Academic literature on the topic 'Micro-Réseau électrique DC'

L’apport scientifique de cette thèse se concentre sur la résolution des défis particuliersliés à la stabilité et à l’optimisation des réseaux de distribution en courant continu (DC).Cette recherche vise à élaborer des stratégies de contrôle et des algorithmes d’optimisation avancés afin de maximiser l’intégration des sources d’énergies renouvelables en courantcontinu tout en minimisant les pertes d’énergie dans le but d’atteindre l’auto-consommation.L’architecture matérielle proposée dans ce travail s’appuie sur deux technologies de distribution électrique en courant continu, à savoir le Power over Ethernet (PoE) et le Power overData Line (PoDL). Grâce à ces deux technologies, il est possible d’obtenir une améliorationd’au moins 7 % en termes d’efficacité énergétique lorsque la source d’énergie est en courantcontinu, comme c’est le cas pour l’énergie photovoltaïque ou l’énergie stockée dans des batteries. L’intégration de ces technologies dans les bâtiments crée un système de distributionplus flexible, permettant l’incorporation de charges dans la stabilisation du micro-réseau. LePoE alimente les appareils via Ethernet, tandis que le PoDL permet la communication IP etl’injection d’énergie par l’intermédiaire de l’infrastructure de câblage électrique existante.L’architecture logicielle que nous avons proposée dans ce travail est basée sur une communication réactive entre les acteurs du réseau DC, garantissant ainsi la stabilité et la sécurité.La méthode s’appuie sur un système multi-agents coordonné pour des décisions contextuelles,maximisant les avantages du réseau DC tout en garantissant un fonctionnement stable etéconome en énergie.La mise en œuvre d’un système de distribution électrique réactif est un défi majeur.La nature décentralisée de ce système nécessite un protocole de communication capablede répondre aux exigences de latence et de flexibilité. Par conséquent, après avoir évaluéplusieurs protocoles, nous avons confirmé que le protocole Data Distribution Service (DataDistribution Service (DDS)) se distingue par ses performances en temps réel, offrant unelatence bien délimitée et contrôlée. Grâce à sa structure distribuée et à ses capacités avancéesde gestion des données, le DDS peut assurer une communication en temps réel fiable etprévisible.En plus du protocole de communication réactif, nous avons utilisé une approche multiagents pour ses avantages tels que la gestion de l’incertitude, la flexibilité, l’extensibilité, laprise de décision distribuée, entre autres. Cependant, leur mise en œuvre dans un contexte oùla réactivité et la stabilité des micro-réseaux sont essentielles représente un défi particulier.Dans ce contexte spécifique, nous avons développé une architecture de système multi-agentsbasée sur la coordination avec des interactions bien définies. De plus, nous avons proposéune méthode d’optimisation basée sur le cycle hamiltonien de la théorie des graphes afind’optimiser les temps de latence des agents dans leurs tâches. L’approche multi-agents etles algorithmes d’optimisation proposés visent à répondre simultanément aux exigences deréactivité du système de contrôle et aux défis liés à l’optimisation de la gestion de l’énergiedans le micro-réseau DC
The scientific contribution of this thesis focuses on addressing specific challenges relatedto the stability and optimization of direct current (DC) distribution networks. This researchaims to develop control strategies and advanced optimization algorithms to maximize theintegration of renewable energy sources in DC while minimizing energy losses in order toachieve self-sufficiency. In pursuit of this objective, we have proposed in this work a hardware and a software architecture. The hardware architecture relies on two DC electrical distribution technologies, namely Power over Ethernet (PoE) and Power over Data Lines (PoDL). With these two technologies, it is possible to achieve at least a 7% improvement in energy efficiency when the energy source is in DC, such as photovoltaic energy or energy stored in batteries. Integrating these technologies into buildings creates a more flexible distribution system, allowing for the incorporation of loads in microgrid stabilization. PoE powers devices via Ethernet, while PoDL enables IP communication and power injection throughthe existing electrical wiring infrastructure.The software architecture that we have proposed in this work is based on reactive communication among the actors of the DC network, thus ensuring stability and safety. The method relies on a coordinated multi-agent system for context-aware decisions, maximizing the benefits of the DC network while ensuring stable and energy-efficient operation. Implementing a reactive electrical distribution system is a major challenge. The decentralized nature of this system requires a communication protocol capable of meeting latencyand flexibility requirements. Therefore, after evaluating several protocols, we have validated that the Data Distribution Service (DDS) protocol