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Di LUDi LU
Laboratoire dLaboratoire d‘É‘Électrotechnique et dlectrotechnique et d‘É‘Électronique de Puissance de Lillelectronique de Puissance de LilleÉÉcole Centrale de Lillecole Centrale de Lille
3
Panneaux photovoltaïques éoliennes Centrale hydraulique
� Générateur dispatchable à base d’énergie renouvelable
Hydraulique, biocarburants, géothermique…� Générateur non-dispatchable à base d’énergie renouvelable
Éolienne , solaire…
3
10
PV Panels: 3kW
Grid Operator
DC
DC
DC
DC
DC
DC
Ultracapacitors
48V, 36kWmin
PV Power
BAT power
UC Power
Inverter power
L1
L2
L3
iPV
iBAT
iUC
iDC
uDC
uPV
uBAT
uUC
uPV iUC uBAT uUC iBAT iPV uDC
L4,R4
∩ ∩ ∩ ∩ ∩ ∩ ∩ vs is ∩ ∩
Pag_ref
Qag_ref
Control System
DC
AC
Lead-acid Batteries
48V, 106Ah
TPV
TBAT
TUC
TINV
10
11
−−= )1)(exp(1
2
1
oc
ccVC
VCII
)exp(12
maxmax
1
oc
p
cc
p
VC
V
I
IC −
−= )1ln(
1
max
max
2
sc
p
oc
p
I
I
V
V
C
−
−=
PV
iPV
uPV
PV Panels: 3kW
DC
DC
PV Power L1 iL1
uPV
iPV
uDC_mod uDC
iPV_mod
uPV iPV_mod
uDC
iL1iPV
PV
Bus_PV Filtre_PV HacheurCouplage_DC
iL1 uDC_moduPV
mPV
ibatbbbbat RInEnV +=
∫ ∞−=
it
batc
i
i dttItC
tSOC )()(
1)( η
( )tiCt
vuc
c
0
1
d
d=
)()( tiRtv ucsR =
)()()( tvtvtv Rcuc +=
12
Eb en fonction de Ibat et SOC
Ri en fonction de Ibat ,SOC, T
BAT
uBAT
iBAT
UC
uUC
iUC
13
iBAT iBAT_moduBAT
STO
Filtre_STO Hacheur Couplage_DC
uDC
iBAT uBAT_mod
mBAT
DC
DC
Storage power
L iBAT
uBAT
Batteries
uDC_mod uDC
Objectif de la commande
des panneaux PV conventionnels:
Extraire la puissance maximale des
panneaux PV
Objectif de la commande
d’un générateur PV actif :
• Fournir Pag_ref et Qag_ref• Maximiser l’utilisation de la puissance PV
• Filtrer les fluctuations de puissance
• Coordonner les 3 sources
PV Panels
DC
AC
Inverter L iPV
uPV
PV Panels: 3kW
Grid Operator
DC
DC
DC
DC
DC
DC
Ultracapacitors
48V, 36kWmin
PV Power
BAT power
UC Power
Inverter power
L1
L2
L3
iPV
iBAT
iUC
iDC
uDC
uPV
uBAT
uUC
uPV iUC uBAT uUC iBAT iPV uDC
L4,R4
∩ ∩ ∩ ∩ ∩ ∩ ∩ vs is ∩ ∩
Pag_ref
Qag_ref
Control System
DC
AC
Lead-acid Batteries
48V, 106Ah
TPV
TBAT
TUC
TINV
16
17
Control axis
Power axis Power electronicPower electronic
ConverterConverterSourceSource SourceSource
Power Control UnitPower Control Unit(PCU)(PCU)
Selected operating mode
Signed duty cycles
Measurem
ents
Measurem
ents
Transistor signal orders
Switching Control Unit Switching Control Unit (SCU)(SCU)
AutomaticAutomatic Control UnitControl Unit(ACU)(ACU)
References
Mode Control UnitMode Control Unit(MCU)(MCU)
Wished operating modes
[Hau 99]
18
Converter
DC
DC
L1 upv Cpv
PV Panels: 3kW
iL1
um_pv
ipv
uPV iPV_mod
uDC
iL1iPV
PV
CPV L1 HacheurCouplage_DC
iL1 um_PVuPV
mPV
iL1_ref um_PV_refuPV_ref
uPViL1
DCu)
Objectif de la commande: Contrôler la tension
