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

2

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

4

5

6

8

Energie

Puissance

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

14

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

22

23

pPV

pDC_cha

Ultra-capacitor DC bus

pUC

PV generator Grid

psour

psto pBAT

Batteries

pDC_dec

pag

24

25

26

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

Figure II.21 Block diagram of the automatic control units for the active PV generator

28

29

Convertisseur

EPSystème de contrôleSupercondensateurs

Batteries

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

37

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

40

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)

47

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

54

55

Micro

Grid

MGCC

(Central host)

Power

amplifier

RT-Lab Real

time simulator