Modeling, Control and Integration of Decentralized Generation into MicroGrids
Modélisation, Commande et Intégration de la Production Décentralisée dans les Micro-réseaux
Résumé
Due to a combination of environmental factors, security, limited fossil resources and increasing demand, the energy sector faces major changes. In the future, any sustainable energy system will be based on the increased use of renewable energy. Naturally decentralized, the renewable energy sources allow the exploitation of local resources close to the final user. Their interconnection in low voltage enables a new paradigm for the electrical power distribution system able of operating autonomously or in interconnection with a main grid, the µGrid. This kind of grid is a promising solution to face the problems of distributed generation integration with high penetration levels of renewable energy. However, technical limitations, mainly related to grid stability and power quality, raise difficult issues about the reliability of such a system.
The research work presented in this paper proposes new solutions from electrical engineering to enable the integration of distributed generation and improve the µGrids power quality and weak grids stability. A special effort was made on the modelling of the different elements of a µGrid to analyse its dynamic behaviour and to anticipate problems that may occur during islanding operation mode or in interconnection with a main grid. This approach has led to innovative solutions in terms of power electronics interfaces and associated control strategies for the integration of distributed generation and storage, while contributing to the improvement of the power quality in a weak grid context. In the same context, new control laws have been designed to alleviate the fatigue loads of the major mechanical components of the wind turbines and simultaneously involve them in the primary frequency control. A special attention was paid to the validation phase through prototypes and an experimental µGrid platform.
En raison d’une combinaison de facteurs environnementaux, sécurité, ressources fossiles limitées et augmentation de la demande, le secteur de l’énergie est confronté à des changements majeurs. A l’avenir, tout système énergétique durable sera basé sur un recours accru aux énergies renouvelables. Naturellement décentralisées, les sources d’énergie renouvelable permettent l’exploitation des ressources locales proches des lieux de consommation. Leur interconnexion en basse tension permet un nouveau paradigme pour le réseau de distribution capable de fonctionner indépendamment ou en interconnexion avec un réseau principal, le µréseau. Ce type de réseau est une solution prometteuse pour répondre aux problèmes d’intégration de la production décentralisée avec un taux élevé d’énergie renouvelable. Toutefois, des contraintes techniques principalement liées à la stabilité du réseau et à la qualité de l’énergie soulèvent des questions difficiles sur la fiabilité d'un tel système.
Les travaux présentés dans ce mémoire consistent ainsi à proposer de nouvelles solutions issues du génie électrique pour faciliter l’intégration de la production décentralisée et améliorer la qualité de l’énergie dans les µréseaux et la stabilité des réseaux faibles. Un effort particulier a été fait sur la modélisation des différentes composantes d’un µréseau afin d’analyser son comportement dynamique et d’anticiper les problèmes qui peuvent apparaitre pendant le fonctionnement en ilotage ou en interconnexion avec un réseau principal. Cette approche a permis d’aboutir à des solutions originales en termes d’interfaces d’électronique de puissance et de commande associée pour l’intégration de la production décentralisée et du stockage, tout en participant à l’amélioration de la qualité de l’énergie dans un contexte de réseau faible. Dans le même contexte, de nouvelles lois de commande ont été conçues pour réduire la fatigue des principales composantes mécaniques des éoliennes et simultanément, les faire participer au réglage primaire de fréquence. Une attention toute particulière a été portée à la phase de validation à travers des prototypes et une plateforme expérimentale µréseau.
Mots clés
Wind Turbine
Doubly-Fed Induction Generators
Photovoltaic System
Wind Turbine Mechanical Stress Reduction
MicroGrids
Weak Grids
Power Converters
Four-leg Inverter
Symmetrical Components
Multilevel Inverter
3L-NPC converter
3D-SVM
Hybrid Energy Storage Systems
Vanadium Redox Battery
Supercapacitors
Unbalanced Voltage
Storage Management
Grid Stability
Power Quality
Active Power Compensators
Micro-réseau
Réseau faible
Convertisseurs de puissance
Convertisseur à quatre bras
Composantes Symétriques
Convertisseur Multiniveaux
Système Hybride de Stockage d'Energie
Batterie à Circulation d'Electrolyte
Batterie REDOX
Supercondensateurs
Déséquilibre de tension
Gestion du Stockage
Stabilité du réseau
Qualité de l'Energie
Compensateur actif de puissance
Système Eolienne
Système Photovoltaque
Réduction du Stress Mécanique des Éoliennes
Domaines
Energie électrique
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