Modeling and Control of a Renewable Hybrid Energy System with Battery Storage
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Conventional power systems heavily rely on fossil fuel resources for electricity generation, leading to the rapid depletion of these non-renewable sources and a simultaneous increase in environmental pollution. In response to the challenges, microgrids, incorporating renewable energy sources as well as energy storage systems and loads, have surfaced as a practical and sustainable alternative. Microgrids have the flexibility to operate in either autonomous or grid-connected mode, with the latter allowing seamless access to the utility grid. This thesis focuses specifically on island microgrids, with an emphasis on AC microgrids. This focus stems from the prevalence of AC in the majority of existing power systems and end-user loads. In this microgrid variant, power electronics-based inverters assume a pivotal role in controlling and managing power distribution among parallel distributed generation units. Consequently, this thesis addresses the imperative for sophisticated control techniques, detailing the application of advanced methods to meet the evolving requirements in voltage and frequency regulation for inverter-interfaced distributed generations, including droop control techniques, virtual synchronous generator approaches, and virtual oscillator control methods, to establish seamless power sharing among parallel inverters within microgrids. Secondly, HOMER Pro software is employed to determine the optimal configuration and sizing for our proposed hybrid microgrid, consisting of photovoltaic panels and batteries. Finally, a decentralized power management scheme utilizing the model predictive control approach is simulated and tested for a hybrid-island DC/AC microgrid. This is done to validate the effectiveness of the proposed control strategy under different scenarios and load conditions. Finally, a proposed predictive current-limiting method across various fault scenarios is presented to mitigate the identified risks for both symmetrical and asymmetrical faults.
Keywords: Islanded Microgrid, Droop Control, Virtual Synchronous Generator, Virtual Oscillator Control, Predictive Control, Microgrid Optimization, Fault Protection.
Description
Résumé
Les systèmes électriques conventionnels dépendent fortement des ressources de combustibles fossiles pour la production d'électricité, entraînant un épuisement rapide de ces sources non renouvelables et une augmentation simultanée de la pollution environnementale. En réponse à ces défis, les microréseaux, intégrant des sources d'énergie renouvelable ainsi que des systèmes de stockage d'énergie et des charges, ont émergé comme une alternative pratique et durable. Les microréseaux ont la flexibilité de fonctionner soit en mode autonome, soit connectés au réseau, ce dernier permettant un accès sans heurts au réseau électrique. Cette thèse se concentre spécifiquement sur les microréseaux autonome, mettant l'accent sur les microréseaux en CA. Cette focalisation découle de la prévalence du courant alternatif dans la majorité des systèmes électriques existants et des charges des utilisateurs finaux. Dans cette variante de microréseau, les onduleurs basés sur l'électronique de puissance jouent un rôle central dans le contrôle et la gestion de la distribution d'énergie entre les unités de génération distribuées en parallèle. Par conséquent, cette thèse s’inscrit dans la nécessité de développer des techniques de commande avancées, en mettant en œuvre des méthodes innovantes pour répondre aux exigences croissantes en matière de régulation de la tension et de la fréquence dans les unités de production distribuée à base d’onduleurs. Elle explore notamment le contrôle en droop, les générateurs virtuels synchrones ainsi que les techniques de contrôle par oscillateur virtuel, afin d’assurer un partage de puissance harmonieux entre onduleurs connectés en parallèle au sein des microréseaux. Troisièmement, le logiciel HOMER Pro est utilisé pour déterminer la configuration optimale et la taille de notre microréseau hybride proposé, composé de panneaux photovoltaïques et de batteries. Enfin, un schéma décentralisé de gestion de l'énergie utilisant l'approche de la commande prédictive basée sur le modèle est simulé et testé pour un microréseau hybride CD/CA. Cela est fait pour valider l'efficacité de la stratégie de contrôle proposée dans différentes situations et conditions de charge. Enfin, une méthode prédictive de limitation du courant est proposée pour atténuer les risques identifiés lors de différents scénarios de défaut, qu'ils soient symétriques ou asymétriques.
Mots-clés:Microréseau isolé, Contrôle en droop, Générateur synchrone virtuel, Contrôle par oscillateur virtuel, Contrôle prédictif, Optimisation du microréseau, Protection contre les défauts.
Keywords
Keywords: Islanded Microgrid, Droop Control, Virtual Synchronous Generator, Virtual Oscillator Control, Predictive Control, Microgrid Optimization, Fault Protection., الكلمات المفتاحية:الشبكة المصغرة المعزولة، التحكم بالتراجع، المولد التزامني الافتراضي، التحكم بالمذبذب الافتراضي،التحكم التنبؤي، تحسين أداء الشبكة المصغرة، الحماية من الأعطال الكهربائية., Mots-clés:Microréseau isolé, Contrôle en droop, Générateur synchrone virtuel, Contrôle par oscillateur virtuel, Contrôle prédictif, Optimisation du microréseau, Protection contre les défauts.