Design and control of standalone and hybrid standalone power generation systems

Rezkallah, Miloud (2016). Design and control of standalone and hybrid standalone power generation systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Many remote areas, such as télécommunications infrastructures, mining facilities and isolated residential areas depend only on diesel generators (DGs) to support their electricity requirements. However, this energy source is based on diesel fuel, which is costly and pollutant. Considering the cost, availability and reliability of the electricity provided by DGs, it is very important to find a new solution based on clean energy sources available locally, which are inexpensive and environmentally friendly, such as, wind, solar, biomass or hydro. Nevertheless, to ensure a stable and uninterruptible power supply in these remote areas, hybrid standalone power generation system based on various renewable energy sources is advised. This solution is effective and cost-efficient, however, it requires a complex design, planning, and control optimization methods. Beside, most of those renewable energy sources are intermittent and either alternative or continue by nature. Therefore, power converters are required to ensure power conversion, to get the maximum power point tracking, as well as to regulate the voltage and the system frequency at the Point of Common Coupling (PCC). Unfortunately, using several power converters introduces cost and reliability concerns. Battery energy storage system (BESS) and dump loads are key-elements in those types of installations. They ensure uninterruptible power supply to the connected load during transition and maintain the voltage and frequency constant at the PCC by dissipate the extra produced power in the system. Unfortunately, dump loads is not able to maintain the voltage and frequency constant if is not purely resistive. Its control affects the power quality by injecting harmonics in the system. To get high efficiency with reduced cost from different energy sources, to minimize the use of the diesel generator, and to ensure clean, stable and uninterruptable power supply to the local loads, many topologies employing different electrical generators are proposed in this research work. For optimal and safe operation of standalone and hybrid standalone power generations systems, many control approaches are developed. Furthermore, for all topologies, dump load is placed at the DC side instead of AC side in order to protect the BESS from the overcharging and to minimize the risk of the deterioration of the power quality. Modeling and stability analysis are investigated. The suitability of proposed SPGSs and HSPGSs at practical operating conditions is demonstrated through simulation results using MATLAB/ Simulink. Experimental validations of two proposed topologies have been performed on a prototype developed in the laboratory.

Titre traduit

Conception et contrôle des systèmes autonomes et des systèmes hybrides autonomes de génération de puissance

Résumé traduit

Plusieurs régions éloignées, des infrastructures des télécommunications, les installations d'extraction et les zones résidentielles isolées utilisent actuellement des générateurs diesel pour répondre à leur besoin en électricité. Cependant, cette source d'énergie est basée sur le carburant diesel qui est coûteux et polluant. Considérant le coût, la disponibilité et la fiabilité de l'électricité fournie par cette source d'énergie polluante, il est préférable d’opter pour une nouvelle solution basée sur des sources d’énergies renouvelables disponibles localement, moins dispendieux et compatibles avec l'environnement, tels que, l’éolien, le solaire, la biomasse ou l'hydroélectricité. Pour assurer une alimentation stable et continue, le système de production d'énergie autonome hybride basé sur de nombreuses sources d'énergie renouvelables est proposé dans cette étude comme une solution efficace et rentable. Par contre, cette option nécessite une conception, et un développement d'algorithmes robustes pour une gestion sécuritaire et efficace. Étant donné que la plupart de sources d'énergie renouvelables sont intermittentes, les convertisseurs de puissance sont alors nécessaires pour l’extraction de la puissance maximale, pour assurer la conversion d'énergie, et veiller à la régulation de la tension et de la fréquence du système au point de raccordement au réseau (PCC). Malheureusement, l'utilisation de plusieurs convertisseurs de puissance cause des problèmes de coût et de fiabilité. En outre, les batteries et la charge secondaire sont des éléments clés dans ces types d'installation. Les batteries assurent une alimentation électrique continue, maintient la tension et la fréquence constantes au PCC et permet une gestion efficace de l'énergie à long terme du système. La charge secondaire est utilisée pour dissiper l’excès de la puissance produite afin de maintenir l'équilibre de puissance entre les charges et les sources d'énergie en cas où les batteries sont complètement chargées. Par contre, la tension et la fréquence ne peuvent être maintenues constantes si les charges secondaires ne sont pas purement résistives et par conséquent, leur contrôle affecte la qualité de l’énergie par la génération des harmoniques dans le système surtout si elles sont connecté au PCC. Afin d'obtenir un rendement élevé avec un coût réduit à partir des différentes sources d'énergie, minimiser l'utilisation du combustible diesel, et assurer une alimentation continue, propre et stable, plusieurs topologies basées sur la combinaison de deux sources d’énergies entrainées par différents générateurs électriques sont proposées dans ce travail de recherche. Plusieurs approches de contrôle sont conçues pour atteindre ces objectifs. Pour protéger les batteries contre la surcharge de tension et minimiser le risque de la détérioration de la qualité d'énergie, la charge secondaire utilisée dans les nouvelles topologies sont connectées au bus à courant continu au lieu de celui côté alternatif. Des modélisations et des analyses de stabilité sont effectuées. La performance des systèmes hybrides autonomes proposés ont été validés théoriquement par simulation en utilisant MATLAB / Simulink. Des validations expérimentales de deux topologies proposées ont été effectuées sur un prototype mis au point dans le laboratoire.

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 310-324.
Mots-clés libres:	Ressources énergétiques Systèmes hybrides Conception. Réseaux électriques autonomes en régions éloignées. Énergies renouvelables. Énergie solaire. Énergie éolienne. Hydroélectricité. Centrales diesel. Réseaux électriques (Énergie) Régulation. Énergie Stockage Appareils et matériel. charge, secondaire, système Hybride Autonome, panneaux solaire, microcentrale hydroélectrique, générateur diesel, machines électriques, générateur à vitesse fixe et à vitesse variable, contrôle de la tension et de la fréquence, amélioration de qualité d’énergie et protection des batteries contre le surcharge de tension
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 juin 2016 16:27
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1680

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