stands out for its real-time performance, offering well-bounded and controlled latency. Due to its distributed structure and advanced data management capabilities, DDS can ensure dependable and anticipatable real-time communication.In addition to the reactive communication protocol, we have used a multi-agent approachfor its benefits like uncertainty management, flexibility, scalability, and distributed decision-making. However, their implementation in a context where microgrid reactivity and stability are essential represents a particular challenge. Within this specific context, we have developed a coordination-based multi-agent system architecture with well-controlled interactions and latencies. Furthermore, we have proposed an optimization method based on the Hamiltonian cycle from graph theory to optimize the latencies of the agents in their tasks. The proposed multi-agent approach and optimization algorithms aim to simultaneously address the reactivity requirements of the control system and the challenges related to optimizing energy management in the DC microgrid

La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l'équilibre environnemental global du fait de la pollution qu'elle engendre. D'autres sources d'énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l'électricité de façon décentralisée, l'intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l'électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d'impact sur l'écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d'infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n'est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire. Afin de répondre à la problématique d'intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l'usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd'hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d'approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en œuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d'éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d'atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d'aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d'énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l'énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l'électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau. Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d'un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l'unité de stockage assurant l'équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb- acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l'association d'éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d'évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l'unité de stockage, le taux d'autoconsommation de l'énergie photovoltaïque, la quantité d'énergie qui n'a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d'optimum de Pareto, a été mise en œuvre afin d'optimiser les aspects économique, environnemental et d'autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse
Because of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs. In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid. During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis

L'amélioration de l'efficacité énergétique est devenue aujourd'hui une nécessité dans tous les domaines techniques. La réduction de la consommation, et donc du bilan carbone, est placée parmi les priorités mondiales tel que le paquet énergie-climat 2020 de l'Union Européenne.Les systèmes ferroviaires font partie des plus grands consommateurs d'énergie. Des solutions électriques sont développées pour réduire les pertes dans ces systèmes, optimiser la consommation et donc réduire la facture énergétique globale. Étant donné la diversité de ces systèmes, deux catégories principales sont considérées. La première regroupe les lignes urbaines caractérisées par une électrification en mode DC et un trafic relativement dense. Dans ce cas, l'énergie de freinage brûlée dans les rhéostats des trains constitue une perte considérable. La solution proposée consiste à récupérer cette énergie à l'aide d'un DC micro-grid installé dans une station passager. Elle permettra une interaction avec son environnement non-ferroviaire comme par exemple réutiliser cette énergie pour charger des bus électriques hybrides stationnant à proximité. Ce micro-grid contient un premier convertisseur DC/DC qui récupère l’excès d'énergie de freinage d'un train et l'injecte dans un DC busbar. Un deuxième convertisseur DC/DC va ensuite la stocker dans un système de stockage hybride pour que le bus électrique puisse se charger une fois branché au DC busbar. Le micro-grid est relié au réseau par un onduleur réversible AC/DC de faible puissance. L'ensemble est géré localement par un système gestion de puissance. Une évaluation énergétique montre que cette solution est intéressante lorsqu’un investissement, station de charge, est nécessaire pour charger les bus. En plus, dans le cas du DC micro-grid, aucun contrat avec le fournisseur d’électricité n’est nécessaire. La stabilité du système est aussi étudiée