Vers une commande robuste adaptative aux conditions temps réel d'un micro-réseau

Towards a robust control adaptive to real-time conditions of a microgrid

• Auteur / Autrice : Iréna Horvatic
• Direction : Delphine Riu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 01/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Manuela Sechilariu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salvy Bourguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Pierfederici, Ionel Vechiu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie)

Micro-réseaux électriques

Incertitudes bornées

Commande robuste

Mots clés libres

Contrôle robuste

Incertitudes de modélisation

Micro-Réseau

Méthodologie de conception

Outil d’aide à la décision

Robust control

Modelling uncertainties

Microgrid

Design methodology

Decision-Making tools

Résumé

La transition énergétique actuelle est accompagnée par le développement de micro-réseaux pour favoriser l’insertion massive de systèmes de production d’énergie électrique d’origine renouvelable et améliorer la fiabilité du réseau. Cela induit cependant de fortes contraintes sur le pilotage et le dimensionnement de ces réseaux afin d’optimiser et fiabiliser leurs performances avec un fort taux d’incertitudes liées au fonctionnement en temps réel. Bien souvent, l’optimisation d’une stratégie de gestion d’énergie est dégradée ou perdue lors de son implémentation pratique du fait du comportement réel des composants utilisés pour le pilotage ou la mesure des grandeurs, comme les capteurs. Cette thèse a pour objectif de proposer une méthodologie et des outils d’aide à la décision, pour un concepteur de micro-réseau, de manière à intégrer dès la phase de conception ces incertitudes de fonctionnement afin de garantir le contrôle le plus optimal et robuste possible en situation réelle.Le cas d’étude retenu consiste à contrôler un système de stockage d'énergie pour participer au contrôle primaire de la fréquence d'un micro-réseau insulaire, confronté à des perturbations liées à des variations de charge ou/et de production photovoltaïque. Dans une première partie, la thèse présente la conception d’un contrôle robuste « H-infini » de la fréquence d'un micro-réseau donné, sans tenir compte des incertitudes liées à la mise en œuvre dans des conditions proches du temps réel. Cette stratégie a été élaborée à partir de critères dynamiques imposés par le « grid code » européen. Des simulations ont permis de valider les critères de performance obtenues sans prendre en compte d’incertitude.Dans une seconde partie, une méthodologie de modélisation d’incertitude de fonctionnement est présentée afin de permettre au concepteur de pouvoir modéliser des comportements incertains dynamiques, liés à la présence de certaines composants indispensables. Dans cette thèse, les incertitudes de fonctionnement sont associées au retard incertain provenant de capteur de mesure réellement présent dans le système étudié. Après l’étape de modélisation de l’incertitude, un outil d’analyse appelé « mu-analyse » est utilisé afin de réaliser une analyse de robustesse du système avec ce correcteur, prouvant l’importance de la prise en compte de cette incertitude lors de la conception du correcteur pour garantir les performances dynamiques souhaitées. Cet outil permet d’aider le concepteur dans ses décisions et de prévoir de potentiels futurs problèmes lors de l’implémentation de correcteur en temps réel, pouvant être a minima une perte d’optimalité du contrôle.Afin de garantir la stabilité et les performances dynamiques du système étudié avec la présence d’incertitudes de fonctionnement, une commande robuste est alors synthétisée avec la méthode dite de « mu-synthèse ». Celle-ci permet de prendre en compte les incertitudes dès la phase de conception du contrôleur. Une validation sous simulation est faite, ainsi qu’une comparaison avec la commande précédente. Les correcteurs robustes étant généralement d’ordre élevés, ceci devient un obstacle lors de l’implémentation, surtout pour des applications embarquées. Alors, des techniques de réduction d’ordre sont mises en œuvre pour proposer une solution plus favorable à cela.La dernière partie de la thèse présente des résultats expérimentaux permettant de mettre en évidence sa problématique scientifique, soit la perte d’optimalité d’un correcteur, et de valider la synthèse de contrôleurs robustes intégrant les composants temps réel dès la phase de conception.La thèse propose ainsi un nouveau cadre de conception pour le contrôle des micro-réseaux ou des systèmes électriques.

The current energy transition is accompanied by the development of microgrids to support massive implementations of renewable electricity generation systems and improve the network reliability. However, this leads to strong constraints on the management and sizing of these networks, in order to optimize their performance and make them more reliable as regards high level of uncertainties related to real-time operation. Very often, optimization of an energy management strategy is degraded or lost in its practical implementation, because of the real-life behaviour of the components used to drive or measure quantities, such as sensors. The aim of this thesis is to propose a methodology and decision-making tools for a microgrid designer, so that these functional uncertainties are integrated already at the design stage, in order to guarantee the most optimal and robust control in real situations.The chosen case study consists of controlling an energy storage system in order to participate to the primary frequency control of a standalone microgrid, subject to perturbations due to variations of the load or/and photovoltaic production. In the first part, the thesis presents the design of the “H-infinity” robust frequency control of the given microgrid, without taking into account the uncertainties related to the implementation in the (nearly) real-time conditions. The strategy has been based on dynamic criteria imposed by the European “grid code”. Simulations have allowed us to validate the performance criteria obtained without taking into account uncertainties.The second part of the thesis presents a methodology of modelling functional uncertainties, to allow a designer to model uncertain dynamic behaviours, related to the presence of some indispensable components. Here, we consider the functional uncertainties related to an uncertain delay from a sensor that is really employed in the studied system. After the modelling of this uncertainty, we use a “mu-analysis” tool to evaluate the robustness of the system with the corresponding corrector. We thus prove the importance of taking into account the given uncertainty when designing the corrector, in order to guarantee the desired dynamic performance. The “mu-analysis” tool helps designer in his decisions and allows him to predict potential future problems in the real-time implementation of the corrector, which at least degrades the optimality of the control.In order to ensure stability and dynamic performance of the studied system in presence of functional uncertainties, we generate a robust control using the “-synthesis” method. This method allows us to take into account the uncertainties already at the design stage of the controller. The new control is validated by simulations and its performance compared to the previous one. As robust correctors are generally of high order, their complexity becomes an obstacle for practical implementation, in particular for embedded systems. Therefore, order reduction techniques are employed to provide a more favourable solution.The last part of the thesis presents experimental results that highlight its scientific content, namely the loss of optimality of a corrector, and validate design of a robust controller that integrates real-time components already at the conception phase.The thesis thus proposes a new design framework for the control of microgrids or electric systems.