Energy management of multi-source DC microgrid systems for residential applications - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Energy management of multi-source DC microgrid systems for residential applications

Gestion de l'énergie dans des systèmes micro-réseaux DC multi-sources pour des applications résidentielles

Abstract

Compared to the alternating current (AC) electrical grid, the direct current (DC) electrical grid has demonstrated numerous advantages, such as its natural interface with renewable energy sources (RES), energy storage systems, and DC loads. It offers superior efficiency with fewer conversion steps, simpler control without skin effect or reactive power considerations. DC microgrids remain a relatively new technology, and their network architectures, control strategies, and stabilization techniques require significant research efforts. In this context, this thesis focuses on energy management issues in a multi-source DC electrical grid dedicated to residential applications. The DC electrical grid consists of distributed generators (solar panels), a hybrid energy storage system (HESS) with batteries and a supercapacitor (SC), and DC loads interconnected via DC/DC power converters. The primary objective of this research is to develop an advanced energy management strategy (EMS) to enhance the operational efficiency of the system while improving its reliability and sustainability. A hierarchical simulation platform of the DC electrical grid has been developed using MATLAB/Simulink. It comprises two layers with different time scales: a local control layer (time scale of a few seconds to minutes due to converter switching behavior) for controlling local components, and a system-level control layer (time scale of a few days to months with accelerated testing) for long-term validation and performance evaluation of the EMS. In the local control layer, solar panels, batteries, and the supercapacitor have been modeled and controlled separately. Various control modes, such as current control, voltage control, and maximum power point tracking (MPPT), have been implemented. A low-pass filter (LPF) has been applied to divide the total HESS power into low and high frequencies for the batteries and supercapacitor. Different LPF cutoff frequencies for power sharing have also been studied. A combined hybrid bi-level EMS and automatic sizing have been proposed and validated. It mainly covers five operational scenarios, including solar panel production reduction, load reduction, and three scenarios involving HESS control combined with supercapacitor state of charge (SOC) control retention. An objective function that considers both capital expenditure (CAPEX) and operating costs (OPEX) has been designed for EMS performance evaluation. The interaction between the HESS and EMS has been jointly studied based on an open dataset of residential electrical consumption profiles covering both summer and winter seasons. Finally, an experimental platform of a multi-source DC electrical grid has been developed to validate the EMS in real-time. It comprises four lithium-ion batteries, a supercapacitor, a programmable DC power supply, a programmable DC load, corresponding DC/DC converters, and a real-time controller (dSPACE/Microlabbox). Accelerated tests have been conducted to verify the proposed EMS in different operational scenarios by integrating real solar panels and load consumption profiles. The hierarchical simulation and experimental DC electrical grid platforms can be generally used to verify and evaluate various EMS.
Comparé au réseau électrique alternatif (AC), le réseau électrique en courant continu (DC) a démontré de nombreux avantages tels que son interface naturelle avec les RES, les systèmes de stockage d'énergie et les charges en courant continu, une efficacité supérieure avec moins d'étapes de conversion, et un contrôle plus simple sans effet de peau et sans considérations sur le flux de puissance réactive. Le micro-réseaux DC reste une technologie relativement nouvelle, et ses architectures de réseau, stratégies de contrôle, techniques de stabilisation méritent d'énormes efforts de recherche. Dans ce contexte, cette thèse porte sur les problèmes de gestion de l'énergie d'un réseau électrique en courant continu (DC) multi-source dédié aux applications résidentielles. Le réseau électrique en courant continu (DC) est composé de générateurs distribués (panneaux solaires), d'un système de stockage d'énergie hybride (HESS) avec des batteries et un supercondensateur (SC), et de charges en courant continu, interconnectées via des convertisseurs de puissance DC/DC. L'objectif principal de cette recherche est de développer une stratégie avancée de gestion de l'énergie (EMS) d'améliorer l'efficacité opérationnelle du système tout en renforçant sa fiabilité et sa durabilité. Une plateforme de simulation hiérarchique de réseau électrique DC a été développée sous MATLAB/Simulink. Elle est composée de deux couches avec des échelles de temps différentes : une couche de contrôle de niveau local (échelle de temps de quelques secondes à quelques minutes en raison des comportements de commutation des convertisseurs) pour les contrôles des composants locaux, et une couche de contrôle de niveau système (avec une échelle de temps de quelques jours à quelques mois avec un test accéléré) pour la validation à long terme de l'EMS et son évaluation de performance. Dans la couche de contrôle de niveau local, les panneaux solaires, les batteries et le supercondensateur ont été modélisés et contrôlés séparément. Différents modes de contrôle tels que le contrôle de courant, le contrôle de tension et le contrôle du point de puissance maximale (MPPT) ont été mis en œuvre. Un filtre passe-bas (LPF) a été appliqué pour diviser la puissance totale du HESS : basse et haute fréquence pour les batteries et le supercondensateur. Différentes fréquences de coupure du LPF pour le partage de puissance a également été étudiée. Un EMS hybride bi-niveau combiné et un dimensionnement automatique ont été proposés et validés. Il couvre principalement cinq scénarios d'exploitation, notamment la réduction de la production des panneaux solaires, la réduction de la charge et trois scénarios via le contrôle du HESS associé à la rétention du contrôle de l'état de charge (SOC) du supercondensateur. Une fonction objective prenant en compte à la fois le coût en capital (CAPEX) et les coûts d'exploitation (OPEX) a été conçue pour l'évaluation des performances de l'EMS. L'interaction entre l'HESS et l'EMS a été étudiée conjointement sur la base d'un ensemble de données ouvertes de profils de consommation électrique résidentielle couvrant à la fois l'été et l'hiver. Finalement, une plateforme expérimentale de réseau électrique à courant continu (DC) multi-source a été développée pour valider en temps réel l'EMS. Elle est composée de quatre batteries lithium-ion, d'un supercondensateur, d'une alimentation électrique à courant continu programmable, d'une charge à courant continu programmable, de convertisseurs DC/DC correspondants et d'un contrôleur en temps réel (dSPACE/Microlabbox). Des tests accélérés ont été réalisés pour vérifier l'EMS proposé dans différents scénarios d'exploitation en intégrant des panneaux solaires réels et les profils de consommation de charge. Les plateformes de simulation hiérarchique de réseau électrique en courant continu (DC) et expérimentale, peuvent être utilisées de manière générale pour vérifier et évaluer divers EMS.
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tel-04602178 , version 1 (05-06-2024)

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  • HAL Id : tel-04602178 , version 1

Cite

Sadaqat Ali. Energy management of multi-source DC microgrid systems for residential applications. Electric power. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0159⟩. ⟨tel-04602178⟩
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