et une commande de stabilisation, le backstepping, est appliquée. Ce nouveau concept d’une future station intelligente permettra au système ferroviaire de communiquer avec son environnement qui est en pleine évolution.La deuxième catégorie est constituée par les lignes régionales et les lignes à grandes vitesses fonctionnant en mode AC. Contrairement au cas précédent, l’excès d’énergie de freinage est renvoyé à travers les sous-stations d’alimentation. Par conséquence, une deuxième solution propose la réduction de la consommation totale par l’optimisation du profile de vitesse de chaque train et la synchronisation de la grille horaire. Ceci est réalisé à l’aide d’un algorithme d’évolution différentielle. Chaque profile de vitesse est découpé en zones auxquelles sont attribuées des paramètres de conduite. L'optimisation de ces derniers permet de générer un nouveau profile de conduite optimal. Les résultats montrent la possibilité de faire des économies d’énergie tout en respectant la ponctualité des trains
Increasing energy efficiency is nowadays a requirement in all technical fields. The reduction of global consumption, thus carbon footprint, has become the world's priority, as for example, the climate and energy package of the European Union.Railways' share of energy consumption is one of the highest. Electrical solutions are developed in order to reduce these systems' losses, optimize their consumption and reduce global energy bill. Given their diversity, two main categories are considered in this study. The first one consists of urban lines that are characterized by a DC electrification and a relatively dense traffic. In this case, braking energy burned in trains' rheostats represents the main share of losses. The proposed solution is to recuperate this energy using a DC micro-grid implemented in a passengers' station. It allows an interaction with the non-railway electrical environment, for example, re-using this energy in charging electric hybrid buses parked nearby. The excess of braking energy is recuperated using a DC/DC converter and injected into a DC busbar. A second DC/DC converter will store it in a hybrid storage system. It will then serve to charge the buses connected to the DC busbar. The micro-grid is also connected to the grid using a low power AC/DC converter. A power management system ensures optimizing power flow between different components. An energy evaluation showed that this solution is a good Investment especially because no contract is needed with the energy provider. The system's stability is studied and a stabilizing command, the backstepping, is applied. This new smart station allows railways to communicate, energetically, with its evolving environment.The second category is suburban and high speed lines that are AC electrified. Contrarily to the previous case, braking energy is reinjected to the upper grid through substations. Therefore, a second solution is to reduce global energy consumption by optimizing trains' speed profiles and timetable's synchronization. It is done using a differential evolution algorithm. Each speed profile is divided into zones to which are associated driving parameters. The optimization of the latter allowed generating new optimal speed profiles and a less-consuming timetable. Simulation results showed that it is possible to make important energy savings while respecting train's punctuality

Cette recherche se concentre sur l'optimisation d'un micro-réseau en interaction avec le réseau électrique intelligent. Il s'agit de la recherche de solutions optimales pour la conception d'un micro-réseau afin de minimiser les coûts, d'une part, et la possibilité augmenter 1'utilisation des sources renouvelables, d'autre part. La supervision, doit traiter la prise en compte des incertitudes dans la gestion prédictive optimisée des flux de puissance
This thesis study focuses on a DC microgrid building-integrated satisfying the power balance at the local level and supplying DC loads during both, grid-connected and isolated operation modes. Considering that energy management can be defined as a group of different control strategies and operational practices that together with the new physical equipment and software solutions aims to accomplish the objectives of energy management, the main objective of this thesis is to define the energy management strategies for the building-integrated DC microgrid, aiming to keep the bus voltage stable as well as to reduce the energy cost to the end users and the negative impact to the main grid. Therefore, this research work focuses to optimize and develop the implementation of the designed controller of building-integrated DC microgrid. The proposed DC microgrid consists of PV building-integrated sources, a storage system, a main grid connection for the grid-connected mode and a micro turbine for the off-grid or isolated mode, and a DC load (electric appliances of a tertiary building). The bidirectional connections with the main grid and the storage aim to supply the building’s DC appliances, and sell or store the energy surplus. The results validate the operation of the whole system, ensuring the capability of the proposed supervisory control to manage the energy power flow while ensuring voltage stability. Other goals concern the analyze of the proposed separation between optimization and real time power balance and the usage of the proposed load shedding/restoration algorithm in the microgrid environment are also validate. Regarding the technical contributions, the work of this thesis allowed the creation and the practical development of a test bench for microgrid based on PV sources emulator, which allows the repeatability conditions (closeness of the agreement between the results of successive measurements of the same solar irradiance and air temperature carried out under the same conditions of measurement) and reproducibility (closeness of the agreement between the results of measurements of the same solar irradiation and air temperature carried out under changed conditions of measurement). Numerous experimental tests were carried out and allowed the validation of the proposed concepts

L’objectif de cette thèse est d’étudier les pertes dans un micro-réseau urbain à courant continu ayant comme but principal l’amélioration de l’efficacité énergétique. Sachant qu’un tel micro-réseau multi-source consiste en plusieurs sources dont les natures sont très différentes, les convertisseurs statiques sont indispensables mais ils apportent des pertes de puissance. Ces pertes sont très variables en particulier avec les sources renouvelables comme les panneaux photovoltaïques. Dans la littérature le rendement du convertisseur est souvent traité comme une constante, mais des tests expérimentaux sont effectués pour prouver que le rendement est variable. Afin d’étudier les pertes en détail, un état de l’art sur les convertisseurs statiques a été effectué pour estimer les pertes en fonction de divers paramètres et variables. En considérant la précision d’estimation et la vitesse de calcul, un modèle énergétique moyen basé sur la fiche technique des composants utilisés est établi. Des tests expérimentaux sont effectués pour valider ce modèle sur les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC utilisés dans le micro-réseau. Grâce à la simplicité de ce modèle, il peut s’insérer dans le système du contrôle en temps réel. Par conséquent, des stratégies de pilotage du micro-réseau sont proposées pour prendre en compte le rendement variable dans le contrôle global et local du micro-réseau. Ces stratégies permettent d’avoir un délestage flexible des puissances dans le micro-réseau et d’accélérer la vitesse de convergence du contrôle, avec la connaissance des pertes de chaque convertisseur à chaque instant. Les résultats montrent que ces stratégies conduisent à la réduction du coût énergétique et améliorent légèrement le rendement global du micro-réseau
The object of the thesis is to study the power losses in an urbain DC microgrid in order to improve the energy efficiency. Noted that such a multi-source microgrid consist of several sources whose nature is different one from another, the static power converters are essential but they brings power losses. The power losses are quite variable in particular with the renewable energy source such as the photovoltaic panels. In the litteral works the converter efficiency is often treated as a constant, but experimental tests are carried out to show its variation. For the sake of study the power loss thoroughly, a state of art of the static converter is studied to develop a simple and fast estimation methode of power losses. Aiming at the tradeoff between the estimation accurancy and the calculation time, an averaged energy model is developped on the basis of the component datasheet. The experimental tests are carried out to validate the application of the model on the DC/DC and DC/AC converters used in the microgrid. Due to its simplicity, the model can be implemented in the real-time system. Thus the energy management strategies are proposed to interact with the variable efficiency on the high and low level control. These strategies are capable of shedding the powers in the microgrid with flexibility and accelerating the the convergency spped of control through the knowledge of power losses of each converter. The results show that the energy cost has decreased and the microgrid global efficiency is slightly improved

