Published May 16, 2019 | Version v1
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Time Decomposition Methods For Optimal Management Of Energy Storage Under Stochasticity

Description

The development of energy storage paves the way to innovative methods to manage energy at a local scale. Micro grids are a novel kind of electrical grids with local production (renewable and waste energy), local demand, local storage and an Energy Management System (EMS). A wide literature already studies EMS implementations in micro grids but the produced methods are not exhaustively framed and compared. One of the main difficulty in micro grids energy management is to handle the different dynamics of electrical devices. Current variations are lighting fast, solar power changes quickly, different kind of storage react at different paces and batteries ageing is a slow process. We study a mathematical framework and algorithms, based on multistage stochastic optimization theory and Dynamic Programming, to model and solve energy management problems in micro grids with time decomposition methods. In the first part of this thesis, Contributions to time decomposition in multistage stochastic optimization, we present a general framework to decompose temporally large scale stochastic optimization problems into smaller sub-problems. We then classify multiple existing resolution methods inside this framework. In the second part, stochastic optimization of energy storage for management of micro grids, we compare different methods presented in the first part on realistic applications. First we control a battery and a ventilation in a subway station recovering subways braking energy with four different algorithms. Then we present how these results could be implemented on a real micro grid. We implement a fast online control method to stabilize the voltage in a simulated islanded DC micro grid connecting solar panels, an electrical load and two sorts of energy storage: a battery and a supercapacitor. Finally we apply our time decomposition framework to a problem of long term aging and energy management of a storage in a micro grid. This last chapter introduces a framework to model time decomposition of micro grids hierarchical control architectures, as well as two algorithms to solve temporally large scale stochastic optimization problems. In the third part, Softwares and experiments, we present DynOpt.jl, a Julia language package developed to produce all the results of this thesis and more. Then we study an application of this software to the control of a real test bed: the energy aware temperature regulation of a real house in the equipment named 'Sense City'. (author)

Abstract (French)

L'evolution du stockage d'energie permet de developper des methodes innovantes de gestion de l'energie a une echelle locale. Les micro reseaux electriques sont une forme emergente de petits reseaux electriques munis de production locale, de stockage d'energie et en particulier d'un systeme de gestion de l'energie (EMS pour Energy Management System). De nombreuses etudes et recherches scientifiques ont ete menees pour proposer diverses strategies d'implementation de ces EMS. Neanmoins il n'existe pas a ce jour d'articulation claire et formelle de ces methodes permettant leur comparaison. L'une des principales difficultes pour les EMS, est la gestion des dynamiques des differents systemes energetiques. Les variations de courant vont a la vitesse de l'electron, la production d'energie solaire photovoltaique varie au gre des nuages et differentes technologies de stockages peuvent reagir plus ou moins vites a ces phenomenes imprevisibles. Nous etudions dans ce manuscrit, un formalisme mathematique et des algorithmes bases sur la theorie de l'optimisation stochastique multi-etapes et la Programmation Dynamique. Ce formalisme permet de modeliser et de resoudre des problemes de decisions inter-temporelles en presence d'incertitudes, a l'aide de methodes de decomposition temporelle que nous appliquons a des problemes de gestion de l'energie. Dans la premiere partie de cette these, 'Contributions a la decomposition temporelle en optimisation stochastique multi-etapes', nous presentons le formalisme general que nous utilisons pour decomposer en temps les problemes d'optimisation stochastique avec un grand nombre de pas de temps. Nous classifions ensuite differentes methodes de controle optimal au sein de ce formalisme. Dans la seconde partie, 'Optimisation stochastique de stockage d'energie pour la gestion des micro reseaux', nous comparons differentes methodes, introduites dans la premiere partie, sur des cas reels. Dans un premier temps, nous controlons une batterie ainsi que des ventilations dans une station de metro recuperant de l'energie de freinage des trains, en comparant quatre algorithmes differents. Dans un second temps, nous montrons comment ces algorithmes pourraient etre implementes sur un systeme reel a l'aide d'une architecture de controle hierarchique de micro reseaux electrique en courant continu. Le micro reseaux etudie connecte cette fois ci de l'energie photovoltaique a une batterie, une super-capacite et a une charge electrique. Enfin nous appliquons le formalisme de decomposition par blocs temporels presente dans la premiere partie pour traiter un probleme de gestion de charge de batterie mais aussi de son vieillissement long terme. Ce dernier chapitre introduit 2 algorithmes bases sur la decomposition par blocs temporels qui pourraient etre utilises pour le controle hierarchique de micro reseaux ou les problemes d'optimisation stochastique presentant un grand nombre de pas de temps. Dans la troisieme et derniere partie, 'Logiciels et experiences', nous presentons DynOpt.jl un paquet developpe en langage Julia qui a permis de developper toutes les applications de cette these et bien d'autres. Nous etudions enfin l'utilisation de ce paquet dans un cas de pilotage reel de systeme energetique: la gestion intelligente de la temperature dans une maison de l'equipement Sense City. (auteur)

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Original title (English)
Methodes de decomposition temporelle pour la gestion optimale de stockages energetiques sous incertitudes

Publishing Information

Imprint Pagination
268 p.
Report number
FRNC-TH--12168

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Notes
188 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses