Integration of distributed generation along with energy storage system to reduce the high penetration impacts of renewable energy sources into the power grid.

Rahman, Md Jahidur (2024). Integration of distributed generation along with energy storage system to reduce the high penetration impacts of renewable energy sources into the power grid. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1560

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Résumé

Compte tenu du comportement aléatoire et fluctuant des sources d'énergie renouvelable (SER), l'équilibre entre la génération et la demande ne sont pas faciles à contrôler. Par conséquent, la stabilité dynamique du flux d'énergie et le contrôle de la fréquence deviennent de plus en plus difficiles en raison des impacts de la pénétration élevée des SER dans les micro-réseau électrique. Des stratégies de contrôle des convertisseurs/onduleurs avec filtre sont nécessaires pour maintenir l'alimentation électrique appropriée dans l'ensemble du micro-réseau. L'objectif de notre travail est d'explorer les aspects critiques de la génération distribuée (GD), de l'intégration des énergies renouvelables et des systèmes de stockage de l'énergie, en mettant l'accent sur l'amélioration de l'efficacité du réseau électrique tout en minimisant la pollution atmosphérique. Cette thèse reconnaît les avantages environnementaux et économiques de la GD tout en soulignant les défis inhérents à la gestion des sources d'énergie renouvelable fluctuantes. Un algorithme de contrôle pour un système de stockage d'énergie hybride diesel-éolien à forte pénétration est conçu pour maintenir la stabilité dynamique du flux d'énergie et le contrôle de la fréquence du réseau. Les principaux résultats comprennent la réduction efficace du temps de transition dans le flux d'énergie éolienne et des fluctuations de fréquence. D'autre part, cette étude répond aux défis posés par la nature intermittente des SER et leur impact sur la stabilité dynamique et le contrôle de la fréquence. Nous avons introduit un algorithme de contrôle utilisant la logique floue pour un système de stockage d'énergie éolienne en utilisant la méthode de partage de puissance. En comparant cette approche au contrôleur conventionnel, l'algorithme proposé a démontré des améliorations substantielles dans la réduction du temps de transition dans le flux d'énergie éolienne et des fluctuations de fréquence. Dans le cadre de cette thèse, une étude complète de divers convertisseurs statiques est réalisée afin de déterminer le dispositif de stockage d'énergie le plus approprié pour les applications de réseaux intelligents. Ce système de stockage joue un rôle essentiel dans le maintien de la stabilité du réseau tout en minimisant les pertes d'énergie. L'objectif est d'identifier le dispositif de stockage d'énergie le plus adapté à cette application. Les avantages de cette technologie sont d'une grande efficacité et fiabilité, qui peuvent connecter diverses sources d'énergie et réduire les pertes de conduction dans les convertisseurs de puissance. On a analysé l'efficacité et la fiabilité de différents convertisseurs et évalué leur performance dans des conditions de charge et de décharge du système de stockage. Les plages de fonctionnement des convertisseurs élévateur-abaisseur, abaisseur-élévateur et abaisseur-élévateur (-Vout) ont été analysées pour optimiser le système de stockage d'énergie. Cette thèse présente également une analyse complète d'un schéma de simulation qui exploite un système solaire composé de panneaux photovoltaïques intégrés au réseau électrique, à diverses charges, et à un dispositif de stockage d'énergie. Après la modélisation des panneaux photovoltaïques et de leurs caractéristiques opérationnelles, un filtre adaptatif est développé pour atténuer les fluctuations du courant d'entrée. On a exploré en outre l'efficacité et les mécanismes de contrôle des convertisseurs de puissance et des onduleurs, facilitant ainsi l'intégration du système de stockage d'énergie avec le réseau électrique. Plusieurs techniques de contrôle non linéaires sont utilisées pour évaluer les performances du système avec différentes configurations, y compris un onduleur simple, un filtre multi-variable, un filtre passe bande et une configuration sans filtre. Cette recherche nous a permis de proposer une régulation efficace du bus DC au sein du réseau électrique. L'avantage clé de ces régulateurs non linéaires est leur capacité à compenser la puissance réactive et les courants harmoniques, ce qui se traduit par un réseau électrique sans perturbations et une réduction du taux de distorsion harmonique totale (DHT) des onduleurs, améliorant finalement l'efficacité globale du réseau électrique. Cette thèse apporte des connaissances précieuses pour optimiser les performances des systèmes éoliens et solaires ainsi que du dispositif de stockage d'énergie, et leur intégration au réseau grâce à des techniques de contrôle et de filtrage avancées, avec des implications significatives pour l'amélioration de la stabilité et de la fiabilité des sources d'énergie renouvelable dans le réseau électrique.