Le travail de recherche de cette thèse se concentre sur l’élaboration de deux modes de fonctionnement du microréseau à savoir : mode connecté au réseau, mode hors réseau comprenant les modes îloté et isolé. Le problème de la défaillance du réseau en mode connecté au réseau et la faible fiabilité de l'alimentation électrique en mode hors réseau doivent être résolues. Ainsi, le but de cette thèse est de proposer un microréseau DC combinant à la fois les avantages du mode connecté au réseau et ceux du mode isolé. On obtient ainsi un microréseau DC qu’on peut qualifier de complet. Le microréseau DC complet contient les sources d'énergie renouvelables, le stockage et le réseau public, et les sources de secours sont utilisées pour réduire le délestage. Dans ce microréseau DC, un système de supervision est proposé dans le but de gérer le flux des puissances. La gestion de la puissance en temps réel dans la couche opérationnelle du système de supervision permet de maintenir l'équilibre de puissance. Dans la couche d'optimisation du système de supervision, l'optimisation journalière est proposée afin de minimiser le coût d'exploitation global. Les résultats de la simulation montrent que le microréseau DC complet peut minimiser les coûts d'exploitation. Ensuite, le système de supervision prend en compte l'efficacité dynamique du convertisseur pour résoudre le problème lié à la qualité de la puissance du microréseau qui peut être dégradée à cause de la tension instable du bus DC. Les résultats de la simulation montrent que la prise en compte de l'efficacité dynamique du convertisseur dans la couche opérationnelle du système de supervision permet de réduire les fluctuations de la tension du bus DC. En ce qui concerne l'importance de la prédiction PV pour l'optimisation de la veille, deux modèles de prédiction sont étudiés et comparés pour donner une puissance de prédiction PV précise. Les résultats montrent que les deux modèles ont presque les mêmes résultats
This thesis focus on the research of the DC microgrid following two operation models: grid-connected mode, and off-grid mode including the islanded and isolated modes. The aim of this thesis is to propose a DC microgrid combining the advantages of the grid-connected or the off-grid mode, which named full DC microgrid. ln the full DC microgrid, the renewable energy sources, storage, and public grid are included, and the back-up sources also applied to reduce the load shedding. ln the full DC microgrid, a supervisory system is proposed to manage the power. The real-time power management in the operational layer of the supervisory system can keep the power balance. ln the optimization layer of the supervisory system, the day-ahead optimization is proposed to achieve the global minimal operation cost. The simulation results show that the full DC microgrid combines both advantages of the grid-connected and the off-grid mode to minimize the operating cost. Then, the supervisory system considers the dynamic efficiency of the converter to solve the problem that the power quality of the microgrid is degraded due to the unstable DC bus voltage caused by the inaccurate power control. The simulation results show that considering the dynamic efficiency of the converter in the operational layer of the supervisory system, the fluctuation of the DC bus voltage can be reduced. Regarding the importance of the PV prediction for the day-ahead optimization, two prediction modes are studied and compared to give a robust PV prediction power. The results are that the two models almost have the same results

L'intégration des sources d'énergies renouvelables sur le réseau électrique est complexe en raison de leur nature intermittente et décentralisée. Le micro-réseau est une approche prometteuse pour interconnecter des générateurs distribués (DGs) locaux, alimenter des charges locales et également échanger de l'énergie avec le réseau électrique de manière contrôlée. Ce mode de production/consommation locales permet d'éviter la transmission d'électricité sur de longues distances, et implique donc une plus grande efficacité. Ces travaux se concentrent sur l'analyse et le contrôle du micro-réseau continu afin que les DGs se répartissent l'alimentation des charges et qu'ils maintiennent également la tension du bus continu. À l'équilibre, les contraintesde la commande du statisme classique (droop control) pour un système comportant de multiples DGs sont analysés, et une méthode de compensation mixte est proposée pour améliorer simultanément le maintien en tension et le partage du courant de charge. En dynamique, le modèle global du système est construit en introduisant une inductance virtuelle dans le circuit équivalent du DG, puis plusieurs modèles d'ordre réduit sont examinés pour vérifier leur efficacité dans l'analyse de la stabilité du système. Un modèle multi-échelle d'ordre réduit (RMM) est proposé afin de conserver les contraintes temporelles ainsi que de réduire la complexité du système. Enfin, une méthode basée sur le contrôle de rejet de perturbation active (ADRC) est présentée afin de mettre en oeuvre le contrôle local de la tension des DG en prenant en compte l'échelle de temps. Cette méthode permet d'améliorer la dynamique du système de contrôle en ajustant la largeur de bande passante de la commande et de l'observateur. Les analyses et les méthodes de contrôle proposées sont vérifiées par des essais expérimentaux dans notre plateforme au laboratoire
