los convertidores multinivel, que integrando los mismos componentes que sus predecesores y un control más complejo, soportan potencias más altas y aseguran una mejor calidad de la energía.Debido al carácter híbrido de los convertidores de potencia, su control se divide comúnmente en dos partes: por un lado, el control de los objetivos continuos vinculados a la función principal de los convertidores de servir de interfaz, y, por otro, el control discreto de los interruptores de potencia, conocido con el nombre de modulación.En este contexto, las exigencias crecientes en términos de eficiencia, fiabilidad, versatilidad y rendimiento hacen necesaria una mejora de la inteligencia de la estructura de control. Para cumplir conestos requisitos, se propone tratar mediante un solo controlador ambas problemáticas, la vinculada a la función de interfaz de los convertidores y la relacionada con su naturaleza discreta. Esta decisión implica incorporar la no-linealidad de los convertidores de potencia en el controlador, lo que equivale a suprimir el bloque de modulación, que constituye la solución tradicional para linealizar el comportamiento interno de los convertidores. Se adopta un planteamiento de Control Predictivo basado en Modelos (MPC) para abordar la no-linealidad y la gran diversidad de objetivos de control que acompañan a los convertidores de potencia.El algoritmo desarrollado combina teoría de grafos ¿con algoritmos de Dijkstra, A* y otros¿ con un modelo de estado especial para sistemas conmutados al objeto de proporcionar una herramienta potente y universal, capaz de manipular simultáneamente el carácter cuantificado de los interruptores de potencia y el continuo de las entidades interconectadas por el convertidor. Se han obtenido resultados sobre la estabilidad y la controlabilidad de los modelos de estado conmutados aplicados al caso particular de los convertidores de potencia.El controlador así desarrollado y descrito se ha examinado en simulación frente a varios casos y aplicaciones: inversor aislado o conectado a la red, rectificador y convertidor bidireccional. Se ha empleado la misma estructura de control para tres topologías de convertidor multinivel: Neutral-Point Clamped, Flying Capacitor y Cascaded H-Bridge. Al objeto de adaptarse a los cambios citados, lo único que varía en el controlador es el modelo del convertidor adoptado para la predicción, así como la función de coste, que traduce los requisitos de control en un problema de optimización a solucionar por el algoritmo. Un cambio de topología resulta en una modificación del modelo interno, sin impacto sobre la función de coste, mientras que variaciones de esta función son suficientes para adaptarse a la aplicación.Los resultados muestran que el controlador logra actuar directamente sobre los interruptores de potencia en función de diversos requisitos. Los desempeños de la estructura de control propuesta son similares a los de las numerosas estructuras dedicadas a cada uno de los casos estudiados, excepto en el caso de operación en modo rectificador, en el que la versatilidad y rapidez de control obtenidos son particularmente interesantes.En definitiva, el controlador planteado puede emplearse para diferentes aplicaciones, topologías, objetivos y limitaciones. Si bien las estructuras de control lineal tradicionales han de modificarse, a menudo en profundidad, para afrontar diferentes modos de operación o requisitos de control, dichas alteraciones no tienen ningún impacto sobre la arquitectura del controlador MPC obtenido, lo que pone de manifiesto su versatilidad, así como su universalidad, también demostrada por su capacidad para adaptarse a diferentes convertidores de potencia sin modificaciones importantes. Finalmente, la solución propuesta elude por completo la complejidad de la modulación, ofreciendo simplicidad y flexibilidad al diseño del control
Contrôle innovant et auto-optimisant pour des micro-réseaux intègrés aux bâtiments, exploitant le potentiel des services multiples de l'hydrogène
No full textLa croissance continue de la demande énergétique et l'impératif de décarbonation nécessitent l’intégration accrue des sources d’énergie renouvelables dans les micro-réseaux et les bâtiments. Toutefois, en raison de leur nature intermittente, l’intégration de ces sources renouvelables impose le recours à des systèmes de stockage d’énergie afin d’assurer la stabilité et l’autonomie des réseaux. Cette exigence est particulièrement importante dans le cadre de l’autoconsommation des bâtiments et des micro-réseaux à énergie nette zéro. Bien que les batteries conventionnelles soient largement utilisées pour le stockage d’énergie, elles présentent des limitations pour le stockage à long terme. Afin de pallier cette contrainte, l’hydrogène apparaît comme une alternative prometteuse, permettant un stockage à long terme avec des pertes minimales et une flexibilité accrue pour la gestion énergétique des micro-réseaux.L’introduction d’un système hybride combinant batteries et stockage d’hydrogène dans un micro-réseau complexifie sa gestion et son exploitation, nécessitant le développement de stratégies avancées de contrôle. Cette thèse propose un cadre méthodologique complet pour la conception et l’implémentation d’un système de gestion énergétique intégré, visant à maximiser l’autoconsommation locale et l’efficacité du micro-réseau. En complément de cet objectif, l’optimisation de la production d’hydrogène est également une priorité, contribuant