upv_ref
Power Control Unit
Automatic Control Unit
mpv_ref
Pg_ref Qg_ref
upv_ref
T pv
Tpv_ref
SC
Switching Control
Modulation Technique
Unit
CL1 + - iL1_ref
Closed loop
Corrector
iL1
um_pv_ref
uDC ∩ 1
uDC ∩
CCpv + -
Closed loop
Corrector
upv ∩ ∩
mPV
19
Converter
DC
DC
L2
ubat
ibat
Lead-acid Batteries 144V, 10kWh
um_bat
0 2000 4000 6000 8000 10000 25
26
27
28
29
Time / s
Battery voltage / V
0 2000 4000 6000 8000 10000 0
5
10
15
20
Time / s
Battery current / A
Couplage_DC
uDC
BAT
L2 Hacheur
ibat im_batubat
ibat um_bat
u_DC
mbat_ref
um_bat__refibat_ref
∩∩∩∩
ibat∩∩∩∩
Power Control Unit
upv_ref
mpv_ref
upv_ref
Tpv_ref
SC
CL1 + - iL1_ref
Closed loop
Corrector
iL1
um_pv_ref
uDC ∩ 1
uDC ∩
CCpv + -
Closed loop
Corrector
upv ∩ ∩
ibat_ref
mbat_ref
ibat_ref
Tbat
Tbat_ref
SC
CL2 + -
Closed loop
Corrector
ibat
um_bat_ref
uDC ∩
1
uDC ∩
∩
Automatic Control Unit
Switching Control
Modulation Technique
Unit
Objectif de la commande: Contrôler le courant
mBAT
20
Conve rter
DC
DC
L3
uuc
iuc
Ultracapacitors
36kWmin
Objectif de la commande: Contrôler le courant
Couplage_DC
uDC
UC
L3 Hacheur
iUC im_UCuUC
iUC um_UC
u_DC
mUC_ref
um_UC__refiUC_ref
∩∩∩∩
iUC∩∩∩∩
upv_ref
mpv_ref
upv_ref
Tpv_ref
SC
CL1 + -
iL1_ref
Closed loop
Corrector
iL1
um_pv_ref
uDC ∩
1
uDC ∩
CCpv + -
Closed loop
Corrector
upv ∩ ∩
ibat_ref
mbat_ref
ibat_ref
Tbat
Tbat_ref
SC
CL2 + -
Closed loop
Corrector
ibat
um_bat_ref
uDC ∩
1
uDC ∩
∩
iuc_ref
muc_ ref
iuc_ref
T uc
Tuc_re f
SC
CL3 + -
Closed loop
Corrector
iuc
uuc_con_ref
uDC ∩ 1
uDC ∩
∩
Power Control Unit
Automatic Control Unit
Switching Control
Modulation Technique
Unit
21
iDC uDC
Inverter
AC
DC
L gc Igc
Ugc
Grid
Objectif de la commande: Contrôler les courants générés au réseau
mINV_ref
u_DC
∩∩∩∩vINV_reg
ig∩∩∩∩
ig_ref
Pow3c’
Pow3c
Pow2c
pdc_ref pBAT
LPF
& slope limiter
psto_ref +
_
+
_
psc_ref
Pow1c
psour_ref
pPV ~
)
pBAT_ref
M=ModeNF
Mode Switching
Batteries
déchargées
Batteries
chargées
27
Dynamique
rapide
Lisser la puissance
Mode 1 Mode 2 Mode 3
30
Ch1 (200W/div): ppagag
Ch2 (200W/div): ppucuc
Ch3 (200W/div): ppbatbat
Ch4 (200W/div): pppvpv
PPagag : Puissance : Puissance ggéénnéérrééee selonselon
la la rrééfféérencerence de puissance de puissance
PPbatbat: Puissance issue des : Puissance issue des
batteriesbatteries
PPucuc: Puissance issue des : Puissance issue des
supercondensateurssupercondensateurs
PPpvpv: Puissance : Puissance ggéénnéérrééee parpar
les les panneauxpanneaux PVPV
t
Pag_ref
Augmentation des générateurs PV passifs
Affaiblissement de la commandabilité du système électrique
Renforcement du réseau
CoûtsGénérateurs PV actifs
Nouvelles flexibilités pour participer à la gestion du réseau
comme tout générateur conventionnel
Comment caractériser cette flexibilité ?