The direct integration of renewable energy resources to the utility grid is pretty tough due to their intermittent feature and dispersed nature. Microgrid is one promising approach to gather the local distributed generators (DGs), supply local loads as well as exchange power with the utility grid as a controllable unit. This local-generation-localconsumption mode is able to avoid the long distance power transmission, thus can benefit a higher efficiency. The control aim of DC microgrids is to make the multiple DGs share the load properly as well as maintain the DCbus voltage stable. In steady state, the constrains of the classic droop control in multiple DGs environment are analyzed, and a mixed compensation method using common current is proposed to improve the voltage and load sharing performance simultaneously. In dynamic state, the system comprehensive model is constructed by the introduction of virtual inductor in the equivalent circuit of the DG, then several reduced-order models are examined to check their effectiveness for the system stability analysis. A reduced-order multi-scale model (RMM) is proposedto keep major time scale information as well as reduce the system complexity. Finally, an active disturbance rejection control (ADRC) based control method is proposed to realize the time scale droop control. It can effectively adjust the dynamic of the local control by adjusting the bandwidth of the Linear Extend State Observer or/and the controller. The proposed analysis and control methods are verified by experimental tests in our laboratory platform

Le développement rapide des véhicules électriques (EVs) augmente la demande de puissance, ce qui provoque une charge supplémentaire sur le réseau public et augmente les fluctuations de la charge. Par conséquent, la forte pénétration des EVs est freinée. Un algorithme simulé en temps réel et basé sur des règles est élaboré pour les bornes de recharge des EVs alimentées par un micro-réseau DC afin de faire face aux incertitudes du comportement des utilisateurs des EVs. L'algorithme prend en considération les choix arbitraires et aléatoires proposés via l'interface homme-machine. Les résultats de simulation sont obtenus sous MATLAB / Simulink et vérifient la faisabilité de la stratégie de gestion proposée. Cette stratégie présente de bonnes performances en garantissant un contrôle précis. Par ailleurs, les algorithmes d'optimisation de délestage et de la restauration des EVs (SROA) pour la recharge de la puissance de la batterie peuvent être utilisés pour répondre aux besoins des utilisateurs. Aussi les algorithmes SROA maintiennent l'équilibre de la puissance de la station de recharge des EVs. Les algorithmes SROA prennent en compte l'intermittence de la source photovoltaïque (PV), la limitation de capacité du stockage et la limitation de puissance du réseau public. En comparant les résultats de la simulation aux algorithmes basés sur les règles, les algorithmes SROA proposés respectent le choix de l'utilisateur, réduisent le temps de charge total, augmentent le plein débit et maximisent l'utilisation de la puissance disponible. Les résultats de la simulation montrent la faisabilité et l'efficacité des algorithmes SROA. En outre, une station de charge basée sur le PV pour les EVs peut participer à la résolution de certains problèmes liés au pic de puissance. D'autre part, la technologie de véhicule à réseau (V2G) est conçue et appliquée pour fournir des services auxiliaires au réseau pendant les périodes de pointe, et V2G considère la dualité de la batterie des EVs « charge et source ». Ainsi, un algorithme de recherche dynamique des pics et de vallées est proposé pour une station de recharge des EVs afin d'atténuer l'impact sur le réseau public. Cet algorithme réduit ainsi le coût énergétique du réseau public. Les résultats de la simulation démontrent bien l'efficacité de l'algorithme de recherche des pics et des vallées. L'algorithme peut garantir l'équilibre du réseau public, satisfaire la demande de charge des utilisateurs des EVs et, surtout, réduire le coût énergétique du réseau public
The rapid development of electric vehicles (EVs) increases the power demand, which causes an extra burden on the public grid increasing the load fluctuations, therefore, hindering the high penetration of EVs. A real-time rule-based algorithm for electric vehicle (EV) charging stations empowered by a DC microgrid is proposed to deal with the uncertainties of EV users’ behaviour considering its arbitrary and random choices through the human-machine interface, meanwhile considering most of the users’ choices. The simulation results obtained under MATLAB/Simulink verify the feasibility of the proposed management strategy that presents a good performance in terms of precise control. In addition, EV shedding and restoration optimization algorithms (SROA) for battery charging power can be used to meet user needs while maintaining EV charging station power balance, taking into consideration the intermittency of the photovoltaic (PV) source, the capacity limitation of the storage, and the power limitation of the public grid. The simulation results show that compared with rule-based algorithm, the proposed SROA respect the user's choice while reducing total charging time, increasing the full rate, and maximizing the available power utilization, which