ainsi à un équilibre énergétique durable. Le système de gestion énergétique développé vise à assurer une gestion optimale de l’énergie du micro-réseau tout en préservant la durée de vie des équipements critiques tels que les électrolyseurs et les piles à combustible.Pour répondre à ces défis, une approche innovante basée sur l’apprentissage par renforcement est proposée pour la gestion et le contrôle du micro-réseau. Cette stratégie repose sur un mécanisme de récompense pondérée permettant d’optimiser simultanément plusieurs objectifs : l’amélioration de l’autoconsommation, l’augmentation de la production d’hydrogène et l’allongement de la durée de vie des équipements. L’approche développée assure ainsi un équilibre dynamique entre ces différentes contraintes, tout en offrant une flexibilité suffisante pour intégrer des paramètres supplémentaires liés aux exigences spécifiques du réseau. Cette approche fait du cadre proposé un outil polyvalent et évolutif pour l’intégration de l’intelligence artificielle dans la gestion énergétique des micro-réseaux.L'implémentation de la stratégie de contrôle proposée pour la gestion d'un micro-réseau démontre l'efficacité de l'apprentissage par renforcement dans l'optimisation de l'autoconsommation, avec une augmentation pouvant atteindre 17 %. De plus, cette approche réduit le nombre moyen de cycles de fonctionnement des équipements du micro-réseau et du système de stockage d'énergie, améliorant ainsi significativement l'efficacité globale du système. Sur la base d'une analyse approfondie de divers scénarios, la stratégie proposée permet une réduction allant jusqu'à 15 % du nombre de cycles des électrolyseurs. En résumé, la gestion de l’énergie basée sur l'apprentissage par renforcement non seulement optimise l'autoconsommation et minimise l'usure des équipements, mais facilite également une intégration efficace de l'hydrogène dans les micro-réseaux. Ces résultats mettent en lumière le potentiel des stratégies avancées de gestion énergétique pour atteindre les objectifs de décarbonisation, tout en renforçant la résilience énergétique et les performances du système.The growing energy demand and the increasing emphasis on decarbonization are driving the necessity to integrate renewable energy sources into microgrids and buildings. Due to the intermittent nature of these renewable energy sources, energy storage systems have become critical for achieving this decarbonization and decreasing dependence on larger grids, particularly in the context of self-consumption in buildings and net-zero energy microgrids. Conventional batteries have been widely used for energy storage applications; however, they are unsuitable for long-term energy storage. To address this limitation, hydrogen has been proposed as an alternative energy source for long-term storage in microgrids, offering the ability to store energy over extended periods with minimal losses.Adding such a hybridized energy storage mechanism in microgrids increases their complexity and operation and requires the development of an integrated energy management system. Accordingly, this thesis provides a complete framework for developing and designing an integrated energy management system that can maximize local energy consumption in microgrids and buildings. In addition to self-consumption, maximizing hydrogen production has been a key aspect of this thesis. To obtain optimal self-consumption, the proposed energy management system also focuses on optimally managing the microgrid components while ensuring long lifetimes for a wide range of equipment including electrolyzers and fuel cells.Consequently, to develop an integrated energy management system with these key objectives, a strategy based on reinforcement learning is proposed for its development and control. This reinforcement learning-based methodology employs a weighted-average reward mechanism to determine the optimal operational set points of the microgrid, ensuring maximized outcomes. The proposed approach effectively balances multiple objectives, including optimizing self-consumption, hydrogen production, and equipment longevity, to deliver a holistic and efficient energy management solution. Based on this optimal control of the microgrid, the proposed technique offers a highly flexible solution capable of integrating and computing any additional parameters required for optimization, which makes the framework presented in this thesis a fully versatile tool for the integration of artificial intelligence in energy microgrids.The implementation of the proposed control strategy for microgrid operation highlights the effectiveness of reinforcement learning based energy management in optimizing self-consumption, achieving an increase of up to 17%. Moreover, a reduction in the average number of operating cycles of the microgrid equipment and energy storage system is also achieved, making the overall operation of the system substantially more efficient. Accordingly, based on the wide range of analyzed scenarios, the proposed strategy can lead to a reduced number of cycles in the electrolyzer of up to 15 %. In summary, the reinforcement learning based energy management system framework not only improves self-consumption and minimizes equipment wear but also enables efficient hydrogen integration into microgrids. These results emphasize the potential of advanced energy management strategy in achieving decarbonization targets while strengthening energy resilience and system performance
