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Benahmed, Sifeddine
Universite de Lorraine, Ecole doctorale IAEM Lorraine, Commission de mention Automatique, Traitement du Signal et des Images, Genie Informatique, Centre de Recherche en Automatique de Nancy - Cran, UMR 7039 CNRS, 2, avenue de la foret de Haye, 54516 Vandoeuvre-les-Nancy (France)2020
Universite de Lorraine, Ecole doctorale IAEM Lorraine, Commission de mention Automatique, Traitement du Signal et des Images, Genie Informatique, Centre de Recherche en Automatique de Nancy - Cran, UMR 7039 CNRS, 2, avenue de la foret de Haye, 54516 Vandoeuvre-les-Nancy (France)2020
AbstractAbstract
[en] 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. The existence of equilibrium points for the augmented system is proved 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 of the system state to the set of equilibria where the control objectives are achieved. Moreover, the proposed control approach is distributed, i.e., each agent exchange relative information with only its neighbors through sparse communication networks. A leader-follower approach is used to ensure the convergence of all the state-of-charge to a common reference available only for one SU which acts as a leader. This gives the possibility for high-level monitoring of the state-of-charge through an energy management strategy. 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. In the third part, the proposed distributed controllers are assessed in different scenarios through Matlab/Simulink simulation and real-time Hardware-in-the-Loop implementation tests. The results show that the control objectives are successfully achieved, illustrating the effectiveness of the proposed control methodology. (author)
[fr]
Au cours des dernieres annees, le reseau electrique connait une transformation rapide avec la penetration massive des unites de production renouvelables et distribuees. Le concept de microgrids (microreseau electrique) est un element cles de cette transition energetique. Ces micro-reseaux sont constitues par un ensemble de plusieurs unites de production distribuees (DGUs), d'unites de stockage (SUs) et de charges interconnectees par des lignes electriques. Un microgrid peut etre installe dans plusieurs endroits, par exemple dans des maisons, des hopitaux, un quartier ou un village, etc. et fonctionne soit en mode connecte au reseau principale, soit en mode isole (autonome). Les microgrids sont confrontes a plusieurs defis lies a la garantie de la stabilite, la cybersecurite, l'optimisation des couts energetiques, la gestion de l'energie, la qualite de l'energie, etc. Dans ce travail, nous concentrons notre attention sur le controle des microgrids a courant continu en mode de fonctionnement autonome. La principale contribution de cette these est l'etablissement de lois de commande par retour d'etat distribuees assurant un partage de courant proportionnel entre les unites de production, une regulation de la tension moyenne des lignes et un equilibrage simultane des etats de charge des elements de stockage. La preuve de la convergence exponentielle et globale est donnee en l'absence d'une connaissance de la charge presente sur le reseau. Les principaux outils utilises sont le consensus dans les systemes multi-agents, la passivite, la stabilite de Lyapunov, les inegalites matricielles lineaires, etc. La these est divisee en trois parties. La premiere partie presente le concept des microgrids, un etat de l'art sur leurs strategies de controle et les preliminaires mathematiques necessaires tout au long du manuscrit. La deuxieme partie constitue la contribution theorique de cette these et aborde la synthese de lois de controle distribuees, garantissant les objectifs envisages en l'absence d'une connaissance de la charge variable sur le reseau. Cette garantie est apportee en considerant trois actions integrales distribuees de type consensus. L'existence de points d'equilibre pour le systeme augmente est alors prouvee et une commande distribuee par retour d'etat statique est proposee. En partant de l'hypothese que les agents (DGU ou SU) ont les memes parametres physiques, nous apportons la preuve de la convergence exponentielle globale de l'etat du systeme vers l'ensemble des equilibres ou les objectifs de controle sont atteints. De plus, l'approche de controle proposee est distribuee, c'est-a-dire que chaque agent n'echange que des informations relatives avec ses voisins par le biais de reseaux de communication. Une approche leader-follower est utilisee pour assurer la convergence de tous les etats de charge vers une reference commune. Cela donne la possibilite d'un suivi de haut niveau de l'etat de charge grace a une strategie de gestion de l'energie. Les controleurs proposes n'ont besoin d'aucune information sur les parametres des lignes electriques ni sur la topologie du microgrid. Les objectifs de controle sont atteints malgre la variation inconnue de la charge. Dans la troisieme partie, les controleurs distribues proposes sont evalues dans differents scenarios par le biais de simulation Matlab/Simulink et de tests Hardware-in-the-Loop (HIL) en temps reel. Les resultats montrent que les objectifs de controle sont atteints avec succes, ce qui illustre l'efficacite de la methodologie de controle proposee. (auteur)Original Title
Commande distribuee cooperative appliquee aux microgrids a courant continu
Primary Subject
Source
16 Feb 2020; 148 p; 85 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de Doctorat de l'Universite de Lorraine, Specialite Automatique, Traitement du Signal et des Images, Genie Informatique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
Reference NumberReference Number
INIS VolumeINIS Volume
INIS IssueINIS Issue