Quelle sera l’organisation du système électrique?
Comment concevoir la conduite d’un système électrique pour l’exploiter ?
32
Utilisant le réseau
« Grid following strategy »
Utilisant le réseau
« Grid following strategy »
Générateur PV passif Générateur PV actif
Pas de possibilité
Utilisant l’énergie primaire stockée
« Power dispatching strategy »Possibilité
ilotage
Technologies
Entrées:
Puissance active de référence
Puissance réactive de référenceP,Q mode
33
Détaillé dans le cas d’application
1) Regroupement des producteurs dispersés (DG) et des consommateurs locaux
- Minimisation des pertes dues au transport de l’électricité
2) Possibilité de cogénération d’énergie
- Augmentation du rendement de la génération des énergies
3) Facilité d’utilisation d’un réseau de communication
- Possibilité d’échange d’informations
DG
DG DG
LC
LC
LC
Droop control
+
PQ Mode
Droop control
+
PQ Mode
Droop control
+
PQ Mode
GRID
Micro Grid Grid connected mode
Exemple d’une organisation “non interactive” d’un micro réseau
34
LC : Contrôle Local
DG: Production dispersée
DG
LC
Droop Ctrl
PQ Mode
GRID
Micro Grid Grid connected mode
MGCC
Pref_0, Qref_0
DSO
.
DG
LC
Droop Ctrl
PQ Mode
DG
LC
Droop Ctrl
PQ Mode
...
• Fonctionnalités avancées pour la gestion
• Réseau de communicationRéseau intelligent
Supervision centrale:
• Réception des informations
• Envoi de consignes
Gestion technico-environnementale:
• Prioriser les EnR
• Renforcer la qualité et la fiabilité
35
LC : Contrôle Local
DG: Production dispersée
38
MGCCMGCC
Distribution Distribution
GridGrid
LCLC
Micro Micro gasgas turbineturbine
ProsumerProsumer with PV with PV
active Generatoractive GeneratorProsumerProsumer
ProsumerProsumer
LoadsLoads LoadsLoads
communication networkcommunication network
GridGrid connectionconnection
DSODSO
Agregator
L’ensemble constitue un type de réseau intelligent.
39
ProductionProduction
ProgramProgramProduction Production
adjustmentadjustment
RMS voltage/ RMS voltage/
Frequency Frequency
controlcontrol
Power Power
BalancingBalancing
Energy storage Energy storage
availabilityavailability
DayDay HourHour SecondSecond MillisecondMillisecond
Long term energy Long term energy
managementmanagementShort term power Short term power
managementmanagementMedium term energy Medium term energy
managementmanagement
41
∫=h
p_pvp_PV dt)t(pE
24
0
∫=h
p_mgp_mg dt)t(pE
24
0
• Si , l’énergie PV en surplus est stockée dans les batteries ou limitée.
