Agent-based distributed control and optimization in microgrids with Hardware-in-the-Loop implementation
Contrôle et optimisation distribués basés sur l'agent dans les micro-réseaux avec implémentation Hardware-in-the-Loop
Résumé
In terms of the control hierarchy of microgrids, the coordination of local controllers is mandatory in the secondary and tertiary levels. Instead of using a central unit as conventional approaches, in this work, distributed schemes are considered. The distributed approaches have been taken attention widely recently due to the advantages of reliability, scalability, and security. The multi-agent system is an advanced technique having properties that make them suitable for acting as a basis for building modern distributed control systems. The thesis focuses on the design of agents aiming to distributed control and optimization algorithms in microgrids with realistic on-line deployment on a Hardware-in-the-loop platform. Based on the provided three-layer architecture of microgrids, a laboratory platform with Hardware-in-the-loop setup is constructed in the system level. This platform includes two parts: (1) a digital real-time simulator uses to simulate test case microgrids with local controllers in real-time; and (2) a cluster of hardware Raspberry PIs represents the multi-agent system operating in a sparse physical communication network. An agent is a Python-based program run on a single Raspberry PI owing abilities to transfer data with neighbors and computing algorithms to control the microgrid in a distributed manner.In the thesis, we apply the distributed algorithms for both secondary and tertiary control level. The distributed secondary controls in an islanded microgrid are presented in two approaches of finite-time consensus algorithm and average consensus algorithm with the improvements in performances. An extension of the platform with Power Hardware-in-the-Loop and IEC 61850-based communication is processed to make the deployment of agents closer to industrial applications. On the top control level, the agents execute the Alternating Direction Method of Multipliers to find out the optimal operation points of microgrid systems in both islanded and grid-connect state. The secondary and tertiary control objectives are achieved in a single framework which is rarely reported in other studies.Overall, the agent is explicitly investigated and deployed in the realistic conditions to facilitate applications of the distributed algorithms for the hierarchical control in microgrids. This research gives a further step making the distributed algorithms closer to onsite implementation.
En ce qui concerne la hiérarchie de contrôle des micro-réseaux, la coordination des contrôleurs locaux est obligatoire aux niveaux secondaire et tertiaire. Au lieu d'utiliser une unité centrale comme approche conventionnelle, dans ce travail, des schémas distribués sont considérés. Les approches distribuées ont récemment fait l'objet d'une attention particulière en raison de leurs avantages en termes de fiabilité, d'évolutivité et de sécurité. Le système multi-agents est une technique avancée dont les propriétés les rendent aptes à servir de base à la construction de systèmes de contrôle distribués modernes. La thèse porte sur la conception d'agents visant à distribuer des algorithmes de contrôle et d'optimisation dans des micro-réseaux avec un déploiement en ligne réaliste sur une plate-forme Hardware-in-the-Loop. Sur la base de l'architecture à trois couches fournie par micro-réseaux, une plate-forme de laboratoire avec configuration Hardware-in-the-Loop est construite au niveau du système. Cette plateforme comprend deux parties : (1) un simulateur numérique en temps réel permet de simuler en temps réel des micro-réseaux de cas de test avec des contrôleurs locaux ; et (2) un cluster de Raspberry PI représente le système multi-agent fonctionnant dans un réseau de communication physique épars. Un agent est un programme en Python exécuté sur un seul Raspberry PI qui permet de transférer des données à ses voisins et d’effectuer des calculs selon des algorithmes de manière distribuée.Dans la thèse, nous appliquons les algorithmes distribués pour les niveaux de contrôle secondaire et tertiaire. Les contrôles secondaires distribués dans un micro-réseau îloté sont présentés selon deux approches d'algorithme de consensus à temps fini et d'algorithme de consensus moyen avec les améliorations des performances. Une extension de la plate-forme avec la Power Hardware-in-the-Loop et la communication basée sur la norme IEC 61850 est traitée pour rapprocher le déploiement des agents des applications industrielles. Au niveau de contrôle supérieur, les agents exécutent la méthode des multiplicateurs à sens alternatif pour déterminer les points de fonctionnement optimaux des systèmes de micro-réseaux en état d'îlot et de connexion au réseau. Les objectifs de contrôle secondaire et tertiaire sont atteints dans un cadre unique qui est rarement mentionné dans d'autres études.Dans l'ensemble, l'agent est explicitement étudié et déployé dans des conditions réalistes pour faciliter l'application des algorithmes distribués pour le contrôle hiérarchique dans les micro-réseaux. Cette recherche constitue une étape supplémentaire qui rapproche les algorithmes distribués de l'implémentation sur site.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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