Modeling and control of an urban wind turbine intended to be integrated into an electrical microgrid
Modélisation et contrôle d'une éolienne urbaine insérée dans un micro-réseau électrique
Résumé
The high global consumption of fossil energy fuels is accelerating their depletion and threatening the Earth's environmental balance. For that, new categories of energy based on renewable sources are developed to build a new diversified and decarbonized energy mix. In order to allow a massive penetration of these renewable energy sources (RESs) into the conventional grid, the use of new electrical system structures seems to be a promising solution, taking into account several aspects such as the costs, the security of supply, and the ease of implementation. Thus, microgrids (MGs) constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed to replace or complement the main centralized grid. They can ensure some support functions, i.e., enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc. In addition, the consumers become producers and are able to inject a part of their surplus of energy into the public grid. In urban areas, the solar photovoltaic (PV) system has been extensively examined for decades and is widely used thanks to its many advantages such as low environmental impact, easy integration in buildings, reduction of transportation losses, etc. Recently, small-scale wind turbines (SSWTs) are also becoming more and more used, as a complementary source for PV systems, especially for applications near ground level and in urban areas where wind speed is a few meters per second. However, the use of wind power is still nowadays a challenge for the urban MG. In this present thesis, two different types of studies are conducted for a SSWT. i) the first one concerns new power control strategies for a SSWT. It deals with limited power point tracking (LPPT) as an emerging new technology for power management controllers for SSWTs. The LPPT operates in such a way that power requested by the user can be extracted from the wind turbine (WT) while respecting constraints and limitations. However, operating in LPPT mode still requires a deep understanding to obtain a compromise between minimizing power oscillations and transient response. For that, three LPPT power control strategies for a SSWT based on the perturb and observe (P&O) principle are investigated. The proposed algorithms are P&O with fixed step size, P&O based on Newton’s method, and P&O based on the fuzzy logic (FL) technique. The experimental results highlight that all methods function correctly and reach the limited power point (LPP). The FL method shows good dynamic performances with more steady oscillations around LPP compared to other methods. ii) in the second study in this thesis, the integration of a SSWT into a direct current (DC) MG was investigated. The RESs (PV sources and WT), storage, and public grid are included and a supervisory system is suggested to manage the power. The power balance is ensured thanks to the real-time power management in the operational layer of the supervisory system. The power is managed based on the rules made according to several aspects, such as every component's energy cost or tariff and its physical limitations. Excess of power produced by PV sources and WT is one of the problems that face the reliability of the MG and should be resolved. Thus, a strategy to limit power from each source is suggested. It is based on two coefficients called “shedding coefficients” that have the role of calculating the quantity of power that should be limited from each source. Simulation tests are carried out using two power management strategies: optimization and without optimization (storage priority). The results reveal that the coefficient reduces the overall cost and whatever the coefficient that is applied, optimization still provides good performances and significantly reduces the global cost.
La forte consommation mondiale d'énergies fossiles accélère leur épuisement et menace l'équilibre environnemental de la Terre. Pour cela, de nouvelles catégories d'énergies basées sur des sources renouvelables sont développées pour construire un nouveau mix énergétique diversifié et décarboné. Afin de permettre une pénétration massive de ces sources d'énergie renouvelables (SER) dans le réseau public, l'utilisation de nouvelles structures de système électrique semble être une solution prometteuse, compte tenu de plusieurs aspects tels que les coûts, la sécurité d'approvisionnement, et la facilité de mise en œuvre. Ainsi, des micro-réseaux constitués de sources d'énergie décentralisées et de systèmes de stockage d'énergie ont été développés pour remplacer ou compléter le réseau centralisé principal. Ils peuvent assurer certaines fonctions de support, c'est-à-dire l'amélioration de la stabilité du réseau, le fonctionnement au démarrage à vide, le remplacement des générateurs diesel, etc. De plus, les consommateurs deviennent des producteurs et peuvent injecter une partie de leur surplus d'énergie dans le réseau public. En milieu urbain, le système solaire photovoltaïque (PV) a fait l'objet d'études approfondies depuis des décennies et est largement utilisé grâce à ses nombreux avantages tels qu'un faible impact environnemental, une intégration facile dans les bâtiments, une réduction des pertes pendant le transport, etc. Récemment, les éoliennes de faible puissance sont également de plus en plus utilisées, comme source complémentaire pour les systèmes PV, en particulier pour les applications dans les zones urbaines où la vitesse du vent est de quelques mètres par seconde. Cependant, l'utilisation de l'énergie éolienne constitue aujourd'hui un défi pour le micro-réseau urbain. Dans cette thèse, deux types d'études sont menés pour une éolienne urbaine de faible puissance. i) la première concerne de nouvelles stratégies de contrôle de puissance pour cette catégorie d’éolienne. Elle traite le suivi du point de puissance limité (LPPT) en tant que nouvelle technologie émergente des contrôleurs pour la gestion d’énergie. Le LPPT fonctionne de manière à ce que la puissance demandée par l'utilisateur puisse être extraite de l'éolienne tout en en respectant les contraintes et les limites. Cependant, le fonctionnement en mode LPPT nécessite toujours une compréhension approfondie pour obtenir un compromis entre la minimisation des oscillations de puissance et la réponse transitoire. Pour cela, trois stratégies de contrôle de puissance LPPT, pour une éolienne de faible puissance, basées sur le principe de perturbation et d'observation (P&O) sont étudiées. Les algorithmes proposés sont P&O à pas fixe, P&O à pas variable basé sur la méthode de Newton Raphson et P&O à pas variable basés sur la technique de la logique floue (FL). Les résultats expérimentaux montrent que toutes les méthodes fonctionnent correctement et atteignent le point de puissance limitée (LPP). La méthode FL montre de bonnes performances dynamiques avec des oscillations plus stables autour de LPP par rapport aux autres méthodes. ii) la deuxième étude consiste à l'intégration de cette éolienne dans un micro-réseau à courant continu. Les SER (sources PV et l’éolienne), le stockage et le réseau public constitue le micro-réseau étudié et un système de supervision est suggéré pour la gestion d’énergie. L'équilibre de puissance est assuré grâce à la gestion de puissance en temps réel dans la couche opérationnelle du système de supervision. La puissance est gérée sur la base de règles établies selon plusieurs aspects, tels que le coût ou le tarif énergétique de chaque composant et ses limitations physiques. L'excès de puissance produite par les sources renouvelables est l'un des problèmes auxquels est confrontée la fiabilité du micro-réseau et doit être résolu.
Origine : Version validée par le jury (STAR)