Control and Energy Management of a Hybrid Active Wind Generator including Energy Storage System with Super-capacitors and Hydrogen technologies for Microgrid Application
Commande et Supervision Energétique d'un Générateur Hybride Actif Eolien incluant du Stockage sous forme d'Hydrogène et des Super-Condensateurs pour l'Intégration dans le Système Electrique d'un Micro Réseau
Résumé
A hybrid power system is studied in this thesis for the distributed generation, which is based on renewable energy resources and energy storage systems in microgrid applications. It consists of a wind generator as primary energy source, super-capacitors as fast-dynamic storage system, fuel cells and electrolyzers as long-term storage system in hydrogen. They are all connected to a common DC bus and an inverter is used for the connection of the whole system to the grid. In this thesis, we have presented the system modeling, the control design including the power balancing and energy management strategies. This hybrid power system can finally supply controllable smooth powers as most conventional power plants. The performances have been tested in numerical simulations and also on an experimental test bench. As result, it is able to provide ancillary services to the microgrid. The main scientific contributions of this thesis are: the use and the adaptation of the graphical tools for the modeling of complex systems and their design; the design and the experimental implementation of real-time emulators in order to reduce the time and the cost of an experimental platform; the proposition and the validation of two power balancing strategies for the DC-bus voltage regulation and the grid power control and, finally, the proposition of energy management strategies for the active wind generator to ensure the energy availability.
Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d'énergie renouvelable et des systèmes de stockage d'énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d'énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d'hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l'utilisation et l'adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le coût du développement du prototype expérimental; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et, enfin, la proposition de stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d'assurer une disponibilité énergétique.