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AbstractAbstract
[en] Growing energy needs, the possible depletion of fossil resources, and the ambition to protect the environment have motivated the development of renewable energy sources, particularly solar and wind power, in power generation systems. The intermittency of these sources makes it more complex to control power grids, which are based on the production-demand balance at all times. Storage systems, such as batteries, make it possible to compensate for this variability, but they require control to be considered over a longer future time horizon, which is difficult to reconcile with the short-term dynamics of the system, and over which renewable production forecasts are imperfect. In the context of micro-grids, many control strategies have been developed, based on different choices in the representation of the physical system and its dynamics, in the integration of the forecast data, or in the optimization algorithm. The most sophisticated strategies are the least widespread in practice, and their added value is poorly known due to the lack of various comparative studies, which are difficult to conceive on real systems. This thesis aims to shed light on the practical performance of control strategies, with the implementation of different optimization methods in association with a real-time controller, within a single simulation platform, on data from real instances of off- or on-grid micro-grids. Our experiments show a significant interest in accurately considering the variability of production on a daily scale, through scheduling approaches, and highlight the ability of the predictive control loop to absorb the system dynamics modeling flaws, which are inherent to these approaches. We then observe the superiority of a mathematical scheduling approach based on a highly simplified analytical model to accelerate the resolution to the optimum, compared to a metaheuristic approach associated with a precise numerical simulation model, but without any guarantee of optimality. This thesis also focuses on the model of a grid-connected photovoltaic-based micro-grid with storage, and independently driven through the notion of engagement. In the context of calls for tenders by the French Energy Regulatory Commission for non-interconnected areas, the independent producer commits to the grid operator on its production capacity in a day-ahead fashion, and is required to pay penalties for deviations from the commitment observed the next day. In this context, the minimisation of penalties is added to the profit objective of the real-time control problem, and a new decision problem appears upstream, at the tactical level, for the calculation of the optimal engagement. We propose to extend the different control methods to the calculation of the engagement for comparison purposes, and we observe again, empirically, an advantage of the mathematical programming approach, both in terms of profit and runtime. Finally, we examine in this thesis the impact of taking into account the uncertainties in the solar production forecast. As for modeling errors, these uncertainties can be partly compensated by frequent recalculation within the control loop. On the other hand, the uncertainties being higher at the time of the engagement calculation, errors in the engagement decision can be the source of significant penalties. The mathematical programming approach lends itself to the integration of uncertainties through stochastic or robust optimization. Two extensions of the deterministic engagement calculation model have been realized for comparison purposes: a stochastic model after generation and simulation of solar production scenarios, and a robust optimization approach by bi-level programming, with progressive generation of Bender cuts. The experimental evaluation shows the importance of taking into account uncertainties in the engagement calculation, and a slight superiority of the robust approach in terms of profit. (author)
[fr]
Le controle des micro-reseaux electriques repose sur un probleme d'optimisation complexe quand il doit tenir compte de la production intermittente et imparfaitement previsible des sources d'energie renouvelables, et de la dynamique physique court-terme des solutions de stockage mises en place pour pallier a cette intermittence. Dans le contexte des micro-reseaux, de nombreuses strategies de controle ont ete developpees, basees sur des choix differents dans la representation du systeme physique et de sa dynamique, dans l'integration des donnees previsionnelles, ou encore dans l'algorithme d'optimisation. Les strategies les plus sophistiquees sont les moins repandues en pratique, et leur plus-value est mal connue faute d'etudes comparatives variees, dicilement concevables sur des systemes reels. Cette these veut apporter un eclairage sur la performance pratique des strategies de controle, avec la mise en oeuvre de differentes methodes d'optimisation en association avec un controleur temps-reel, au sein d'une plate-forme unique de simulation, sur des donnees d'instances reelles de micro-reseaux off- ou on-grid. Nos experimentations montrent un interet signicatif a considerer avec precision la variabilite de la production a l'echelle de la journee, par des approches d'ordonnancement, et mettent en avant la capacite de la boucle de controle a absorber les defauts de modelisation de la dynamique du systeme, qui sont inherentes a ces approches. Nous observons alors la superiorite d'une approche de programmation mathematique basee sur un modele analytique fortement simplie pour accelerer la resolution a l'optimum, comparee a une approche metaheuristique associee a un modele numerique de simulation precis, mais sans garantie d'optimalite. Cette these se focalise par ailleurs sur le modele d'une station d'energie photovoltaique avec stockage, connectee a un reseau insulaire, et pilotee de maniere independante a travers la notion d'engagement. Dans le contexte des appels d'offres de la Commission Francaise de Regulation de l'energie pour les zones non interconnectees, le producteur independant s'engage aupres du gestionnaire de reseau sur sa capacite d'injection, la veille pour le lendemain, et est enjoint de payer des penalites pour les ecarts a l'engagement observes le jour meme. Dans ce contexte, la minimisation des penalites s'ajoute a l'objectif de profit du probleme de controle temps reel, et un nouveau probleme de decision apparait en amont, au niveau tactique, pour le calcul de l'engagement optimal. Nous proposons d'etendre les differentes methodes de controle au calcul de l'engagement pour les comparer, et observons de nouveau, de maniere empirique, un avantage de l'approche de programmation mathematique, a la fois en matiere de profit et de temps de calcul. Enfin, nous examinons dans cette these l'impact de la prise en compte des incertitudes des donnees previsionnelles de production solaire. Comme pour les erreurs de modelisation, ces incertitudes peuvent etre en partie compensees par un recalcul frequent au sein de la boucle de controle. En revanche, les incertitudes etant plus fortes au moment du calcul d'engagement, les erreurs dans la decision d'engagement peuvent etre la source de penalites importantes. L'approche de programmation mathematique se prete a l'integration des incertitudes par optimisation stochastique ou robuste. Nous avons ainsi realise deux extensions du modele deterministe de calcul d'engagement, dans le but de les comparer: un modele stochastique apres generation et simulation de scenarios de production solaire, et une approche d'optimisation robuste par programmation bi-niveaux, avec generation progressive de coupes de Benders. L'evaluation experimentale permet de constater l'importance de prendre en compte les incertitudes au niveau du calcul d'engagement, et une legere superiorite de l'approche robuste en matiere de profit. (auteur)Original Title
Controle optimal d'une station d'energie autonome par optimisation robuste
Primary Subject
Secondary Subject
Source
29 May 2020; 145 p; 104 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 Paris sciences et lettres, Specialite: Controle, Optimisation, Prospective
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Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
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