Implementation and validation of experimental test bench for laboratory-scale microgrid

Liu, Huan (2023). Implementation and validation of experimental test bench for laboratory-scale microgrid. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Due to the depletion of non-renewable energy sources, the severity of environmental pollution, and their impact on the global climate, local communities were looking for a reliable and efficient electricity solution. As a result, the notion of microgrid has emerged as the times dictate. With the advancement of society and the rapid development of science and technology, microgrid systems have become an integral part of the power sector, since it can efficiently combine several distributed power generation systems and has a high renewable energy penetration rate. Currently, every country in the world is constructing microgrid experimental platforms and demonstration projects, and vigorously researching and applying microgrids.

The primary objective of this thesis is to establish a microgrid experimental platform and conduct experiments and verifications on this test bench, including microgrid power coordination control, real-time calculation, short-term load forecasting, and energy optimization scheduling strategies, to achieve peak load shaving and improve the economic benefits of distributed storage.

First of all, this paper provides a background on microgrid research and reviews important experimental and pilot projects related to microgrids. It then studies the microgrid system design and develops a complete physical test platform for microgrids, which includes a battery bank, a load pack, an inverter, and a power meter.

Secondly, the overall design of this microgrid test bench is developed utilizing a hierarchical control concept in accordance with the traditional grid-connected microgrid system structure. This includes a microgrid gateway cabinet, power meter, load, and energy storage system. To incorporate optimization algorithms, LabVIEW and SQLite were used concurrently as development tools to create a centralized microgrid control system with features such as realtime data monitoring, intelligent control, power quality analysis, and database management. Additionally, the communication among the controller, energy storage devices, and the power meters is facilitated using the Modbus protocol.

Ultimately, this thesis concludes with performance tests of this grid-connected microgrid test bench, which confirm its reliability and accuracy. By assessing changes in load demands and combining the theoretical short-term load forecasting based on neural network algorithms, the economic operation algorithms and energy management techniques have been validated. The performance test was conducted on a weekend day in 2019, whose power consumption was relatively lower than that on a weekday and the system operation is minimally affected by the algorithm. However, the validation tests are mainly scheduled on two days that are considered more representative in 2019, specifically winter and summer. Those two days have the highest power usage and are also the most crucial for load power shaving operation.

The experimental results indicate that this system has strong scalability and a user-friendly interface, providing reliable support for comprehensive evaluations, problem diagnostics, and economic analysis.

Titre traduit

Réalisation et validation d’un banc d’essai expérimental pour un micro-réseau à l’échelle laboratoire

Résumé traduit

En raison de l’épuisement des énergies non renouvelables, de l’importance de la pollution de l’environnement et de son impact sur le climat mondial, les communautés locales recherchent des solutions énergétiques fiables et efficaces. Tout ceci s’intègre dans une notion plus générale du micro-réseau. Avec l’évolution de la société et le développement rapide de la science et de la technologie, les systèmes reliés en micro-réseaux constituent une partie intégrante du secteur de l’électricité, car ils peuvent combiner efficacement plusieurs systèmes de production d’électricité distribués et ont un taux de pénétration significativement élevé des énergies renouvelables. Actuellement, tous les pays du monde construisent des bancs d’essais expérimentaux de micro-réseaux et des projets de démonstration recherchant et appliquant vigoureusement ces derniers.

L’objectif principal de ce mémoire est de mettre au banc d’essai le contrôle de la coordination de la puissance de micro-réseaux, le paramétrage en temps réel, la prédiction de la charge à court terme et les stratégies de programmation d’optimisation énergétique. Tout cela s’inscrit dans l’atteinte d’un écrêtage des pics de charge et l’amélioration des avantages économiques du stockage de l’énergie produite.

En premier lieu, ce mémoire fournit le contexte de la recherche sur les micro-réseaux, passe en revue les projets expérimentaux les plus importants et les pilotes de ces micro-réseaux, étudie la conception du système les gérant et développe une plate-forme complète de test physique, appliquée à ces derniers.

En second lieu, l’architecture globale de ce banc d'essai pour un micro-réseau type est développée par le biais d’un concept de contrôle hiérarchique conformément à la structure traditionnelle du système de micro-réseau connecté au grand réseau électrique, y compris un ensemble de passerelle de micro-réseau, un compteur de puissance, un pack de charge et un système de stockage d'énergie. LabVIEW et SQLite fonctionnent simultanément comme outils de développement pour créer un système de contrôle centralisé du micro-réseau intégrant la surveillance des données en temps réel, le contrôle intelligent, l'analyse de la qualité de l'alimentation et la gestion de la base de données. De plus, la communication entre le contrôleur, les dispositifs de stockage énergétique et le compteur emprunte le protocole Modbus.

En définitive, ce mémoire apporte un raisonnement clair sur les tests de performance qui confirment la fiabilité et la précision de ce banc d'essai. En évaluant les changements dans les demandes de charge et en combinant la prévision de charge théorique à court terme. En prenant comme référence initiale l’idée d’un réseau neuronal, les essais viennent valider les algorithmes du fonctionnement économique ainsi que les techniques de gestion de l'énergie. Le test de performance s’est tenu un jour de fin de semaine en 2019, alors que la consommation de la puissance était relativement inférieure à celle d'une journée de semaine et le fonctionnement du système est peu affecté par l'algorithme. Toutefois, les tests de validation sont programmés sur deux jours ouvrables considérés comme étant plus représentatifs en consommation énergétique, lors des essais de 2019, et plus précisément en saison d'hiver et d'été. Ces deux jours d’analyses possèdent la consommation de la puissance la plus élevée. Ils permettent donc de mieux optimiser l’opération d’écrêtage de la puissance de charge.

Les résultats expérimentaux indiquent que ce système possède une forte évolutivité et une fiabilité plus représentative servant à l’évaluation complète, le diagnostic de problèmes et les analyses de faisabilité et de rentabilité économiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 153-156).
Mots-clés libres:	micro-réseau, LabVIEW, banc d’essai expérimental, Modbus, interface de contrôle central
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dessaint, Louis-A.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	28 août 2023 13:46
Dernière modification:	28 août 2023 13:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3245

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