Commande avancée tolérante aux fautes actives d’un système de microréseau DC : application à une plateforme de production d’hydrogène vert

Advanced active fault tolerant control of a DC microgrid system : application to a green hydrogen production platform

• Auteur / Autrice : Mahdi Boukerdja
• Direction : Belkacem Ould Bouamama, Aissa Chouder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Université Mohamed Boudiaf (M'Sila, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Abderrahmen Bouguerra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Lise Gehin, Zineb Simeu-Abazi, Hafid Haffaf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Hatti, Nicolas Heraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Défauts

Graphes de lien

Commande robuste

Détection de défaut (ingénierie)

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Fiabilité

Micro-réseaux électriques

Électronique de puissance

Mots clés libres

Charge à puissance constante

DC Microgrid

Control hierarchical

Power management

Bond graph

Diagnostic

Fault tolerant control

Résumé

La caractéristique d'impédance négative incrémentielle (INI) de la charge à puissance constante (CPL) et les défauts des composants diminuent le facteur d'amortissement des composants du micro-réseau DC (DC-MG). La diminution du facteur d'amortissement des composants du micro-réseau DC provoque une oscillation non amortie des paramètres électriques (tension et courant). Cette oscillation non amortie provoque du stress et des endommagements des composants semi-conducteurs. Dans cette condition, le DC-MG cesse de fonctionner, et la disponibilité de l'énergie sera perdue dans le DC-MG. Cette thèse contribue au développement d'une hiérarchie de contrôle reconfigurable robuste composée de niveaux de contrôle primaire et secondaire. Cette hiérarchie de contrôle développée augmente le facteur d'amortissement des composants du DC-MG pour éviter le problème d'instabilité dû à la caractéristique INI du CPL et aux défauts des composants. La robustesse de la hiérarchie de contrôle est assurée par deux contrôleurs robustes : le contrôleur H∞ et le contrôleur structuré basés sur H∞. Le contrôleur H∞ est intégré au niveau de contrôle primaire, et le contrôleur structuré basé sur H∞ est intégré au niveau de contrôle secondaire. Un processus de conception composée de deux algorithmes d'optimisation Glover Doyle (DG) et Nonsmooth est proposée pour développer les contrôleurs H∞ et le contrôleur structuré basé sur H∞. Ces algorithmes d'optimisation GD et Nonsmooth nécessitent les systèmes augmentés, incluant les fonctions de pondération, représentant les contraintes du problème d'optimisation. Ils aident à obtenir ces contrôleurs robustes qui peuvent atteindre les performances souhaitées. Ces systèmes augmentés sont dérivés des modèles des convertisseurs DC/DC intégrés dans le DC-MG et de l'interconnexion parallèle des composants DC-MG, qui incorporent le modèle des incertitudes et des perturbations du système.La hiérarchie de contrôle robuste est reconfigurée en recalculant le contrôleur H∞ et le contrôleur structuré basés sur H∞ lorsqu'un défaut grave se produit dans le système. La reconfiguration de la hiérarchie de contrôle robuste a nécessité un diagnostic en ligne robuste constitué de relations de redondance analytiques (ARR) dont les évaluations numériques sont les indicateurs de défaut, qui doivent être compris entre les seuils adaptatifs lorsque le système est dans son état sain. Ces indicateurs de défaut sortent des seuils adaptatifs lorsque le défaut se produit dans le système. Les ARR et les générateurs de seuils adaptatifs sont dérivés du modèle du DC-MG réalisé à l'aide d'une approche de modélisation par Bond graph à base d’une transformation fractionnaire linéaire (LFT-BG), qui est un outil puissant pour modéliser le système multi physique hybride tel que le DC-MG. De plus. Cette approche de modélisation inclut les incertitudes et les perturbations comme une partie du modèle, qui est utilisé pour dériver les générateurs de seuils adaptatifs. En outre, le diagnostic en ligne robuste peut estimer le changement des paramètres qui s'est produit en raison de défaut. Cette estimation aidera à recalculer le contrôleur H∞ et le contrôleur structuré à base H∞. L'approche développée est validée à l'aide de la simulation réalisée dans les logiciels PSIM, Matlab, et 20sim et de l'expérimentation réalisée à l'aide de deux plateformes : une plateforme développée à l'Université de M'sila et une autre plateforme développée au laboratoire CRIStAL, disponible à l'école polytechnique de Lille.

The incremental negative impedance (INI) characteristic of constant power load (CPL) and component faults decrease the damping factor of DC Microgrid components. The decrease in the damping factor of DC-Microgrid components causes an undamped oscillation in the electrical parameters (voltage and current). This undamped oscillation gives stress and damage to semiconductor components. In this condition, the DC-MG stops operating, and energy availability will be lost in DC-MG. This thesis contributes to develop a robust reconfigurable control hierarchy consisting of primary and secondary control levels. This developed control hierarchy increases the DC-MG components' damping factor to avoid the instability problem due to the INI characteristic of CPL and component Faults. The robustness of the control hierarchy is provided by two Robust controllers: H∞ and structured H∞ based controllers. The H∞ based controller is integrated into the primary control level, and the structured H∞ based controller is integrated into the secondary control level. A process design consisting of the Golver Doyle (DG) and Nonsmooth optimization algorithms is proposed to perform H∞ and structured H∞ based controllers. These GD and Nonsmooth optimization algorithms require the augmented plants, including the weight functions, representing the optimization problem constraints. They help to derive robust controllers that can achieve the wanted performance. These augmented plants are derived from the models of the DC/DC converters integrated into DC-MG and parallel interconnection of DC-MG components, which incorporate the model of overall system uncertainties and disturbances.The robust control hierarchy is reconfigured by recalculating H∞ and structured H∞ based controllers when a severe fault occurs in the system. The reconfiguration of robust control hierarchy required a robust online diagnosis consisting of analytical redundancy relations (ARRs) whose numerical evaluations are the fault indicators, which must be comprised between the adaptive thresholds when the system is in its healthy state. These fault indicators go outside the adaptive thresholds when the fault occurs in the system. The ARRs and generators of adaptive thresholds are derived from the model of the DC-MG performed using a linear fractional transformation bond graph (LFT-BG) modeling approach, which is a powerful tool for modeling the hybrid multi-physical system such as DC-MG. Also. This approach modeling includes the uncertainties and disturbances as a part of the model, which is used to derive the generators of adaptive thresholds. Moreover, the robust online diagnosis can estimate the change of parameters that occurred due to the fault. This estimation will help to recalculate the H∞ and structured H∞ based controller. The developed approach is validated using the simulation carried out in PSIM, Matlab, and 20sim software and experiment performed using two platforms: platform developed in the University of M'sila and another platform developed in CRIStAl laboratory, available in Lille polytech school.