Control and Power Management Strategy for Photovoltaic-Battery Hybrid Systems
Conception et réalisation d'un régulateur pour une centrale photovoltaïque autonome
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.
