Soutenance de Thèse de Sonia MOUSSA

Sujet:

Contribution to the study and implementation of standalone residential DC microgrid in remote area

Résumé:

Cette thèse traite de l’étude et de la mise en œuvre de micro-réseaux résidentiels à courant continu, destinés à fonctionner de manière autonome dans une région isolée. Vu le manque de normalisation dans le domaine des micro-réseaux DC résidentiels, plusieurs niveaux de tensions de bus avec différentes topologies de structure ont été traités dans la littérature. De ce fait, nous avons établi un guide qui justifie le choix du niveau de tension de bus le mieux adapté pour une installation donnée en accord avec sa puissance et avec des considérations économiques.

Outre le choix de la tension du bus DC, les problèmes de stabilité rencontrés dans les systèmes de génération distribuée sont également abordés, en particulier en considérant l'effet déstabilisant d'une charge à puissance constante. La régulation du courant et de la tension du convertisseur a d'abord été réalisée en considérant un contrôleur linéaire basé sur un régulateur PI puisque ce type de contrôle est le plus adopté dans la littérature pour la couche de contrôle hiérarchique la plus basse. Néanmoins, le contrôleur linéaire ne fournit pas les meilleures performances lorsqu'une large gamme de puissances est prise en compte. De plus le micro-réseau domestique DC est basé sur des sources d'énergie renouvelables comme générateurs distribués et il faut tenir compte de la variabilité de la puissance de charge dans une maison. Ainsi, une commande non linéaire a été développée pour le contrôle de tension, basée sur le concept de platitude tandis que pour la boucle de courant, la commande par mode glissant est adoptée afin d'améliorer la stabilité du système tout en tenant compte d'une large plage de puissance de charge. La stabilité du système est ensuite évaluée à l'aide de la première méthode de Lyapunov en considérant une étude de cas d'un convertisseur côté source et d'un convertisseur côté charge en cascade ; les deux convertisseurs étant des convertisseurs élévateurs non isolés.

La répartition des charges entre les générateurs distribués fonctionnant en parallèle a également été traité. Le contrôle primaire est effectué à l'aide de la méthode du control de statisme (droop control) avec rétablissement de la tension du bus, en prenant comme exemple l’étude de cas de deux convertisseurs de source et d’une charge résistive. À cette fin, les contrôles de courant et de tension du convertisseur considèrent également le cas linéaire et non linéaire. La répartition de charge a été améliorée pour les deux cas.

Mots-clés :

micro-réseau à courant continu résidentielle autonome, tension du bus DC, normes, LVDC, sécurité de l'utilisateur, appareil électroménager à courant continu, stabilité, charge à puissance constante, contrôleur linéaire, contrôleur non linéaire, control de statisme.

Abstract

This thesis treats the study and implementation of residential DC microgrid intended to operate autonomously in a remote area. As the domain of residential DC microgrid lacks standardization, a multitude of bus voltage levels with different topologies is encountered in the literature. This led us to establish a guideline that allows justifying the choice of bus voltage level to be adopted for a given installation, according to its power and with economic considerations.

Apart from the problematic of the DC bus voltage choice, stability issues involving distributed power system are also addressed, especially considering the destabilizing effect of constant power load. The current and voltage regulations of the converter have been performed first by considering linear controllers based on PI regulators since this type of control is the most one in the literature. However, linear controllers do not provide the best performances when a wide power range needs to be taken into account; though, the domestic DC microgrid is based on renewable energy sources as distributed generators and the variability of the load power in a house must be taken into account. Thus, a nonlinear control where the voltage loop control is based on flatness concept and the current loop was based on sliding mode control is adopted in order to improve the system stability while considering a wide range of load power. The system stability is then evaluated using the first method of Lyapunov considering a case study of single source converter and single load converter in cascade; both converters being a non-isolated boost converter.

Load sharing among paralleled distributed generators is also addressed and primary control is performed using droop control method with voltage restoration, taking a case study of two source converters and single load resistance. For this purpose, current and voltage controls of the converter are performed using both the linear and nonlinear control. Current load sharing has been enhanced for both cases.

Keywords:

standalone residential DC microgrid, DC bus voltage, standards, LVDC, user safety, DC home appliance, stability, Constant power load, linear controller, nonlinear controller, droop control