PhD report
Topic : Electrical engineering

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June 30th, 2009

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France


Tao ZHOU

Control and Energy Management of a Hybrid Active Wind Generator
including Energy Storage System with Super-capacitors and
Hydrogen technologies for Microgrid Application



Président :
Geneviève DAUPHIN-TANGUY, professeur,Ecole Centrale de Lille, LAGIS

Rapporteurs :
Bernard DAVAT, Professeur, ENSEM de Nancy, GREEN
Daniel HISSEL, Professeur, Université de Franche-Comté, FEMTO-FCLAB

Examinateurs :
Gille NOTTON, Maître de Conférences (HDR), Université de Corte
Yongdong LI, Professeur, Université de Tsinghua, Beijing, Chine
Frédéric COLAS Docteur-Ingénieur de recherche, ENSAM ParisTech, L2EP

Directeur de thèse :
Bruno FRANCOIS, Maître de Conférences (HDR) Ecole Centrale de Lille, L2EP


Abstract:

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.

Keywords :
hybrid power system, active generator, wind generator, fuel cell, electrolyzer, super-capacitor, hydrogen, energy management.


Résumé :

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.

Mots clés :
Centrale hybride, générateur actif, générateur éolien, pile à combustible, électrolyseur, super-condensateur, hydrogène, supervision énergétique.


Contents :

Introduction
Chapter I Context and Methodologies
Chapter II Wind Energy Conversion System
Chapter III Fuel Cell for Energy Backup from Hydrogen
Chapter IV Electrolyzer for Energy Storage into Hydrogen
Chapter V Active Wind Generator
Conclusion

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Publications

International Journal
[J1] Tao ZHOU, Bruno FRANCOIS, “Modeling and Control Design of Hydrogen Production Process for an Active Hydrogen/Wind Hybrid Power System” , International Journal on Hydrogen Energy, vol.34, pp.21-30, 2009.

[J2] Tao ZHOU, Bruno FRANCOIS, Mohamed hadi LEBBAL, Stéphane LECOUECHE, “Real-Time Emulation of a Hydrogen Production Process for assessment of an Active Wind Energy Conversion System ” , IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol.56, iss.3, pp.737-746, 2009.

[J3] Tao ZHOU, Bruno FRANCOIS, “Energy Management and Power Control of an Hybrid Active Wind Generator for Distributed Power Generation and Grid Integration” , IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2011.


Conférence Internationale

[C1] Tao ZHOU, Peng LI, Bruno FRANCOIS, “Power Management Strategies of a DC-Coupled Hybrid Power System for Microgrid Operations”, 13th International European Power Electronics Conference and Exhibition (EPE2009), BARCELONES, Spain, CD-ROM

[C2] B. DAVAT, S. ASTIER, T. AZIB, O. BETHOUX, D. CANDUSSO, G. COQUERY, A. DE BERNARDINIS, F. DRUART, B. FRANÇOIS, M. GARCIA ARREGUI, F. HAREL, M. HINAJE, D. HISSEL, J-P. MARTIN, M-C. PÉRA, S. PIERFEDERICI, S. RAËL, D. RIU, S. SAILLER, Y. BULTEL, T. CREUZET, C. TURPIN, T. ZHOU, “Fuel cell based hybrid systems”, 8th International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems: ELECTROMOTION 2009, Lille, France, 1-3 July 2009.

[C3] S. ASTIER, L. BOULON, A. BOUSCAYROL, Y. BULTEL, D. CANDUSSO, S. CAUX, S. CHUPIN, T. COLINART, G. COQUERY, B. DAVAT, A. DE BERNARDINIS, J. DESEURE, S. DIDIERJEAN, J. DILLET, F. DRUART, M. FADEL, G. FONTES, B. FRANCOIS, J.C. GRANDIDIER, F. HAREL, M. HILAIRET, M. HINAJE, S. JEMEI1, O. LOTTIN, L. MADIER, G. MARANZANA, S. MARTEMANIOV, D. NGUYEN, R. ORTEGA, R. OUTBIB, M.C. PERA, S. RAEL, N. RETIERE, D. RIU, S. SAILLER, R. TALJ, T. ZHOU, “A review on existing modelling methodologies for PEM fuel cell systems ”, 2008 Conference of Fundamentals & Developments of Fuel Cells (FDFC 2008), Nancy, France, 10-12 December 2008.

[C4] Tao ZHOU, Di LU, Hicham FAKHAM, Bruno FRANCOIS, “Power flow control in different time scales for a hybrid power system based on wind generator, hydrogen and super-capacitors”, 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2008, Poznan, 1-3 September 2008. (EI: 084811743999)

[C5] Di LU, Tao ZHOU, Hicham FAKHAM, Bruno FRANCOIS, “Design of a power management system for a PV station including various storage technologies”, 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2008, Poznan, 1-3 September 2008, 9-2008. (EI: 084811743990)

[C6] Mohamed LABBAL, Tao ZHOU, Stephane LECOEUCHE, Bruno FRANCOIS, “Dynamically electrical modelling of electrolyser and hydrogen production regulation”, The 2nd International Hydrogen Energy Congress and Exhibition (IHEC’07), Istanbul, Turkey, 13-15 July 2007.

[C7] Tao ZHOU, Bruno FRANCOIS, M LEBBAL, S LECOEUCHE, “Modelling and Control Design of Hydrogen Production Process by Using a Causal Ordering Graph for Wind Energy Conversion System”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE’2007, Vigo, Spain, 4-7 June 2007. (EI: 083511489316)

[C8] Mingzhi HE, Jianping XU, Tao ZHOU, “Digital Proportional-Feed-Forward (PFF) Control of Switching DC-DC Converters”, The 4th Power Conversion Conference (PCC’07), Nagoya, Japon, 2-7 April, 2007. (EI Inspec: 9702343)

[C9] Tao ZHOU, Jianping XU, Bruno FRANCOIS, “Analog-to-digital converter architectures for digital controller of high-frequency power converters”, The 32nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON’06), Paris, France, 7-10 November 2006. (EI: 083611514864)

[C10] Tao ZHOU, Jianping XU, “ADC architecture with direct binary output for digital controllers of high-frequency SMPS”, The 5th CES/IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC’06), Shanghai, China, 14-16 August 2006. (EI: 082511328310)

[C11] Tao ZHOU, Jianping XU, “Flash ADC with large conversion range for digital controller of high-frequency power converter”, The 4th IEEE International Conference on Communications, Circuits and Systems (ICCCAS’06), Guilin, China, 25-28 June 2006. (EI: 081011132227)

[C12] B. FRANCOIS, D. Hissel, M.T. Iqbal, "Dynamic Modelling of a Fuel Cell and Wind Turbine DC-Linked Power System" , Electrimacs Conference 2005, Hammamet, Tunisia, April 17-20, CD ROM.


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