Abstract
Being the fluctuation behavior of Renewable Energy Sources (RESs), generation, balance, and demand are not easy tasks to control because it is not desirable to have constant power generation from RESs due to natural prospects. As a result, the dynamic stability of power flow and control of frequency is becoming more challenging due to the high penetration impacts of RESs. Control strategies of converter/inverter with filter are also required to maintain the proper power supply in the entire microgrid where energy storage device plays crucial roles. The objective of this study is to explore critical aspects of distributed generation (DG), renewable energy integration, and energy storage systems, focusing on enhancing power network efficiency while minimizing power losses and environmental air pollution. This doctoral thesis acknowledges the environmental and economic benefits of distributed generation (DG) while highlighting the inherent challenges in managing fluctuating renewable energy sources (RESs). A control algorithm for a high-penetration hybrid diesel-wind-based energy storage system is designed to maintain dynamic stability in power flow and control network frequency. The key findings include the effective reduction of transient time in wind power flow and frequency fluctuations through the use of an integral-derivative (I-D) controller. On the other hand, it recognizes the challenges posed by the intermittent nature of renewable energy sources (RESs) and their impact on dynamic stability and frequency control. This thesis introduced a control algorithm employed with a Fuzzy Logic (FL) controller for a wind-based energy storage system using the power-sharing method. By comparing this approach to the traditional Proportional Integral Derivative (PID) controller, the study demonstrated substantial improvements in reducing transient time in wind power flow and frequency fluctuations. A storage system (battery) plays a crucial role in maintaining network stability while minimizing energy losses. As a part of this thesis, a comprehensive survey of various DC-DC converters is done to determine the most suitable energy storage device for smart grid applications. The main objective is to identify this application's most appropriate energy storage device. The advantages of this technology are high efficiency and reliability, which can connect various energy sources and reduce conduction losses in the power converters. The study analyzed the efficiency and reliability of different converters and evaluated their performance in charging and discharging conditions of a battery. The operating ranges of boost-buck, buck-boost, and buck-boost (-Vout) converters are analyzed to optimize the energy storage system. This doctoral thesis also presents a comprehensive analysis of a simulation scheme that leverages a solar system composed of photovoltaic (PV) panels integrated with the electrical grid, various loads, and an energy storage device. The research begins by investigating the modeling of PV panel cells and their operational characteristics. Subsequently, an adaptive notch filter synthesis is developed to mitigate input current fluctuations. The research further explores the efficiency and control mechanisms of power converters and inverters, facilitating the seamless integration of the energy storage system with the electrical grid. Multiple simulations are conducted, employing nonlinear control techniques to evaluate the performance of the system with different configurations, including a simple inverter, a multi-variable filter, a notch filter, and a filter-less setup. The research aims to achieve effective regulation of the DC bus within the proposed grid. The key advantage of these nonlinear controllers is their ability to compensate for reactive power and harmonic currents, resulting in a disturbance-free power network and a reduction in the Total Harmonic Distortion (THD) rate of the inverters, ultimately enhancing the overall efficiency of the power grid. This thesis contributes valuable insights into optimizing the performance of wind and solar systems along with energy storage device and their integration with the grid through advanced control and filtering techniques, with significant implications for improving the stability and reliability of renewable energy sources in the power grid.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Tafticht, Tahar
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Doumbia, Mamadou Lamine
Informations complémentaires:	Institution en extension : Université du Québec à Chicoutimi
Mots-clés libres:	sources d'énergie renouvelable, génération distribuée, stabilité dynamique, contrôle du flux d'énergie, contrôle de la fréquence, systèmes de stockage d'énergie, efficacité du réseau, pertes d'énergie, régulateur logique floue, régulateur PID, convertisseurs DC-DC, réseau intelligent, efficacité, fiabilité, panneaux photovoltaïques, filtre encoche, contrôleur non linéaire, distorsion harmonique totale. renewable energy sources, distributed generation, dynamic stability, power flow control, frequency control, energy storage systems, network efficiency, power losses, air pollution, integral-derivative controller, fuzzy logic controller, PID controller, DC-DC converters, smart grid, efficiency reliability, photovoltaic panels, notch filter, nonlinear controller, total harmonic distortion.
Divisions:	Génie > Doctorat en ingénierie
Date de dépôt:	01 mai 2024 13:28
Dernière modification:	01 mai 2024 13:28
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1560

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