Contrôle des microgrid AC/DC avec des énergies renouvables dans le contexte des smart grids : inclus services système et la mobilité électrique

Control of AC/DC Microgrids with Renewables in the Context of Smart Grids : Including Ancillary Services and Electric Mobility

• Auteur / Autrice : Filipe Perez
• Direction : Françoise Lamnabhi-Lagarrigue, Paulo Fernando Ribeiro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidade federal de Itajuba. Brésil
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Antonio Carlos Zambroni de Souza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Glauco Nery Taranto, Didier Georges, Gilney Damm, William Pasillas-Lépine, Pedro Machado de Almeida
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Glauco Nery Taranto, Didier Georges

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liapounov, Stabilité de

Stabilité de fréquence

Micro-réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Microgrids

Contrôle non-Linéaire

Stabilité du système électrique

Régulation de tension et de fréquence

Méthodes de Lyapunov

Inertie virtuelle

Services système

Microgrids

Nonlinear control

Power system stability

Voltage and frequency regulation

Lyapunov Methods

Virtual inertia

Ancillary services

Résumé

Les Microgrids sont une excellente solution aux problèmes actuels soulevés par la croissance constante de la demande de charge et la forte pénétration des sources d’énergie renouvelables, qui se traduisent par une modernisation du réseau grâce au concept de “Smart-Grids”. L’impact des sources d’énergie distribuées basées sur l’électronique de puissance est une préoccupation importante pour les systèmes d’alimentation, où la régulation naturelle de la fréquence du système est entravée en raison de la réduction de l’inertie. Dans ce contexte, les réseaux à courant continu (CC) sont considérés comme une solution pertinente, car la nature CC des appareils électroniques de puissance apporte des avantages technologiques et économiques par rapport au courant alternatif (CA). La thèse propose la conception et le contrôle d’une Microgrid hybride AC/DC pour intégrer différentes sources renouvelables, y compris la récupération d’énergie solaire et de freinage des trains, aux systèmes de stockage d’énergie sous forme de batteries et de supercondensateurs et à des charges telles que les véhicules électriques ou d’autres réseaux (AC ou DC), pour un fonctionnement et une stabilité fiables. La stabilisation des tensions des bus du Microgrid et la fourniture de services systèmes sont assurées par la stratégie de contrôle proposée, où une étude de stabilité rigoureuse est réalisée. Un contrôleur non linéaire distribué de bas niveau, basé sur une approche “Systemof- Systems”, est développé pour un fonctionnement correct de l’ensemble du Microgrid. Un supercondensateur est appliqué pour faire face aux transitoires, équilibrant le bus CC du Microgrid et absorbant l’énergie injectée par des sources d’énergie intermittentes et possiblement très fortes comme celle provenant du freinage régénératif de trains ou metros, tandis que la batterie réalise le flux de puissance à long terme. Un contrôle de linéarisation par bouclage dynamique basé sur une analyse par perturbation singulière est développé pour les supercondensateurs et les trains. Des fonctions de Lyapunov sont construites en tenant compte des dispositifs interconnectés au Microgrid pour assurer la stabilité de l’ensemble du système. Les simulations mettent en évidence les performances du contrôle proposé avec des tests de robustesse paramétriques et une comparaison avec le contrôleur linéaire traditionnel. L’approche VSM (Virtual Synchronous Machine) est implémentée dans le Microgrid pour le partage de puissance et l’amélioration de la stabilité de fréquence. Une inertie virtuelle adaptative est proposée, puis la constante d’inertie devient une variable d’état du système qui peut être conçue pour améliorer la stabilité de fréquence et le support inertiel, où l’analyse de stabilité est effectuée. Par conséquent, le VSM est la connexion de liaison entre les côtés DC et AC du Microgrid, où la puissance disponible dans le réseau DC est utilisée pour les services système dans les Microgrids AC. Les résultats de la simulation montrent l’efficacité de l’inertie adaptative proposée, où une comparaison avec la solution de statisme et le contrôle standard est effectuée.

Microgrids are a very good solution for current problems raised by the constant growth of load demand and high penetration of renewable energy sources, that results in grid modernization through “Smart-Grids” concept. The impact of distributed energy sources based on power electronics is an important concern for power systems, where natural frequency regulation for the system is hindered because of inertia reduction. In this context, Direct Current (DC) grids are considered a relevant solution, since the DC nature of power electronic devices bring technological and economical advantages compared to Alternative Current (AC). The thesis proposes the design and control of a hybrid AC/DC Microgrid to integrate different renewable sources, including solar power and braking energy recovery from trains, to energy storage systems as batteries and supercapacitors and to loads like electric vehicles or another grids (either AC or DC), for reliable operation and stability. The stabilization of the Microgrid buses’ voltages and the provision of ancillary services is assured by the proposed control strategy, where a rigorous stability study is made. A low-level distributed nonlinear controller, based on “System-of-Systems” approach is developed for proper operation of the whole Microgrid. A supercapacitor is applied to deal with transients, balancing the DC bus of the Microgrid and absorbing the energy injected by intermittent and possibly strong energy sources as energy recovery from the braking of trains and subways, while the battery realizes the power flow in long term. Dynamical feedback control based on singular perturbation analysis is developed for supercapacitor and train. A Lyapunov function is built considering the interconnected devices of the Microgrid to ensure the stability of the whole system. Simulations highlight the performance of the proposed control with parametric robustness tests and a comparison with traditional linear controller. The Virtual Synchronous Machine (VSM) approach is implemented in the Microgrid for power sharing and frequency stability improvement. An adaptive virtual inertia is proposed, then the inertia constant becomes a system’s state variable that can be designed to improve frequency stability and inertial support, where stability analysis is carried out. Therefore, the VSM is the link between DC and AC side of the Microgrid, regarding the available power in DC grid, applied for ancillary services in the AC Microgrid. Simulation results show the effectiveness of the proposed adaptive inertia, where a comparison with droop and standard control techniques is conducted.