Commande avancée et optimisation de l'interaction entres sources d'énergie renouvelables et réseaux électriques

Advanced control and optimisation of interaction between renewable energy sources and electricity network

• Auteur / Autrice : Adil Mansouri
• Direction : Fouad Giri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/11/2023
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes (Caen ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Omar Bouattane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Rachid, Hamid Ouadi, Marie-Ange Manier, Abdelmounime El Magri, Sébastien Saez, Fatima-Zahra Chaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ahmed Rachid, Hamid Ouadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion énergétique

Observateurs adaptatifs

Mots clés libres

Contrôle non linéaire

Système de conversion d'énergie

Redresseur Vienna

Ligne de transmission HVDC

Nonlinear control

Adaptive observer

Energy conversion system

Vienna rectifier

HVDC transmission line

Résumé

Les énergies renouvelables jouent un rôle de plus en plus important dans la production mondiale d'énergie électrique. Elles sont devenues une solution essentielle pour faire face aux effets du changement climatique et à l'épuisement des combustibles fossiles. Les centrales d'énergies renouvelables prennent désormais le relais en fournissant une source d'énergie propre et durable. Ces centrales peuvent utiliser différentes sources d'énergies renouvelables, qu'elles soient de même nature ou de nature différente, créant ainsi des systèmes hybrides. Cette approche tire parti des avantages de chaque source d'énergie et permet d'obtenir des rendements supérieurs à ceux obtenus avec une seule source d'énergie. Le contrôle et l'optimisation de ces sources hybrides constituent un domaine de recherche prometteur en raison des défis posés par l'interaction entre ces sources de natures différentes, qui dépendent de grandeurs intermittentes et imprévisibles.Contrôler et équilibrer le flux d'énergie produit afin de maintenir la stabilité du réseau est un vrai défi, car les charges se situent généralement loin des centrales de production. À cette fin, deux modes de fonctionnement sont envisagés. Le premier mode de fonctionnement est appliqué lorsque la puissance produite disponible est inférieure à la demande de puissance de la charge. Dans le second mode de fonctionnement, la puissance produite disponible est supérieure à la demande de puissance.La conception d'un contrôle nonlinéaire multi-objectifs nécessite l'élaboration d'un modèle nonlinéaire décrivant l'interaction entre les différentes grandeurs régissant le système de conversion d'énergie. À partir du modèle élaboré et des objectifs fixés au préalable, on peut utiliser différentes commandes nonlinéaires telles que le contrôle par mode glissant, backstepping, la commande adaptative ou autre pour contrôler les convertisseurs statiques.Un bon contrôle des convertisseurs statiques tels que les redresseurs commandés, les hacheurs ou les onduleurs permet non seulement de satisfaire les objectifs souhaités, mais aussi d'améliorer la qualité des signaux électriques, de réduire les pertes au niveau des interrupteurs de puissance, des machines et des lignes de transmission électrique.La conception des contrôleurs repose généralement sur la mesure des différents états et variables du système à contrôler. Cependant, certains de ces paramètres sont difficiles, voire impossibles à mesurer, et nécessitent l'utilisation de technologies coûteuses. De plus, ces paramètres peuvent varier dans le temps, ce qui compromet les performances du contrôleur. Pour remédier à ce problème, une solution envisageable consiste à recourir à la synthèse de commandes adaptatives et robustes. De plus, les observateurs d'état permettent d'estimer la valeur des grandeurs non mesurées, ce qui présente l'avantage de réduire à la fois l'encombrement du système et le coût de la source d'énergie.

Renewable energies are playing an increasingly important role in global energy production. They have become an essential solution to address the effects of climate change and the depletion of fossil fuels. Renewable energy power plants are now taking the lead by providing a clean and sustainable energy source. These power plants can utilize different types of renewable energy, whether of the same or different nature, thus creating hybrid systems. This approach capitalizes on the advantages of each energy source and enables higher efficiencies compared to relying on a single energy source. The control and optimization of these hybrid sources constitute a promising research field due to the challenges posed by the interaction between these diverse sources, which depend on intermittent and unpredictable variables.Controlling and balancing the flow of generated energy to maintain grid stability is a significant challenge as loads are typically located far from the production plants. To this end, two operating modes are considered. The first operating mode is applied when the available generated power is lower than the power demand from the load. In the second operating mode, the available generated power exceeds the power demand.The design of a multi-objective nonlinear control requires the development of a nonlinear model that describes the interaction between different variables governing the energy conversion system. Based on the developed model and predefined objectives, various nonlinear control techniques such as sliding mode control, backstepping, adaptive control, or others can be employed to control static converters.Effective control of static converters such as controlled rectifiers, choppers, or inverters not only enables the achievement of desired objectives but also enhances the quality of electrical signals, reduces losses at power switches, machinery, and transmission lines.The design of controllers typically relies on measuring various states and variables of the system to be controlled. However, some of these parameters are difficult, if not impossible, to measure and require the use of expensive technologies. Additionally, these parameters can vary over time, compromising the controller's performance. To address this issue, a feasible solution is to employ adaptive and robust control synthesis. Furthermore, state observers allow for the estimation of unmeasured quantities, offering the advantage of reducing system complexity and energy source costs.