Analysis, modeling, and control of electric spring for a DC microgrid with high penetration of renewable energies to improve its stability and power quality

Moeini, Danial (2023). Analysis, modeling, and control of electric spring for a DC microgrid with high penetration of renewable energies to improve its stability and power quality. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

It has been more than a century since the AC-based power system dominated the electric power business upon superior performance against DC-based power systems. The AC power system can supply the clients by transferring the generated power over a long distance. However, modern power systems are supposed not just cost-effective, but also sustainable. The DC system inherently is more reliable and robust and could be adopted locally for power delivery. Finally, the idea of a DC microgrid, as a solution for future smart grids has gained attraction due to its several advantages. The DC microgrid can operate based on DC power and They offer all the advantages of DC networks plus the ability to operate grid-connected or off-grid for electrification of remote areas.

Despite all the advantages related to the concept of DC microgrids, there are still challenges regarding their operation and control in the presence of massively integrated renewable energy resources exacerbated by their natural intermittent production characteristics. This issue is more important in microgrids, especially in the off-grid operation mode, which relies mostly on PVs and wind turbines. To overcome this dilemma, employing new control schemes seems necessary for maintaining the balance between consumption and generation. Several solutions are proposed in the literature e.g., demand-side management, load balancing, real-time energy management system, and energy storage.

In this thesis, our focus is on a very modern method proposed in the literature which is the application of electric springs for improving the performance of DC microgrids. We propose an energy-sharing scheme for coordinating the role of a DC electric spring (DCES) and a hybrid battery energy source system (hybrid BESS) for improving the DC bus voltage when the main source of the DC microgrid is a PV system. Then two contingencies are studied: (1)a cloudy situation is simulated in which the production of the main PV system drops, (2) a DC bus to ground fault. The simulation results prove that DCES can effectively and positively contribute to the steady-state stability of the DC bus, dampen the oscillations, improves the quality of provided power and voltage, and release the stress from the hybrid BESS.

Titre traduit

Analyse, modélisation et contrôle d'un ressort électrique pour un micro-réseau à courant continu à forte pénétration d'énergies renouvelables afin d'améliorer sa stabilité et sa qualité d'alimentation

Résumé traduit

Ça fait plus d'un siècle que le système d'alimentation à courant alternatif (CA) a dominé le secteur de l'énergie électrique grâce à des performances supérieures par rapport aux systèmes d'alimentation à courant continu (CC). Le réseau électrique CA peut alimenter les clients en transférant la puissance générée sur une longue distance. Cependant, les systèmes électriques modernes sont supposés non seulement rentables, mais aussi durables. Le système à courant continu est fondamentalement plus fiable et robuste et pourrait être adopté localement pour la distribution d'énergie. Enfin, l'idée d'un micro-réseau CC, en tant que solution pour les futurs réseaux intelligents, a gagné en popularité en raison de ses nombreux avantages. Le microréseau CC peut fonctionner sur la base de l'alimentation CC et offre tous les avantages des réseaux CC ainsi que la possibilité d’opérer en mode sois connecté au réseau principal ou îloté pour l'électrification des régions éloignées.

Malgré tous les avantages liés au concept de micro-réseaux CC, il reste des défis concernant leur fonctionnement et contrôle en présence de ressources énergétiques renouvelables massivement intégrées exacerbées par leurs caractéristiques naturelles de production intermittente. Ce problème est plus important dans les micro-réseaux, en particulier dans le mode de fonctionnement îloté, qui basé principalement sur les panneau solaire (PV) et éoliennes. Pour résoudre ce problème, la mise en place de nouveaux schémas de régulation semble d’être nécessaire pour maintenir l'équilibre entre consommation et production. Plusieurs solutions sont proposées dans la littérature, par exemple, la gestion de la demande, l'équilibrage de charge, le système de gestion de l'énergie en temps réel et le stockage de l'énergie.

Dans cette thèse, notre objectif est d’utiliser une méthode très moderne proposée dans la littérature qui est l'application d’électrique à ressort pour améliorer les performances des micro-réseaux CC. Nous proposons un schéma de partage d'énergie pour coordonner le rôle d’un électrique à ressort CC (ÉRCC) et d'un système de source d'énergie de batterie hybride (BESS hybride) pour améliorer la tension du bus CC lorsque la source principale du microréseau CC est un système PV. Ensuite, deux sont simulées : (1) situation nuageuse dans laquelle la production du système PV principal diminue (2) un défaut à la terre au niveau du bus CC. Les résultats de simulation effectués montrent que (ÉRCC) peut contribuer efficacement et positivement à la stabilité du bus CC, amortir les oscillations, améliorer la qualité de la puissance et de la tension fournies, et libérer le stress du BESS hybride.

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 92-98).
Mots-clés libres:	électrique à ressort, système d'nergie distribuée, micro-réseau, système d'alimentation à courant continu, panneau solaire (PV), contrôle de tension, source d'énergie de batterie, charge critique, charge non-critique, schéma de partage d'énergie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	16 nov. 2023 18:46
Dernière modification:	05 déc. 2023 19:02
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3320

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