shows the feasibility and effectiveness of SROA. Furthermore, a PV based charging station for EVs can participate to solve some peak power problems. On the other hand, vehicle to grid (V2G) technology is designed and applied to provide ancillary services grid during the peak periods, considering the duality of EV battery “load-source”. So, a dynamic searching peak and valley algorithm, based on energy management, is proposed for an EV charging station to mitigate the impact on the public grid, while reducing the energy cost of the public grid. Simulation results demonstrate the proposed searching peak and valley algorithm effectiveness, which can guarantee the balance of the public grid, meanwhile satisfy the charging demand of EV users, and most importantly, reduce the public grid energy cost

La nature intermittente et aléatoire des sources renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, nécessite un complément de stockage, tel une batterie et un système de secours énergétique, tel un générateur diesel, en particulier dans un système autonome. En ce qui concerne le générateur diesel, il a besoin d'un certain temps pour démarrer et il ne peut pas donner immédiatement la puissance nécessaire, en raison de son comportement dynamique. Alors, la qualité de l'énergie est abaissée pendant cette période en raison du manque de puissance. Par conséquent, pendant la période de démarrage du générateur diesel, un supercondensateur est suggéré pour équilibrer la puissance en raison de sa réponse rapide et de sa densité de puissance élevée. Une stratégie de contrôle de puissance est proposée pour réaliser la coordination entre le générateur diesel et le supercondensateur. La simulation et les résultats expérimentaux montrent que la stratégie de contrôle proposée est capable de réguler la tension du bus continu dans des limites acceptables et d’alimenter la charge pendant la sous production d'énergie renouvelable ou lors d'augmentation de la demande de la charge. De plus, le supercondensateur peut également être utilisé pour surmonter les limites de stockage électrochimique telles que son état de charge et son courant maximal. Ainsi, cette thèse propose le contrôle de puissance en temps réel pour un micro réseau continu avec un système hybride photovoltaïque-batterie-supercondensateur-diesel, visant à répondre à la demande de puissance de charge avec fiabilité et à stabiliser de la tension du bus continu. La simulation et les résultats expérimentaux montrent également que la stratégie de contrôle améliore les performances dynamiques et statiques du micro réseau continu pour différentes conditions de fonctionnement. De plus, afin de minimiser le coût énergétique du groupe diesel, le coût du carburant et la consommation de carburant sont analysés à travers plusieurs tests expérimentaux. Par conséquent, la valeur optimale de sa production d'énergie est déduite et appliquée dans une nouvelle stratégie de gestion de la puissance est proposée. Cette stratégie peut atteindre l'objectif de maximiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïque et de prendre en compte la caractéristique de démarrage lent et le coût énergétique du générateur diesel. Les simulations et expérimentations sont réalisées en utilisant des données photovoltaïques réelles pour illustrer les performances et le comportement du système hybride. Les résultats obtenus vérifient l'efficacité de cette stratégie. De plus la comparaison avec la stratégie de gestion de la puissance précédente, dans laquelle le coût d’énergie du générateur diesel n'est pas pris en compte, démontre que la nouvelle stratégie de gestion peut réduire le coût total du système de puissance à courant continu hybride
The intermittent and random nature of renewable sources, such as photovoltaic and wind turbine, asks for the complement of storage, such as battery and back-up energy, such as diesel generator, especially in a standalone power system. Concerning the diesel generator, it needs some time to start up and cannot immediately offer the needed power, due to its dynamic behavior. Hence, the power quality is lowered down during this period because of the shortage of power. Therefore, during the period of the diesel generator starting up, a supercapacitor is suggested to compensate the power balance because of its fast response and high power density. A power control strategy is proposed to achieve the coordination between diesel generator and supercapacitor. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy is able to regulate the DC bus voltage within the acceptable limits and supplying the load during the renewable power under generation or load step-increase situations. In addition, the supercapacitor can be also used to overcome the electrochemical storage limits like its state of charge and maximum current. So, this thesis proposes the real time power control for a hybrid photovoltaic-battery-supercapacitor-diesel generator DC microgrid system, aiming to meet the load power demand with reliability and stabilizing the DC bus voltage. Both simulation and experimental results show that the designed control strategy improves the DC microgrid dynamic and static performances under different operating conditions. Furthermore, in order to minimize the diesel generator energy cost, the fuel cost and fuel consumption are analysed through several experimental tests. Therefore, the optimal value of its power generation is deduced and applied in a newly proposed energy management strategy. This strategy can achieve the goal of maximizing the utilization of photovoltaic energy and taking into account the slow start-up characteristic and energy cost of diesel generator. Both simulation and experimental studies are carried out by using the real photovoltaic data to illustrate the performance and the behavior of the hybrid system. The obtained results verify the effectiveness of this strategy. Furthermore, the comparison with the previous energy management strategy, in which the diesel generator energy cost is not considered, demonstrates that the newly proposed energy management strategy can reduce the total cost of the hybrid DC power system

Le réseau électrique actuel est confronté à plusieurs défis liés aux exigences environnementales, à l'augmentation de la demande mondiale d'électricité, aux contraintes de fiabilité élevées, à la nécessité d’une énergie décarbonisée et aux restrictions de planification. Afin d’évoluer vers un système d'énergie électrique respectueux de l’environnement et intelligent, les installations de production centralisées sont de nos jours transformées en de plus petites centrales de génération distribuées. Le concept de micro-réseau émerge ainsi. Le micro-réseau peut être considéré comme un système de distribution basse tension avec un ensemble de charges contrôlables et de ressources énergétiques distribuées, qui peuvent inclure de nombreuses sources d'énergie renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie. La gestion d’énergie d'un grand nombre de ressources énergétiques distribuées est nécessaire au bon fonctionnement d'un micro-réseau afin d’en assurer la stabilité, la fiabilité et la disponibilité. Par conséquent,un système de gestion d'énergie est au coeur de l'exploitation des micro-réseaux afin d’en assurer un développement économique et durable. À cet égard, cette thèse se focalise sur la proposition de modèles d'optimisation de système de gestion de l'énergie pour une exploitation optimale des micro-réseaux. Une gestion d’énergie optimale requiert la prise en compte de plusieurs contraintes techniques, économiques et environnementales. De plus, ces travaux de recherche prennent en considération un modèle pratique du coût de dégradation des batteries Li-ion. Le problème de gestion d’énergie optimale se traduit ainsi par un problème d’optimisation sous contraintes. La fonction objective regroupe le coût d'exploitation des générateurs distribués, le coût des émissions de gaz à effet de serre des sources de production conventionnelles, l’obligation d’une utilisation maximale des sources d'énergie renouvelables, le coût de dégradation des batteries, les différentes incitations afin de modifier le profil de la demande et des pénalités en cas de délestage. Les contraintes quant à elles sont liées aux contraintes techniques des différents sous-systèmes du micro-réseau. Par ailleurs, un modèle conceptuel complet à sept couches est également développé afin de fournir des informations normalisées sur la mise en oeuvre d’une nouvelle économie de l’énergie
The current electric power system isfacing the challenges of environmental protection,increasing global electricity demand, high reliability requirement, cleanliness of energy, and planning restrictions. To evolve towards green and smart electric power system, centralized generating facilities are now being transformed into smaller and more distributed generations. As a consequence, the concept of microgrid emerges, where a microgrid can operate as a single controllable system and can be assumed as a cluster of loads and distributed energy resources, which may include many renewable energy sources and energy storage systems. The energy management of large numbers of distributed energy resources is needed for reliable operation of microgrid system. Therefore, energy management is the fundamental part of the microgrid operation for economical and sustainable development. In this regard, this thesis focuses on proposing energy management optimization models for optimal operation of microgrid system that include proposed practical Li-ion battery degradation cost model. These different energy management models include objective functions of operating cost of distributed generators, emission cost of conventional generation source, maximum utilization of renewable energy sources, battery degradation cost, demand response incentives, and load shedding penalization cost, with microgrid component and physical network constraints. A comprehensive conceptual seven layer model is also developed to provide standardized insights in implementing real transactive energy systems