Energy management optimization of a wind-storage based hybrid power plant connected to an island power grid
No full textCes travaux portent sur l’intégration de l’énergie éolienne dans un contexte de réseau insulaire. Nous étudions une centrale hybride éolien-stockage électrochimique qui doit injecter de la puissance au réseau de Guadeloupe en tenant un engagement pris un jour à l’avance. Comme le non-respect du profil engageant entraine des pénalités, la maximisation des revenus de la centrale requiert une stratégie pour la gestion du système de stockage, principal degré de liberté du problème.A partir de la modélisation du système de stockage et d’une étude des algorithmes d’optimisation de gestion des flux d’énergie, la fonction objectif du problème a été formulée et un procédé de contrôle prédictive et optimisation quadratique a été développée. Des simulations temporelles ont été effectuées avec le logiciel Matlab/Simulink. Une cosimulation entre Matlab et PowerFactory a permis d’intégrer les modèles de fonctionnement des éoliens, du système de stockage et du comportement du réseau insulaire afin d’analyser l’influence du comportement de la centrale sur ce réseau.The present work focuses on the integration of wind power in island power networks. A wind-battery storage hybrid plant must transfer power into the Guadeloupe grid while complying a day-ahead power injection commitment. As the non-fulfillment of the commitment leads to economic penalties, the maximization of the plant revenues requires an energy management strategy to efficiently manage the storage system, main degree of freedom of the problem.From both the modeling of the storage system and the review of the energy management algorithms for grid-connected RES-based systems, the objective function of the problem is formulated, and a predictive control and quadratic optimization process is developed. Tests were carried out on Matlab/Simulink software platform. Co-simulation between Matlab and PowerFactory allows the integration of models of wind turbines, storage system and island network into the problem in order to analyze the influence of the plant behavior on the island power system
Keynote speaker: MicroGrids – Distributed Generation and Storage Integration
No full textInternational audienc
MODELISATION ET ANALYSE DE L'INTEGRATION DES ENERGIES RENOUVELABLES DANS UN RESEAU AUTONOME
No full textIn many of the remote areas, the diesel generator is the main source of power supply. The cost of grid extension is, and will probably continue to be, prohibitive and the fuel cost increases severely with the remoteness of the location. The combination of several energy sources (wind turbines, photovoltaic panels, small hydroelectric power plants etc.) in a Hybrid Power System (HPS) can be very attractive for most of the remote areas, in terms of cost and availability.However, improvements of the design and operation of the HPS are still needed to make this technology more competitive in remote areas. In this context, the work presented in this thesis is a contribution to the behaviour analysis and the performances control of an HPS constituted by two renewable energy sources, a diesel generator and storage batteries. This kind of system is studied according to three aspects: sizing, maximizing the use of the renewable resources and power quality.To maximize the use of renewable resources, the size and operation of the HPS components are matched to the load and the available renewable resources. Then, simulation models for all components of the HPS are developed and brought together in a parametric library under MATLAB/Simulink environment. The simulation models, sufficiently precise, are used in a modular manner for a higher flexibility of the HPS dynamic behaviour investigation and to test different control strategies. Each source of the system includes a control strategy either to satisfy an energy criterion or to reproduce a realist dynamic behaviour.In order to be able to analyze and to improve the voltage quality, simulation models capable of treating unbalances were developed. A four-leg bi-directional converter is the proposed solution to mitigate the voltage unbalance. Special control strategies associated to this topology have been proposed to improve the quality of the output voltage under unbalanced load conditions.The simulations results show that using power electronics and the suitable control strategies, it is possible to have a high level integration of renewable energy sources and to improve the power quality of an HPS.Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d'énergie électrique. Pour ces régions, le prix d'extension du réseau électrique s'avère prohibitif et le surcoût de l'approvisionnement en combustible augmente radicalement avec l'isolement. Dans ce contexte, l'interconnexion de plusieurs sources d'énergie renouvelable (des éoliennes, des panneaux photovoltaïques, des petites centrales hydroélectriques, etc.) dans un Système d'Energie Hybride (SEH) peut avoir une incidence profitable sur la production d'énergie électrique, en termes de coût et de disponibilité.Cependant, des améliorations dans la conception et le fonctionnement des SEH sont toujours nécessaires pour rendre cette technologie plus compétitive dans les régions isolées. Ainsi, le travail de recherche présenté dans cette thèse est une contribution à l'analyse du comportement et à la maîtrise des performances d'un SEH constitué par deux