Contrôle avancé pour la stabilité des microréseaux d'énergie : co-conception robuste et validation temps réel

par Quang linh Lam

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Delphine Riu et de Antoneta Bratcu.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Laboratoire de Génie Electrique (laboratoire) et de Systèmes et Réseaux électriques (equipe de recherche) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    CONTEXTE Les futurs systèmes énergétiques seront des systèmes multi-convertisseurs et multi-sources, avec notamment l'insertion massive des sources d'énergie renouvelable et de stockage interfacées par des convertisseurs d'électronique de puissance et la tendance actuelle à privilégier l'électricité comme vecteur énergétique. Cela concernera notamment les micro-réseaux d'énergie, les réseaux de bâtiments ou de quartiers et les futurs Smartgrids (au niveau de la distribution et même du transport). Ces systèmes électriques devront être ainsi partiellement ou totalement re-conçus pour intégrer ces nouvelles sources intermittentes qui perturberont la qualité d'alimentation en énergie de réseaux présentant par ailleurs des étages de conversion continue, source d'instabilités, des interactions dynamiques et harmoniques générées par les convertisseurs et des incertitudes paramétriques et de fonctionnement. Les problématiques de recherche associées à ces systèmes concernent ainsi le développement de stratégies de pilotage optimales permettant de maximiser la qualité de l'énergie, sécuriser les approvisionnements, gérer les intermittences et leurs impacts sur le réseau en recourant par exemple aux dispositifs de stockage, maximiser le rendement, les performances et les coûts associés au système. Les principales difficultés seront associées à la nécessité d'appréhender ces réseaux dans une vision systémique, et donc de disposer de modèles statiques, dynamiques et harmoniques permettant de prendre en compte l'évolution des configurations du réseau en fonction des aléas climatiques ou des stratégies de pilotage de charges, et les couplages entre les différents composants du réseau. OBJECTIFS Les objectifs de ce projet consistent ainsi à proposer une modélisation adaptée au dimensionnement, à la gestion énergétique et au pilotage de la tension et de la fréquence de ces systèmes dans une démarche totalement intégrée afin de dimensionner le plus finement mais le plus aisément possible ces systèmes de structure complexe. Nous proposons ainsi d'utiliser les outils de modélisation et de commande associés à la commande H-infini, déjà mis en œuvre et valorisés dans différents travaux précédents, pour réaliser ce dimensionnement alliant optimisation du dimensionnement de la structure mais aussi de l'architecture de contrôle-commande. La modélisation d'un tel système permettrait dès lors d'utiliser n'importe quelle stratégie d'optimisation des flux énergétiques, en faisant évoluer les performances en fonction des modifications des conditions de fonctionnement ou de la structure du réseau. Le programme de ce projet s'établit suivant les points suivants : - Etat de l'art sur le développement des microréseaux et les problématiques scientifiques en lien avec le projet : caractérisation statistique de la variabilité des sources d'énergie intermittentes, interactions dynamiques entre composants et notamment les convertisseurs d'électronique de puissance ; stratégies de contrôle-commande dans les microréseaux ; contrôle avancé dans les microréseaux ; - Modélisation dynamique sous forme de système d'état d'un microréseau d'étude ; - Modélisation des incertitudes de fonctionnement et paramétriques sous forme de matrices structurées ; - Synthèse d'un contrôle centralisé mais découplé des différentes sources commandées du microréseau à l'aide de la commande H-infini ; - Prise en compte des incertitudes de modélisation et de fonctionnement dans la synthèse des correcteurs et validation à l'aide de simulations numériques effectuées sous Matlab ; - Validation expérimentale sur une plateforme de tests en temps réel.

  • Titre traduit

    Advanced control of microgrids for frequency and voltage stability : robust control co-design and real-time validation


  • Résumé

    CONTEXT The future energy systems will be multi-converter and multi-source systems, particularly with the massive insertion of renewable energy sources and storage interfaced by power electronic converters and the current trend favouring electricity as energy vector. This concerns especially the energy micro-grids, the building or ward networks and the future Smartgrids (at distribution level and even at transportation level). Electrical systems must therefore be partially or completely re-designed in order to integrate these new intermittent sources that could negatively affect quality of power supplied. To cancel this drawback, massive presence of power electronic converters and storage units is required. On the other hand, these devices can potentially induce unstable operation due to dynamic and harmonic interactions generated by the converters, and parametric and operational uncertainties. Research problems associated with these systems concern consequently the development of optimal control strategies allowing maximizing power quality, securing supply, managing intermittence and its impact on the system by using for instance storage devices, maximizing efficiency, performance and costs associated with the system. The main difficulties result from the necessity to understand interactions and couplings between components within these systems, and then establish static, dynamic and harmonic models that allow to take into account influence of weather conditions or load control strategies. OBJECTIVES The objectives of this project consist, therefore, in proposing modeling adapted to design, to energy management and to voltage and frequence control of these systems in a fully integrated approach in order to design most finely but most easily possible these complex structure systems. Thus, we propose to use modeling and control tools associated with H-infinity control, already implemented and developed in different previous work, in order to realize this design combining with optimization of the structure design but also of the control architecture. The modeling of such a system would allow from then on using any optimization strategy of energy flow, by evolving performances according to changes in operating conditions or the network structure. The program of this project is established according to the following points : - State of the art on the development of micro-grids and the scientific issues related to the project : statistical characterization of the variability of intermittent energy sources, dynamic interactions between components and particularly power electronic converters ; control strategies in microgrids ; advanced control in microgrids ; - Dynamic modeling in the form of a state-space system of a studied micro-grid ; - Operational and parametric uncertainty modeling in the form of structured matrices ; - Synthesis of a centralized but decoupled control from different sources commanded from the micro-grid with the help of H-infinity control ; - Taking into account modeling and parametric uncertainties in the corrector synthesis and the validation using numerical simulations in Matlab ; - Validation on a real-time test bench.