PhD report
Topic : Electrical engineering

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Soutenance : 18 Mai 2017

ECOLE CENTRALE DE LILLE, France

Xingyu YAN



Energy management under uncertainty:

Application to the day-ahead planning and power reserve allocation of an urban microgrid with active photovoltaic generators and storage systems



Gestion énergétique sous incertitude:

Application à la planification et à l'allocation de réserve dans un micro réseau électrique urbain comportant des générateurs photovoltaïques actifs et du stockage



Proclamation des résultats


President :
Gérard CHAMPENOIS, Professeur, Université de Poitiers, LIAS,

Rapporteurs :
Manuela SECHILARIU, Professeur, UTC Compiègne, AVENUE
Quoc Tuan TRAN, Dr. HDR, Directeur Scientifique au CEA/INES

Examinateurs :
George KARINIOTAKIS, Professeur, Ecole des Mines de Paris, PERSEE
Didier DUMUR, Professeur, Centrale Supélec, LSS

Membre invité :
François VALLEE, Professeur, Université de Mons, Belgique

Co-encadrant :
Dhaker ABBES, Enseignant Chercheur, Yncréa, L2EP

Directeurs de these :
Bruno FRANCOIS, Professeur, Ecole Centrale de Lille, L2EP



Xingyu et ses encadrants

Abstract:
The massive development of intermittent renewable energy technologies in power systems affects the operation of electrical systems. Due to technical limitations and investments needed to maintain the current electrical security level, issues related to dispatching, static and dynamic stability could stop the development of these distributed renewable energy sources (RES). The subject of the PhD is to develop a tool to study the uncertainties of PV power and load forecasting in an urban network. With stochastic methods, the day-ahead operating reserve (OR) is quantified by taking into account an associated reliability risk index. Then the OR is dispatched into different power generators (active PV generators and micro gas turbines). To minimize the microgrid total operational cost and/or equivalent CO2 emissions, day-ahead optimal operational planning and dispatching of the OR into different power generators is implemented. Finally, a freeware “A User-friendly Energy Management System and Operational Planning Supervisor” is developed on the Matlab GUI to conceptualize the overall system operation.

Résumé:
Le développement massif des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux électriques affecte leur fonctionnement. En raison des limitations technologiques et des investissements nécessaires pour maintenir le niveau de sécurité électrique actuel, les questions liées à la stabilité statique et dynamique pourraient arrêter le développement de ces sources. Le sujet de la thèse est de développer un outil pour mesurer l'incertitude sur la disponibilité de la puissance produite par les générateurs photovoltaïques dans un microréseau urbain. L'incertitude est modélisée à partir de l' étude de la nature incertaine de la production PV et de la charge. Avec des méthodes stochastiques, la puissance de réserve (OR) est calculée un jour en avance en tenant compte d'un indice de risque associé. Ensuite, l'OR est répartie sur différents générateurs locaux (générateurs photovoltaïques actifs contenant du stockage distribué et micro-turbines à gaz). Afin de minimiser le coût opérationnel total et/ou les émissions équivalentes de CO2, une planification optimale et une répartition quotidienne de l'OR dans les différents générateurs sont mises en œuvre. Enfin, un outil logiciel est développé pour conceptualiser cette planification opérationnelle du système électrique réalisée la veille pour le lendemain.


Net uncertainty calculation at time step t with a given probability

Contenu :

General Introduction
Chapter I: Integration of Renewable Energy Sources in Electrical System and Management Issues
Chapter II: Uncertainty Analysis and Forecasting of PV Power and Load Demand
Chapter III: Operating Reserve Quantification in a Microgrid by Considering the PV Power and Load Forecasting Uncertainties
Chapter IV: Day-ahead Optimal OR Dispatching and Energy Management of a Microgrid System with Active PV Generators
Chapter V: Development of an Energy Management System for an Urban Microgrid and Practical Application
General conclusion

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PV forecasting with uncertainty (a random day)


Publications:

International Journals

[J1] YAN Xingyu, ABBES Dhaker, FRANCOIS Bruno,
“Uncertainty analysis for day ahead power reserve quantification in an urban microgrid including PV generators”,
Renewable Energy, Vol. 106, pages. 288–297, 06/2017.

[J2] Xingyu YAN, Dhaker ABBES, and Bruno FRANCOIS,
“Development of a Tool for Urban Microgrid Optimal Energy Planning and Management”,
Simulation Modelling Practice and Theory, Volume 89, Décembre 2018, Pages 64-81.

International conferences

[C1] YAN Xingyu, FRANCOIS Bruno, ABBES Dhaker,
“Operating power reserve quantification through PV generation uncertainty analysis of a microgrid PowerTech”,
PowerTech, IEEE Eindhoven, pages. 1 - 6, 07/2015.

[C2] YAN Xingyu, ABBES Dhaker, FRANCOIS Bruno,
“Solar radiation forecasting using artificial neural network for local power reserve”,
International Conference on Electrical Sciences and Technologies in Maghreb (CISTEM), pages. 1 - 6, 11/2014.