Développement, étude et mise en œuvre du contrôle hiérarchique intelligent pour un microréseau hybride dédié aux stations de télécommunication isolées

Dubuisson, Félix (2023). Développement, étude et mise en œuvre du contrôle hiérarchique intelligent pour un microréseau hybride dédié aux stations de télécommunication isolées. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Au Canada, du fait de la géographie du pays, de nombreuses Stations de Base de Télécommunication (SBT) ne sont pas connectées au réseau électrique principal et sont donc contraintes de produire leur électricité localement à l’aide de groupes électrogènes dans des microréseaux isolés autonomes. Or, le diesel est responsable de l’émission de Gaz à Effet de Serre (GES) et son prix ne cesse de varier. De plus, les contraintes logistiques liées à l’approvisionnement et au stockage du carburant engendrent une complexité supplémentaire et entrainent une augmentation des coûts d’exploitation ce qui se répercute sur les coûts des services offerts grâce aux SBT tels que l’accès à internet ou au réseau cellulaire. Également, les Générateurs Diesel (GD) sont bruyants et peuvent, dans certains cas, perturber la faune sauvage. Toutefois, le nord du Canada possède des potentiels solaire et éolien intéressants. L’exploitation de ces Sources d’Énergie Renouvelable (SÉR) disponible localement peut contribuer à la réduction du carburant utilisé pour la génération de l’électricité au niveau des SBT. Ce qui entrainerait une diminution des émissions de GES ainsi que des coûts d’exploitation et des prix des services. Cependant, du fait du caractère stochastique des SÉR, il est recommandé de renforcer l’installation électrique des microréseaux par un Système de Stockage d’Énergie (SSÉ). Pour limiter les coûts d’investissement et garantir un accès ininterrompu à une énergie stable, les GD devraient fonctionner comme source d’énergie de secours. Cependant, le fonctionnement de sources d’énergie de natures différentes dans la même installation soulève de nouveaux défis notamment liés à la synchronisation entre les différents éléments du système, à la protection, à la maximisation du bilan énergétique, aux échanges de puissance, à la stabilité et la continuité du service. Pour résoudre ces différents défis, des algorithmes de contrôle avancés sont nécessaires. Dans ce contexte et dans le cadre de ce projet, des algorithmes de contrôle intelligents sont introduits à différents niveaux hiérarchiques afin de garantir le bon fonctionnement du microréseau. Un modèle prédictif à ensemble fini (Finite Set Model Predictive Control, FS-MPC) est proposé pour les contrôleurs de niveau primaire du contrôle hiérarchique pour assurer la maximisation de la puissance extraite des SÉRs, la régulation de la tension du bus à CC, le contrôle du SSÉ et la régulation de la tension et de la fréquence au niveau du point de raccordement du réseau local (PCC). Également, l’utilisation d’une combinaison entre le FS-MPC et la théorie de la stabilité de Lyapunov est utilisée pour définir la fonction de coût et diminuer la charge de calcul. Pour adapter les références de puissance active et réactive du convertisseur d’interfaçage et ainsi contrôler les échanges de puissance entre les côtés à CA et CC du microréseau, un algorithme de contrôle pour le niveau supérieur du contrôle hiérarchique est également développé et implémenté. Cet algorithme de gestion de puissance est basé sur l’implémentation en temps réel de la méthode d’optimisation BFO (Bacterial Foraging Optimization). Enfin, un protocole de communication Modus RTU (Remote Terminal Unit) est implémenté afin de permettre les échanges d’informations entre les différents niveaux du contrôle hiérarchique. Des tests de performance de l’architecture proposée pour le microréseau hybride et son contrôle hiérarchique sont réalisés en présence de différentes conditions de fonctionnement en utilisant MATLAB/Simulink et au laboratoire.

Titre traduit

Development, study, and implementation of intelligent hierarchical control for a hybrid microgrid dedicated to isolated telecommunication base stations

Résumé traduit

Due to the geography of Canada, many Telecommunication Base Stations (SBT) cannot be connected to the main electrical grid and therefore must generate their own electricity using Diesel Generators (GD) in autonomous isolated microgrids. However, diesel is a source of greenhouse gas emissions (GHG) and its price is constantly fluctuating. Additionally, logistical constraints related to fuel storage and supply add complexity and increase operating costs, which affect services offered by SBT such as internet or cellular network access. The noise generated by GD can sometimes disturb wildlife as well. In spite of this, northern Canada offers some interesting opportunities in terms of solar and wind energy. The utilization of these locally available Renewable Energy Sources (RES) can reduce fuel consumption for electricity generation for the SBT. As a result, GHG emissions, operating costs, and service prices would be reduced. Microgrids are usually reinforced with energy storage systems to compensate for the stochastic nature of RES. GD should serve as backup power sources to limit investment costs and guarantee uninterrupted access to stable energy. The introduction of different energy sources in the same installation raises new challenges, particularly related to synchronization between the different system elements, protection, maximization of energy balance, power exchange, stability, and continuity of service. Advanced control algorithms are required to address these different challenges. In this context, intelligent algorithms are introduced at various hierarchical levels to ensure the proper functioning of the microgrid. A Finite Set Model Predictive Control (FS-MPC) is proposed for the primary level controllers of hierarchical control to ensure the maximization of the power extracted from the RESs, the regulation of the DC bus voltage, the control of the battery current and the voltage and frequency regulation at the local microgrid connection point (PCC). A combination of the FSMPC and the Lyapunov stability theory are also used to define the cost functions while reducing computational burden. Furthermore, a control algorithm for the secondary level of hierarchical control is developed and implemented to adjust the active and reactive power references of the inverter and manage the power exchanges within the microgrid. Real-time implementation of the BFO (Bacterial Foraging Optimization) method is used for this power management algorithm. The Modbus RTU communication protocol (Remote Terminal Unit) is implemented to allow information to be exchanged between the different levels of the hierarchical control. Through MATLAB/Simulink and laboratory tests, the proposed hybrid microgrid architecture and hierarchical control system are validated under various operating conditions.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat". Comprend des références bibliographiques (pages 134-147).
Mots-clés libres:	microréseau électrique hybride, sources d’énergie renouvelable, générateur diesel, contrôle hiérarchique, algorithmes intelligents
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Codirecteur:	Codirecteur Rezkallah, Miloud
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 janv. 2024 15:14
Dernière modification:	16 janv. 2024 15:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3332

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