Commande distribuée coopérative appliquée aux microgrids à courant continu

Distributed Cooperative Control for DC Microgrids

• Auteur / Autrice : Sif Eddine Benahmed
• Direction : Pierre Riedinger, Serge Pierfederici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 16/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Malek Ghanes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Riedinger, Serge Pierfederici, Corinne Alonso, Ionela Prodan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Malek Ghanes, Corinne Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie) -- Régulation

Systèmes à paramètres répartis

Circuits électriques -- Courant continu

Micro-réseaux électriques intelligents

Commande automatique

Mots clés libres

Commande distribuée

Microgrids à courant continu

Partage du courant

Régulation de la tension moyenne

Équilibrage des états de charge

Actions intégral

Consensus

Implémentation temps-réel hardware-in-the-loop

Distributed control

Direct current microgrids

Current sharing

Average voltage regulation

State-of-charge balancing

Consensus-like integral actions

Real-time hardware-in-the-loop implementation

Résumé

Au cours des dernières années, le réseau électrique connait une transformation rapide avec la pénétration massive des unités de production renouvelables et distribuées. Le concept de microgrids (micro-réseau électrique) est un élément clés de cette transition énergétique. Ces micro-réseaux sont constitués par un ensemble de plusieurs unités de production distribuées (DGUs), d'unités de stockage (SUs) et de charges interconnectées par des lignes électriques. Un microgrid peut être installé dans plusieurs endroits, par exemple dans des maisons, des hôpitaux, des quartiers, etc. et fonctionne soit en mode connecté au réseau principale, soit en mode isolé (autonome). Les microgrids sont confrontés à plusieurs défis liés à la garantie de la stabilité, la cybersécurité, l'optimisation des coûts énergétiques, la gestion de l'énergie, la qualité de l'énergie, etc. Dans ce travail, nous concentrons notre attention sur le contrôle des microgrids à courant continu en mode de fonctionnement autonome. La principale contribution de cette thèse est l’établissement de lois de commande par retour d’état distribuées assurant un partage de courant proportionnel entre les unités de production, une régulation de la tension moyenne des lignes et un équilibrage simultané des états de charge des éléments de stockage. En partant de l'hypothèse que les agents (DGU ou SU) ont les mêmes paramètres physiques, la preuve de la convergence exponentielle et globale est donnée en l’absence d’une connaissance de la charge présente sur le réseau. La thèse est divisée en trois parties. La première partie présente le concept des microgrids, un état de l’art sur leurs stratégies de contrôle et les préliminaires mathématiques nécessaires tout au long du manuscrit. La deuxième partie constitue la contribution théorique de cette thèse et aborde la synthèse de lois de contrôle distribuées, garantissant les objectifs envisagés en l’absence d’une connaissance de la charge variable sur le réseau et même en cas de perturbation constantes au niveau de l’entrée de commande. Cette garantie est apportée en considérant trois actions intégrales distribuées de type consensus. Dans la troisième partie, les contrôleurs proposés sont évalués dans différents scénarios par le biais de simulation Matlab/Simulink et de tests Hardware-in-the-Loop (HIL) en temps réel. Les résultats montrent que les objectifs de contrôle sont atteints avec succès, ce qui illustre l'efficacité de la méthodologie de contrôle proposée.

In recent years, the power grid has undergone a rapid transformation with the massive penetration of renewable and distributed generation units. The concept of microgrids is a key element of this energy transition. Microgrids are made up of a set of several distributed generation units (DGUs), storage units (SUs) and loads interconnected by power lines. A microgrid can be installed in several locations, for example in houses, hospitals, a neighborhood or village, etc., and operates either in connected mode to the main grid or in isolated (autonomous) mode. Microgrids are facing several challenges related to stability assurance, cyber-security, energy cost optimization, energy management, power quality, etc. In this work, we focus our attention on the control of islanded direct current microgrids. The main contribution is the design of a new distributed control approach to provably achieve current sharing, average voltage regulation and state-of-charge balancing simultaneously with global exponential convergence. The main tools are consensus in multi-agent systems, passivity, Lyapunov stability, linear matrix inequalities, etc. The thesis is divided into three parts. The First part presents the concept of microgrids, a literature review of their control strategies and the mathematical preliminaries required throughout the manuscript. The second part deals with the design of the proposed distributed control approach to achieve the considered objectives. The system is augmented with three distributed consensus-like integral actions, and a distributed-based static state feedback control architecture is proposed. Starting from the assumption that the agents (DGUs or SUs) have the same physical parameters, we provide proof of global exponential convergence. Moreover, the proposed control approach is distributed, i.e., each agent exchange relative information with only its neighbors through sparse communication networks. The proposed controllers do not need any information about the parameters of the power lines neither the topology of the microgrid. The control objectives are reached despite the unknown load variation and constant disturbances. In the third part, the proposed distributed controllers are assessed in different scenarios through Matlab/Simulink simulation and real-time Hardware-in-the-Loop experiment. The results show that the control objectives are successfully achieved, illustrating the effectiveness of the proposed control methodology.