Impact of diesel generator operating modes on standalone DC microgrid and control strategies implying supercapacitor

par Changjie Yin

Thèse de doctorat en Génie Électrique : Laboratoire Avenues - GSU (EA-7284)

Sous la direction de Manuela Sechilariu et de Fabrice Locment.

Soutenue le 23-02-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

  • Titre traduit

    Impact des modes de fonctionnement d'un générateur diesel sur un micro réseau à courant continu autonome et stratégies de contrôle impliquant un supercondensateur


  • Résumé

    La nature intermittente et aléatoire des sources renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, nécessite un complément de stockage, tel une batterie et un système de secours énergétique, tel un générateur diesel, en particulier dans un système autonome. En ce qui concerne le générateur diesel, il a besoin d'un certain temps pour démarrer et il ne peut pas donner immédiatement la puissance nécessaire, en raison de son comportement dynamique. Alors, la qualité de l'énergie est abaissée pendant cette période en raison du manque de puissance. Par conséquent, pendant la période de démarrage du générateur diesel, un supercondensateur est suggéré pour équilibrer la puissance en raison de sa réponse rapide et de sa densité de puissance élevée. Une stratégie de contrôle de puissance est proposée pour réaliser la coordination entre le générateur diesel et le supercondensateur. La simulation et les résultats expérimentaux montrent que la stratégie de contrôle proposée est capable de réguler la tension du bus continu dans des limites acceptables et d’alimenter la charge pendant la sous production d'énergie renouvelable ou lors d'augmentation de la demande de la charge. De plus, le supercondensateur peut également être utilisé pour surmonter les limites de stockage électrochimique telles que son état de charge et son courant maximal. Ainsi, cette thèse propose le contrôle de puissance en temps réel pour un micro réseau continu avec un système hybride photovoltaïque-batterie-supercondensateur-diesel, visant à répondre à la demande de puissance de charge avec fiabilité et à stabiliser de la tension du bus continu. La simulation et les résultats expérimentaux montrent également que la stratégie de contrôle améliore les performances dynamiques et statiques du micro réseau continu pour différentes conditions de fonctionnement. De plus, afin de minimiser le coût énergétique du groupe diesel, le coût du carburant et la consommation de carburant sont analysés à travers plusieurs tests expérimentaux. Par conséquent, la valeur optimale de sa production d'énergie est déduite et appliquée dans une nouvelle stratégie de gestion de la puissance est proposée. Cette stratégie peut atteindre l'objectif de maximiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïque et de prendre en compte la caractéristique de démarrage lent et le coût énergétique du générateur diesel. Les simulations et expérimentations sont réalisées en utilisant des données photovoltaïques réelles pour illustrer les performances et le comportement du système hybride. Les résultats obtenus vérifient l'efficacité de cette stratégie. De plus la comparaison avec la stratégie de gestion de la puissance précédente, dans laquelle le coût d’énergie du générateur diesel n'est pas pris en compte, démontre que la nouvelle stratégie de gestion peut réduire le coût total du système de puissance à courant continu hybride.


  • Résumé

    The intermittent and random nature of renewable sources, such as photovoltaic and wind turbine, asks for the complement of storage, such as battery and back-up energy, such as diesel generator, especially in a standalone power system. Concerning the diesel generator, it needs some time to start up and cannot immediately offer the needed power, due to its dynamic behavior. Hence, the power quality is lowered down during this period because of the shortage of power. Therefore, during the period of the diesel generator starting up, a supercapacitor is suggested to compensate the power balance because of its fast response and high power density. A power control strategy is proposed to achieve the coordination between diesel generator and supercapacitor. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy is able to regulate the DC bus voltage within the acceptable limits and supplying the load during the renewable power under generation or load step-increase situations. In addition, the supercapacitor can be also used to overcome the electrochemical storage limits like its state of charge and maximum current. So, this thesis proposes the real time power control for a hybrid photovoltaic-battery-supercapacitor-diesel generator DC microgrid system, aiming to meet the load power demand with reliability and stabilizing the DC bus voltage. Both simulation and experimental results show that the designed control strategy improves the DC microgrid dynamic and static performances under different operating conditions. Furthermore, in order to minimize the diesel generator energy cost, the fuel cost and fuel consumption are analysed through several experimental tests. Therefore, the optimal value of its power generation is deduced and applied in a newly proposed energy management strategy. This strategy can achieve the goal of maximizing the utilization of photovoltaic energy and taking into account the slow start-up characteristic and energy cost of diesel generator. Both simulation and experimental studies are carried out by using the real photovoltaic data to illustrate the performance and the behavior of the hybrid system. The obtained results verify the effectiveness of this strategy. Furthermore, the comparison with the previous energy management strategy, in which the diesel generator energy cost is not considered, demonstrates that the newly proposed energy management strategy can reduce the total cost of the hybrid DC power system.


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