Interface et gestion de l'énergie pour les micro-réseaux

Interface framework and energy management for microgrids

• Auteur / Autrice : Minh Cong Pham
• Direction : Seddik Bacha, Tuan Tran-Quoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• 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) - Equipe de recherche Systèmes et réseaux électriques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno François
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Caire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuela Sechilariu, Yassine Amirat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Stockage

Énergies renouvelables

Micro-réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Micro réseaux

Multi-Micro réseaux

Energy routers

Gestion de l'énergie

Contrôle

Microgrids

Multi-Microgrid system

Energy routers

Energy management

Control

Résumé

L'intégration à grande échelle des énergies renouvelables entraîne de nombreux défis techniques et réglementaires. Récemment, le système distribué tel qu'un micro-réseaux est une solution émergente dans ce nouveau réseau de mix électrique. Chaque micro-réseaux peut être considéré comme une entité cohérente, qui peut prendre en charge l'exploitation et la gestion du réseau en utilisant ses ressources énergétiques distribuées. L'un des éléments les plus importants et les plus coûteux des micro-réseaux est le système de stockage d'énergie, qui améliore la flexibilité et la fiabilité du réseau distribué. Cependant, malgré leurs avantages, l'intégration massive des micro-réseaux entraîne des défis cruciaux pour les gestionnaires de réseaux en termes de politique, d'exploitation et de gestion de l'énergie. Par conséquent, le concept de micro-réseau doit être étendu à une plus grande échelle, dans laquelle plusieurs MG sont interconnectées pour former un système multi-micro-réseau. Dans cette nouvelle communauté, les micro-réseaux peuvent se soutenir mutuellement et améliorer les performances globales de l'ensemble du système. Les principaux objectifs de cette thèse sont la conceptualisation, le développement et la mise en œuvre d'une interface appropriée entre les micro-réseaux. Cette interface est basée sur le concept de routeur énergétique et d'internet énergétique. Avec ce nouveau système, le routeur d'énergie classe les micro-réseaux en unités de formation et de suivi de réseau. Leurs rôles dans le cluster de micro-réseaux dépendent des unités d'énergie contrôlables dans leur système. Les ressources énergétiques contrôlables les plus courantes dans le système de micro-réseau sont le système de stockage d'énergie. Avec cela, tout d'abord, le système de stockage d'énergie de la batterie est discuté. La question du dimensionnement de la batterie et sa coopération avec d'autres systèmes de stockage sont étudiées dans cette thèse. La taille optimale de la batterie vise à minimiser le coût de fonctionnement du micro-réseau déporté. Le cœur du programme de dimensionnement est un système de gestion de l'énergie avec une approche de programmation dynamique. Une stratégie d'exploitation d'un système de stockage d'énergie hybride est également développée dans le respect du profil d'état de charge optimal du programme de dimensionnement de la batterie. Après cela, une interface pour un système multi-micro-réseau avec une architecture de convertisseur dos à dos est utilisée. Les contrôleurs de source de tension sont au cœur de cette topologie de routeur d'énergie. Les micro-réseaux dotés de cette interface peuvent fonctionner en mode connecté au réseau, en mode îloté et en mode parallèle. Avec la ligne commune DC, les micro-réseaux peuvent être isolés électriquement. La synchronisation et l'échange d'énergie entre les micro-réseaux de ce schéma sont présentés et examinés. La thèse propose également plusieurs méthodes de support de fréquence dans les micro-réseaux. Enfin, une approche théorique basée sur les graphes pour la gestion de l'énergie avec une application de routeur d'énergie est proposée et validée avec des comparaisons.

The large-scale integration of renewable energy leads to numerous technical and regulatory challenges. Recently, distributed system such as a microgrid is an emergent solution in this new electricity mix network. Each microgrid can be seen as a coherent entity, which can support network operation and management by using its distributed energy resources. One of the most important and expensive elements in microgrids is the energy storage system, which enhances the flexibility and reliability for the distributed network. However, despite of their advantages, the massive integration of microgrids leads to crucial challenges for the grid operators in term of policy, operation and energy management. Hence, the concept of microgrid need to be extended to a larger scale, in which multiple MGs are interconnected to form multi-microgrid system. In this new community, microgrids can support each other and improve the overall performance of whole system. The main goals of this thesis are the conceptualization, development and implementation of an appropriate interface among microgrids. This interface is based on the concept of energy router and energy internet. With this new system, the energy router classifies microgrids into grid-forming and grid-following unit. Their roles in the cluster of microgrids are depended on the controllable energy units in their system. The most common controllable energy resources in microgrid system is energy storage system. With that, firstly, the battery energy storage system is discussed. The battery sizing issue and its cooperation with other storage systems are investigated in this thesis. The optimal size of battery aims to minimize the operation cost of the remoted microgrid. The core of the sizing program is an energy management system with a dynamic programming approach. An operation strategy for a hybrid energy storage system is also developed with the respect of the optimal state of charge profile form the battery sizing program. After that, an interface for multi-microgrid system with back-to-back converter architecture is utilized. The core of this energy router topology are voltage source controllers. The microgrids with this interface can work in grid-connected mode, islanded mode and parallel mode. With the DC common line, the microgrids can be electrical isolated. The synchronization and power exchange in among microgrids in this scheme are introduced and examined. The thesis also proposes several methods for frequency supporting in microgrids. Finally, a graph-based theory approach for energy management with energy router application is proposed and validated with comparisons.