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Thèse Année : 2021

Control and Power Management Strategy for Photovoltaic-Battery Hybrid Systems

Conception et réalisation d'un régulateur pour une centrale photovoltaïque autonome

Houria Assem

Résumé

The interest in DC power generation systems, representing a combination of Renewable Energy Sources (RES) and Battery Energy Storage System (BESS), has increased significantly for a more effective link through DC-type output power generations like solar photovoltaic (PV), Battery (BAT) and fuel cell (FC). Because of the considerable fluctuations of the power generation and load in PV - BAT systems, power management strategies become indispensable since BAT is needed to maintain the generation/load balance, and to regulate the DC bus. Indeed, energy management strategies must take into account the limits of the system, i.e. the nominal PV/BAT power rating and the SOC of BAT. In this work, a smart controller using an adaptive fuzzy logic controller (FLC) and novel supervisory power management strategy for hybrid PV-BAT applications are proposed to keep a stable power flow in the system and guarantee the continuity of service with assuring that the system components do not exceed their limits. However, the actual use might be different from the intended one, forcing the system to attain its limits. This thesis is then focused on the limits control and energy saturation management applying to a sample standalone DC micro grid. It consists to share accurately the variable power loads among sources according to their ratings, including the regenerative breaking in minimum SOC'BAT case and the full supply of power load demand in maximum SOC'BAT case. Furthermore, the DC bus voltage is regulated to its predefined level, as a design parameter. Therefore, the most important contributions of this work are: 1) Development of energy management system (EMS) for hybrid PV-BAT applications that is based on the combination of an adaptive FLC developed for power management, Battery Management System (BMS), PV maximum power point tracking (MPPT) and DC bus-regulation. 2) The proposed control algorithms are detailed, and the system design during overstress and nominal conditions is given. 3) Reducing the operating time of the auxiliary units and therefore the cost. 4) Real-time simulation/experimentation, using Matlab / Simulink and DSpace, to validate the proposed FLC-controller, EMS and the efficiency of the control strategy for energy saturation management under different scenarios of operation modes of BAT and different profiles of solar insolation and load power demand. The main advantage of this algorithm is its simplicity. The results obtained show that the proposed technique can intelligently manage the energy flows and thus ensure that the system operates correctly and safely in the different modes: normal mode and saturated mode.
L'intérêt pour les systèmes de génération d'énergie DC combinant les sources d'énergie renouvelables (RES) et un système de stockage, a augmenté significativement pour un raccordement plus efficace à travers les sources DC tels que le solaire photovoltaïque (PV), la batterie (BAT) et la pile à combustible (FC). En raison des fluctuations considérables de la puissance générée et de la charge dans les systèmes PV-BAT, les stratégies de gestion de l'énergie deviennent indispensables puisque les BAT sont nécessaires pour maintenir l'équilibre source/charge, et pour réguler le bus DC. En effet, les stratégies de gestion de l'énergie doivent prendre en compte les limites du système, c'est-à-dire la puissance nominale PV/BAT et le SOC des BAT. Dans ce travail, un contrôleur intelligent utilisant un contrôleur à logique floue (FLC) adaptatif et une nouvelle stratégie de gestion de l'énergie de supervision pour les applications hybrides PV-BAT sont proposés pour maintenir un flux de puissance stable dans le système et garantir la continuité du service en s'assurant que les composants du système ne dépassent pas leurs limites. Cependant, l'utilisation réelle peut être différente de l'utilisation prévue, ce qui oblige le système à atteindre ses limites. Cette thèse est ensuite axée sur le contrôle des limites et la gestion de la saturation énergétique appliqués à un exemple de micro-réseau DC autonome. Il s'agit de répartir précisément les charges de puissance variables entre les sources en fonction de leurs valeurs nominales. En outre, la tension du bus DC est régulée à son niveau prédéfini, en tant que paramètre de conception. Par conséquent, les principales contributions de ce travail sont : 1) Le développement d'un système de gestion de l'énergie (EMS) pour les applications PV-BAT qui est basé sur la combinaison d'un FLC adaptatif développé pour la gestion de l'énergie, le système de gestion de la batterie (BMS), le suivi du point de puissance maximale PV (MPPT) et la régulation du bus DC. 2) Les algorithmes de contrôle proposés sont détaillés, et la conception du système dans des conditions de surcharge et nominales est donnée. 3) Réduction du temps de fonctionnement des unités auxiliaires et donc du coût. 4) Implémentation/expérimentation en temps réel, utilisant Matlab / Simulink et DSpace, pour valider le contrôleur FLC proposé, le EMS et l'efficacité de la stratégie de contrôle pour la gestion de la saturation énergétique dans différents scénarios et différents profils d'éclairement et de charge. Le principal avantage de cet algorithme est sa simplicité. Les résultats obtenus montrent que la technique proposée peut gérer intelligemment les flux d'énergie et ainsi assurer un fonctionnement correct et sûr du système dans les différents modes : mode normal et mode saturé.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04517359 , version 1 (22-03-2024)

Licence

Paternité

Identifiants

  • HAL Id : tel-04517359 , version 1

Citer

Houria Assem. Control and Power Management Strategy for Photovoltaic-Battery Hybrid Systems. Engineering Sciences [physics]. University of Sciences and Technology Houari Boumediene, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04517359⟩

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