Modélisation, contrôle/commande et certification d'un micro-réseau électrique décentralisé avec entrées exogènes aléatoires et informations contraintes

Modeling, control and certification of an electrical decentralized microgrid with random exogenous inputs and constrained information

• Auteur / Autrice : Jean Dobrowolski
• Direction : Mazen Alamir, Seddik Bacha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique - productique
• Date : Soutenance le 21/12/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tarbouriech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miao-Xin Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Thomas, Mohamed Benbouzid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Réseaux électriques (circuits)

Réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Micro-Réseaux

Stabilité

Contrôle-Comande décentralisé

Certification

Modélisation

Micro-Grid

Stabillity

Décentralized control

Certification

Modeling

Résumé

Depuis plusieurs années, le secteur de l’énergie subit des changements importants. La prise de conscience du réchauffement climatique, la volonté d’introduire un mix énergétique permettant de réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais aussi la raréfaction des sources d’énergies fossiles, tendent à favoriser la production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Les « microgrids » ou micro­réseaux électriques sont une de ces opportunités de nouveaux marchés, sur lequel souhaite se positionner fortement Schneider Electric.Les microgrids sont des versions à échelles réduites d’un réseau national, comportant des objectifs particuliers comme la sécurisation de l’énergie, la baisse d’émissions de gaz à effet de serre, etc. Ils sont composés de diverses sources de puissance : renouvelable (PV ; éolien, etc.), générateurs diesel, mais aussi de stockage et de consommateurs. Ils peuvent être connectés à un réseau principale, ou îlotés. Les microgrids îlotés étant intrinsèquement composés de producteurs à base d’énergie renouvelable et donc de convertisseurs statiques, l’inertie naturelle du réseau est très faible, comparée à celle d’un réseau classique composé de machine tournante. Dans ce type de configuration, un appel de charge, une baisse soudaine de production due à l’intermittence de certaines énergies, peut déstabiliser le réseau et créer des réactions en chaîne aboutissant à une perte totale du réseau.Parmi les marchés visés des microgrid, celui des îles, dont le réseau électrique est majoritairement assuré par des groupes électrogènes, présente l’objectif attirant d’améliorer une base existante en ajoutant des sources renouvelables à la production. Ces réseaux font face à de fortes contraintes de communication qui peut être difficile à établir, voir non existante. Ainsi, les commandes conventionnelles d’un microgrid ne permettent pas de répondre à la problématique présentée.Les travaux se résument en quatre étapes principales, dans un premier temps, différents modèles de simulations des sous-systèmes seront définis pour répondre à la problématique.Ces modèles serviront ensuite à la définition des lois de contrôle-commande d’un microgrid décentralisé à communication limité, et permettront, entre autres, de comparer les performances d’un tel contrôle avec un contrôle centralisé classique.La troisième étape de la thèse présentera la certification probabiliste des algorithmes décentralisés, afin d’assurer les performances souhaitées.Enfin, les travaux se termineront par des résultats de simulation et une phase d’expérimentation réelle, avec la mise en place d’un microgrid d’une puissance totale de 100kW, pour valider le fonctionnement des algorithmes.

Since many years, the energy sector is undergoing significant changes. Awareness of global warming, the objective to use reduce greenhouse gas but also the scarcity of fossil energy, encourage the world to promote the use of more and more renewable energies. Electric microgrid are one of the opportunities new market on which Schneider Electric wants to launch.Microgrid are a scaled-down version of a national grid with specific objectives such as energy security, lower greenhouse gas emissions and so on. They are composed of several renewable sources (photovoltaic, wind for example), generators set, but also storage and consumers. They can be connected to a main grid or islanded. Since islanded microgrid are intrinsically composed of renewable producers with static converters, the natural grid inertia is particularly low compared to that of a classic grid with rotating machine. With this consideration, a load impact or a sudden drop of production due to renewable intermittency can destabilize the network and create chain reactions leading to a total grid blackout.Among the microgrids target markets, island whose electricity production is mostly provided by generators set presents the objective of improving an existing grid by adding renewable sources to production. These grid face strong communication constraints which can be difficult to establish, unreliable or non-existent. Thus, conventional microgrid commands do not allow to answer the presented problem.Objective of this thesis is to design the control algorithms of islanded microgrid without communication to ensure both frequency stability and to maximize renewable energy use.The presented work can be summarized in four main stages. First, several simulation models of microgrid subsystem will be defined for islanded microgrid analysis.These models will then be used to define control laws of a decentralized microgrid without communication. They will be used, inter alia, to compare performances of this decentralized control with a conventional centralized control.The third stage of the thesis will present the probabilistic certification of the decentralized algorithms in order to guarantee the desired performance.Finally, the work will end with simulation results and a real experimentation phase with the test on a 100 kVA microgrid to validate operation of algorithms.