• Si , l’énergie supplémentaire est compensée par la micro turbine.p_mgp_PV EE >
p_mgp_PV EE <
Energie renouvelable:
Energie consommée:
• Prises en comptes des contraintes• Contraintes liées aux puissances nominales• Contraintes énergétiques
Start
Day tttt ∆+≤≤ 00
Night
hloadMGTresthbat EEE 2/1_min_2/1__2/1_
~~~>+
Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
hloadhMGThPV EEE 2/1_min_2/1_2/1_
~~~<+
hPVrefAG PP 24_0_
~=
0_24_0_
~refAGhLoadrefMGT PPP −=
min_24_0_
~MGThLoadrefAG PPP −=
min_0_ MGTrefMGT PP = Te
EP
resthbat
refAG
_2/1_
0_
~
=
0_24_0_
~refAGhLoadrefMGT PPP −=42
Manque de Manque de
puissance PVpuissance PVAssez de Assez de
puissance PVpuissance PV
Assez Assez
dd’é’énergie BATnergie BATManque Manque
dd’é’énergie BATnergie BAT
Long terme (24h à l’avance)Moyen terme (chaque 1/2h)Court terme (temps réel)
hAGrefAGrefAG PPP 2/1_10_1_ ∆+=
hLoadhPVhAG PPP 2/1_2/1_2/1_1 ∆+∆=∆
43
Planifiée 24h à l’avance
correction
Mise à jour pour la prochaine 1/2h
*
Long terme (24h à l’avance)Moyen terme (chaque 1/2h)Court terme (temps réel)
hPVrefAGPP
2/1_1_
~≥
m axSOC)t(OCS~
≥0
max_1_2/1_
~b atrefAGhPVPPP ≤−
0
1_=
refbatP
1_2/1_1_
~refAGhPVrefbat PPP −=
Start
Disload
Load
Energy constraint
Power constraint
Day Case
44
Long terme (24h à l’avance)Moyen terme (chaque 1/2h)Court terme (temps réel)
ibat_ref iuc_ref upv_ref iDC_ref ig_ref
∩ 1
ubat ∩ 1
uuc ∩ 1 ugrid
qg _ref
pdc_ref
Grid Power Control RII-33
pg _ref
udc
)
)
Power
control
ppv_ref pbat_ref puc_ref
Power
sharing
Operating mode
Power Control Unit
ipv
qgc_ref
PV Limitation Mode
modeStorage Mode
mode
No Real Time Mode
Power
Power balancing algorithms
)t(OCS~
Control of Operating Modes (C.O.M.)
bati)
Battery
observer T∆
is ∩
uuc ∩ ∩
iPV
Mode ∈ {1,2,3}
)t(p ref_AG
Battery management
Primary frequency
control
1_ refAGP
hPVP 2/1_
~
f)
ucu)
45
Long terme (24h à l’avance)Moyen terme (chaque 1/2h)Court terme (temps réel)
k
+ +
+ _ ∆f fo
f)
pAG_ref(t) PAG_ref1
∆PAG_ref(t)
46Statisme
Planifiée 24h à l’avancePV + Supercondensateurs
Long terme (24h à l’avance)Moyen terme (chaque 1/2h)Court terme (temps réel)
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h0
500
1000
1500
2000
Time
Power (W)
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h0
500
1000
1500
2000
2500
Time
Power (W
)
48
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h0
500
1000
1500
2000
Time
Power(W)
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h0
500
1000
1500
2000
Time
Power (W
)
49
50
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Time
Power(kW)
Ppv
PbatPuissances dans le générateur actif PV
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h-500
0
500
1000
1500
2000
Time
Power(W)
Pmgt
Pag
Puissances dans le micro réseau
Limite de la puissance
de batterie
7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h+1day 3h 5h 7h0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time
SOC
État de charge de batteries
51
Comparatif des rComparatif des réésultats de simulationsultats de simulation
Micro Gas
turbine
Micro Gas
Turbine
+
PV panels
Micro Gas
Turbine
+
Active
Generator
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 (+1D)1:00 3:00 5:00 7:000
500
1000
1500
2000
2500
Time
Power(W)
Pload
Pmgt
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00+1D3:00+1D5:00+1D7:00+1D0
500
1000
1500
2000
Time
Power(W)
Pmgt
Ppv
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00+1D3:00+1D5:00+1D7:00+1D0
500
1000
1500
2000
Time
Power(W)
Pmgt
Pag
53
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 (+1D)1:00 3:00 5:00 7:00-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Time
Power(W)
Ppvmppt
Pbat
Pag
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 (+1D)1:00 3:00 5:00 7:00-1000
0
1000
2000
3000
Power(W)
Ppvmppt
Pbat
Ppv
7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 (+1D)1:00 3:00 5:00 7:00-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Time
Power(W)
Ppv
Ppvmppt
Pbat