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Robust adaptive nonlinear control of microgrid frequency and voltage in the presence of renewable energy sources

Taheri Ledari, Hamed (2017). Robust adaptive nonlinear control of microgrid frequency and voltage in the presence of renewable energy sources. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Global warming of the planet and air pollution have prompted an increased use of renewable energy sources for power generation. These new sources of clean energy are now very much in demand for setting up microgrids that provide energy independence to communities far from major urban centers. These microgrids should be able to operate either in isolated mode or to be connected to the main power grid. These requirements pose significant challenges. Indeed, in isolated mode, small and medium power grids are very sensitive to fluctuations in consumer power use as well as changes in the power produced by generators. In gridconnected mode, renewable energy sources do not contribute to the grid's stability and robustness as well as conventional generators do.

Photovoltaic power plants pose some challenges when integrated with the power grid. The PV plants always focus on extracting the maximum power from the arrays. This makes the PV system unavailable for helping in regulating the grid frequency as compared to conventional generators. One of the main objectives of this research is to develop a robust adaptive nonlinear control technique which provides frequency regulation functionality to PV systems as well as voltage regulation.

A small-scale power microgrid incorporating photovoltaic generators, synchronous generator and load is considered in our study. Dynamic models of the proposed microgrid were determined. The final model highlights the interactions between the sources of renewable energy and the rest of the network. A new robust adaptive nonlinear (exact input-output feedback linearization) control strategy was developed in order to meet the requirement of frequency regulation as well as voltage regulation. The new control strategy allows the PV system to have a similar response to changes in microgrid frequency as that of a conventional generator. The controller is also self-adjusting (adaptive) as well as robust in order to compensate the perturbation due to the changes in users’ power consumption, or any defects in the MG electrical network. The performance of the proposed solutions was evaluated in simulation using the Matlab/Simulink. For further verification, a small-scale laboratory experimental prototype of proposed microgrid was developed in laboratory to implement the proposed technique.

This research may be regarded as an important basis for the development of microgrid power station for remote communities isolated from the main power system or large-scale power network with higher penetration of renewable energy sources.

Titre traduit

Contrôle robuste non linéaire adaptatif de la fréquence et la tension du microréseau en présence des sources d'énergie renouvelables

Résumé traduit

Le réchauffement climatique de la planète et la pollution de l'air ont incité une utilization accrue des sources d'énergie renouvelables pour la production d'électricité. Ces nouvelles sources d'énergie propre sont maintenant très demandées pour la mise en place d'un micro réseau qui fournit l'indépendance énergétique aux communautés éloignées des grands centres urbains. Ces micro réseaux doivent être capables de fonctionner soit en mode isolé ou d'être connectés au réseau électrique principal. Ces exigences posent des défis importants. En effet, en mode isolé, petits et moyens réseaux électriques sont très sensibles aux fluctuations de la consommation d'énergie ainsi que des changements dans la puissance produite par des générateurs. En mode connecté au réseau, les sources d'énergie renouvelables ne contribuent pas à la stabilité et la robustesse des réseaux tels que des générateurs conventionnels font.

Centrales photovoltaïques représentent des défis lorsqu'ils sont intégrés avec le réseau électrique. Les installations photovoltaïques se concentrent toujours sur l'extraction de la puissance maximale. Cela rend le système de PV plus disponible pour aider à réguler la fréquence du réseau par rapport aux générateurs conventionnels. L'un des principaux objectifs de cette recherche est de développer une technique de contrôle non linéaire adaptative robuste qui fournit des fonctionnalités de régulation de fréquence pour les systèmes photovoltaïques, ainsi que la régulation de tension.

Un micro réseau à petite échelle est pris en compte dans notre étude incorporant des générateurs photovoltaïques, générateurs synchrones et la charge. Les modèles dynamiques du micro réseau proposé ont été déterminés. Le modèle final met en évidence les interactions entre les sources d'énergie renouvelable et le reste du réseau. Un nouveau stratégie de contrôle non linéaire adaptatif robuste (exacte d'entrée-sortie rétroaction linéarisation) a été développé afin de répondre à la fois à l'exigence de régulation de la fréquence ainsi que celle de la tension. La nouvelle stratégie de contrôle permet au système de PV d'avoir une réponse similaire à des changements dans la fréquence du micro réseau que celle d'un générateur classique. Le contrôleur est également autoréglage (adaptatif), ainsi que robuste pour compenser la perturbation due à l'évolution de la consommation d'énergie des utilisateurs, ou des défauts dans le micro réseau électrique. La performance des solutions proposées a été évaluée en utilisant la simulation Matlab / Simulink. Pour de plus amples vérifications, un prototype de laboratoire expérimental du micro réseau petite échelle proposé a été élaborée en laboratoire pour la mise en oeuvre de la technique proposée.

Cette recherche peut être considérée comme une base importante pour le développement de la centrale du micro réseau pour les collectivités éloignées isolées du réseau principal d'alimentation ou d'un réseau d'électricité à grande échelle avec une plus forte contribution des sources d'énergie renouvelables.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 175-190.
Mots-clés libres: Réseaux électriques (Énergie) Régulation. Miniréseaux électriques intelligents. Commande robuste. Systèmes adaptatifs. Commande non linéaire. Régulateurs de tension. Systèmes photovoltaïques. Intégration des énergies renouvelables. Générateurs synchrones. Miniréseaux électriques intelligents Modèles mathématiques. Réseaux électriques autonomes en régions éloignées. Électricité Distribution. micro réseau, régulation de la fréquence et la tension, contrôle non linéaire adaptative robuste
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Akhrif, Ouassima
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Okou, Aimé Francis
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 nov. 2017 17:48
Dernière modification: 01 nov. 2017 17:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1948

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