PhD report
Topic : Electrical engineering

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16 Decembre 2010

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France


Di LU

Design and control of an actif PV generator with embeded storage
Application to the agregration of prosumers into an urban smart microgrid


Conception et contrôle d’un générateur PV actif à stockage intégré
Application à l’agrégation de producteurs-consommateurs dans le cadre d’un micro réseau intelligent urbain



Président :
Jean-Luc THOMAS, Professeur, Conservatoire National des Arts et Métiers Equipe de recherche SUPELEC – Dpt. Energie

Rapporteurs :
Pascal MAUSSION, Professeur, INPT-ENSEEIHT, LAPLACE
Hamid BEN AHMED, Dr, Maître de Conférences (HDR) à l’ENS Cachan Bretagne, SATIE

Examinateurs :

Christophe FORGEZ, Professeur, Université de Technologie de Compiègne Laboratoire d'Electromécanique de Compiègne, LEC
Antoni ARIAS PUJOL, Professeur, Associate Professor Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelona, Spain
Vladimir LAZAROV, Professeur, Université Technique de Sofia, Bulagarie
Jean Francois LEROMANCER, Dr, directeur KEYNERGIE

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


Abstract:
The integration of PV power generation in a power system reduces fuel consumption and brings environmental benefits. However, the PV power intermittency and fluctuations deteriorate the power supply quality. A solution is proposed by adding energy storages, which are coordinated by a local controller that controls the power flow among all sources and implements an inner energy management. This PV based active generator can generate power references and can provide ancillary services in an electric network. Then micro grid concepts are derived to design a central energy management system of a residential network, which is powered by PV based active generators and a gas micro turbine. A communication network is used to exchange data and power references. An energy management system is developed with different time-scale functions to maximize the use of PV power. An operational daily planning is designed by a determinist algorithm, which uses 24 hour-ahead PV power prediction and load forecasting. Then power references are refreshed each half of an hour by considering the PV power availability and the states of energy storage units. Prediction errors and uncertainties are compensated by primary frequency controllers. Simulation and testing results validate the design of the PV active generator local controller and the central energy management system of the studied residential network.

Keywords:
Smart grid, micro grid, energy management, renewable energy, photovoltaic panel, electrical energy storage, battery, ultracapacitor

Résumé:
L’intégration de panneaux PhotoVoltaïques ()PV dans un système électrique réduit la consommation des sources fossiles et apporte des avantages environnementaux. Toutefois, l'intermittence et les fluctuations de puissance détériorent la qualité d’alimentation électrique. La solution proposée est d’ajouter des éléments de stockage, coordonnés par un contrôleur local qui gère les flux de puissance entre toutes les sources et la disponibilité énergétique. Ce générateur actif PV peut générer des références de puissance et fournir des services « système » au réseau électrique. Puis, les concepts liés au micro réseau sont transposés pour concevoir un système central de gestion de l'énergie d'un réseau électrique résidentiel, qui est alimenté par des générateurs actifs PV et une micro turbine à gaz. Un réseau de communication est utilisé pour échanger des données et des références de puissance. Un système de gestion de l'énergie est développé avec différentes fonctions de contrôle sur des échelles de temps différentes afin de maximiser l'utilisation de l'énergie PV. Une planification opérationnelle quotidienne est conçue par un algorithme déterministe, qui utilise la prédiction d'énergie PV et de la charge. Puis ces références de puissance sont actualisées chaque demi-heure en tenant compte de la disponibilité de l’énergie PV et l’état des unités de stockage. Les erreurs de prévision et les incertitudes sont compensées par le réglage primaire de fréquence. Les résultats de simulation et les tests valident la conception de la commande du générateur actif photovoltaïque ainsi que le système central de gestion de l'énergie du réseau résidentiel étudié.

Mots-clés:
Micro réseau, réseau intelligent, supervision énergétique, énergie renouvelable, panneau photovoltaïque, stockage énergétique, batterie, supercondensateur.


Contents :

Introduction
Chapter I Renewable energy based active generator
Chapter II Control system of the active PV generator
Chapter III Micro Grid framework for integrating DG in energy management and control system of power network
Chapter IV Planning and energy management system of a residential micro grid
Conclusion

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Publications

International Journal
[J1] Di LU, H FAKHAM, Tao ZHOU, Bruno FRANCOIS, "Application of Petri Nets for the energy management of a photovoltaic based power station including storage units" , Renewable Energy, Elsevier, Vol. 35, N°. 6, pages. 1117-1124, 6-2010

[J2] H FAKHAM, Di LU, Bruno FRANCOIS, " Power Control Design of a battery charger in a Hybrid Active PV generator for load-following applications" , IEEE Transaction on Industrial Electronics, Volume: 58, Issue: 1 , pp. 85-94, Jan. 2011

[J3] Di LU, Hristyian KANCHEV, Vladimir LAZAROV, Bruno FRANCOIS, "Energy management and power planning of a microgrid with a PV-based active generator for Smart Grid Applications" , IEEE Transaction on Industrial Electronics, Volume: 58, Issue: 10, pp 4583-4592, Oct. 2011.


International conferences

[C1] Di LU, H KANCHEV, Bruno FRANCOIS, V LAZAROV,"Smart monitoring of a microgrid including gas turbines and a dispatched PV-based active generator for energy management and emissions reduction", IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference, October 11-13, 2010, Gothenburg, Sweden, 10-2010

[C2] Di LU, Bruno FRANCOIS,"Strategic framework of an energy supervision of a microgrid with a PV-based active generator", 8th International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems : ELECTROMOTION 2009, 1-3 July 2009, Lille, France, 7-2009

[C3] 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, Poland, 9-2008

[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)



Photo souvenir: Di et Bruno