sources d'énergie renouvelable, un générateur diesel et des batteries de stockage. Ce type de système est étudié selon trois aspects : dimensionnement, maximisation de l'utilisation des ressources renouvelables et qualité de l'énergie électrique. Pour maximiser l'utilisation des ressources renouvelables, le dimensionnement et le choix du fonctionnement des composants sont réalisés en tenant compte des ressources énergétiques disponibles, ainsi que des contraintes d'utilisation. Ensuite, les modèles de simulation pour les sources du SEH, les éléments d'interconnexion et le système de stockage sont développés et réunis dans une bibliothèque de modèles paramétriques sous l'environnement MATLAB/Simulink. Les modèles de simulation, suffisamment précis, sont utilisés de manière modulaire pour une plus grande flexibilité dans l'étude du comportement dynamique du SEH et pour tester différentes stratégies de commande. Cette démarche permet ainsi de créer des scénarios de conditions de fonctionnement pour le SEH et de faire varier par la simulation, les sources d'énergie et/ou le niveau et le type de charge. Chaque composant du SEH étudié inclut une stratégie de commande, dans le but soit de satisfaire un critère énergétique, soit de permettre de reproduire un comportement dynamique réaliste. En vue de pouvoir analyser et améliorer la qualité de la tension, nous avons développé des modèles capables de rendre compte et de traiter les déséquilibres. Un convertisseur bidirectionnel à quatre bras est proposé comme solution pour équilibrer la tension générée en conditions de charge déséquilibrée. Des commandes spéciales associées à cette structure ont été proposées pour améliorer la qualité de la tension aux bornes de la charge.Les résultats obtenus en simulations montrent qu'avec l'électronique de puissance et des stratégies de commande appropriées, il est possible d'avoir un degré plus élevé d'intégration des sources d'énergie renouvelable et d'améliorer la qualité de l'énergie générée par un SEH
Modélisation, Commande et Intégration de la Production Décentralisée dans les Micro-réseaux
No full textDue to a combination of environmental factors, security, limited fossil resources and increasing demand, the energy sector faces major changes. In the future, any sustainable energy system will be based on the increased use of renewable energy. Naturally decentralized, the renewable energy sources allow the exploitation of local resources close to the final user. Their interconnection in low voltage enables a new paradigm for the electrical power distribution system able of operating autonomously or in interconnection with a main grid, the µGrid. This kind of grid is a promising solution to face the problems of distributed generation integration with high penetration levels of renewable energy. However, technical limitations, mainly related to grid stability and power quality, raise difficult issues about the reliability of such a system.The research work presented in this paper proposes new solutions from electrical engineering to enable the integration of distributed generation and improve the µGrids power quality and weak grids stability. A special effort was made on the modelling of the different elements of a µGrid to analyse its dynamic behaviour and to anticipate problems that may occur during islanding operation mode or in interconnection with a main grid. This approach has led to innovative solutions in terms of power electronics interfaces and associated control strategies for the integration of distributed generation and storage, while contributing to the improvement of the power quality in a weak grid context. In the same context, new control laws have been designed to alleviate the fatigue loads of the major mechanical components of the wind turbines and simultaneously involve them in the primary frequency control. A special attention was paid to the validation phase through prototypes and an experimental µGrid platform.En raison d’une combinaison de facteurs environnementaux, sécurité, ressources fossiles limitées et augmentation de la demande, le secteur de l’énergie est confronté à des changements majeurs. A l’avenir, tout système énergétique durable sera basé sur un recours accru aux énergies renouvelables. Naturellement décentralisées, les sources d’énergie renouvelable permettent l’exploitation des ressources locales proches des lieux de consommation. Leur interconnexion en basse tension permet un nouveau paradigme pour le réseau de distribution capable de fonctionner indépendamment ou en interconnexion avec un réseau principal, le µréseau. Ce type de réseau est une solution prometteuse pour répondre aux problèmes d’intégration de la production décentralisée avec un taux élevé d’énergie renouvelable. Toutefois, des contraintes techniques principalement liées à la stabilité du réseau et à la qualité de l’énergie soulèvent des questions difficiles sur la fiabilité d'un tel système. Les travaux présentés dans ce mémoire consistent ainsi à proposer de nouvelles solutions issues du génie électrique pour faciliter l’intégration de la production décentralisée et améliorer la qualité de l’énergie dans les µréseaux et la stabilité des réseaux faibles. Un effort particulier a été fait sur la modélisation des différentes composantes d’un µréseau afin d’analyser son comportement dynamique et d’anticiper les problèmes qui peuvent apparaitre pendant le fonctionnement en ilotage ou en interconnexion avec un réseau principal. Cette approche a permis d’aboutir à des solutions originales en termes d’interfaces d’électronique de puissance et de commande associée pour l’intégration de la production décentralisée et du stockage, tout en participant à l’amélioration de la qualité de l’énergie dans un contexte de réseau faible. Dans le même contexte, de nouvelles lois de commande ont été conçues pour réduire la fatigue des principales composantes mécaniques des éoliennes et simultanément, les faire participer au réglage primaire de fréquence. Une attention toute particulière a été portée à la phase de validation à travers des prototypes et une plateforme expérimentale µréseau
Power Converters for Distributed Generation Integration into μGrids
No full textInternational audienceIn the traditional electric grid, the power flow is unidirectional from the centralised big generation plants to a large number of dispersed end-users. Nowadays, the energy market liberalisation has permitted customers not only to consume electricity, but also to generate and sell it. As a consequence, the number of small generation systems that are connected at the distribution line level is continuously increasing. The increasing penetration of this generation systems, called Distributed Generation (DG) is changing the perspective of the grid from a centralised to a decentralised one and creates several challenges that must be carefully addressed in order to keep the proper operation of the electric grid. To take into account all those challenges, a solution capable of guaranteeing a controlled injection of the power generated by DG must be defined. The μGrid is being analysed as a solution to these issues. From the grid point of view, a μGrid can be regarded as a controlled entity that can be operated as a single aggregated load or even as a small power source or ancillary service supporting the network. From the customer's point of view, a μGrid provides enhanced power quality and reliable energy supply. The most important characteristic of a μGrid is its ability to operate in grid connected or islanding mode. The attention focuses on the power converters and control designed to improve power quality and stability during grid connected and islanding operation of the μGrid
Power Converters for Distributed Generation Integration into μGrids
No full textIn the traditional electric grid, the power flow is unidirectional from the centralised big generation plants to a large number of dispersed end-users. Nowadays, the energy market liberalisation has permitted customers not only to consume electricity, but also to generate and sell it. As a consequence, the number of small generation systems that are connected at the distribution line level is continuously increasing. The increasing penetration of this generation systems, called Distributed Generation (DG) is changing the perspective of the grid from a centralised to a decentralised one and creates several challenges that must be carefully addressed in order to keep the proper operation of the electric grid. To take into account all those challenges, a solution capable of guaranteeing a controlled injection of the power generated by DG must be defined. The μGrid is being analysed as a solution to these issues. From the grid point of view, a μGrid can be regarded as a controlled entity that can be operated as a single aggregated load or even as a small power source or ancillary service supporting the network. From the customer's point of view, a μGrid provides enhanced power quality and reliable energy supply. The most important characteristic of a μGrid is its ability to operate in grid connected or islanding mode. The attention focuses on the power converters and control designed to improve power quality and stability during grid connected and islanding operation of the μGrid
Power Converters for Distributed Generation Integration into μGrids
No full textInternational audienceIn the traditional electric grid, the power flow is unidirectional from the centralised big generation plants to a large number of dispersed end-users. Nowadays, the energy market liberalisation has permitted customers not only to consume electricity, but also to generate and sell it. As a consequence, the number of small generation systems that are connected at the distribution line level is continuously increasing. The increasing penetration of this generation systems, called Distributed Generation (DG) is changing the perspective of the grid from a centralised to a decentralised one and creates several challenges that must be carefully addressed in order to keep the proper operation of the electric grid. To take into account all those challenges, a solution capable of guaranteeing a controlled injection of the power generated by DG must be defined. The μGrid is being analysed as a solution to these issues. From the grid point of view, a μGrid can be regarded as a controlled entity that can be operated as a single aggregated load or even as a small power source or ancillary service supporting the network. From the customer's point of view, a μGrid provides enhanced power quality and reliable energy supply. The most important characteristic of a μGrid is its ability to operate in grid connected or islanding mode. The attention focuses on the power converters and control designed to improve power quality and stability during grid connected and islanding operation of the μGrid
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