Lorraine Université d'Excellence (LUE)

LUE - Gestion énergétique des microgrids DC évolutives : une approche plug&play

2022-09-01
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Mots clés

electronique de puissance , modelisation et controle des convertisseurs statiques, microgrid, controle par passivité, contrôle distribué

Détail de l'offre

L'objectif de ce sujet de thèse consiste à développer de nouvelles compétences sur les applications multi-stacks à la fois pour des applications embarquées (systèmes de transport lourds plus électriques) ou stationnaires (microgrids DC). 

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est un défi pour notre planète. Le Parlement européen a voté une réduction de 60% des émissions, initialement fixée à 40%. Nous devons recourir à l'installation de sources décentralisées d'origine renouvelable par nature destinées à des applications stationnaires dans le secteur du bâtiment. Elles sont composées de sources/charges (solaire photovoltaïque, pile à combustible, électrolyseur) associées à des éléments de stockage (batterie, réservoir d'hydrogène) afin de répondre à ce défi sociétal [Guerrero13]. 

Les stratégies de gestion de l'énergie peuvent être centralisées, distribuées ou décentralisées et cherchent à assurer la stabilité et le fonctionnement optimal (maximisation du rendement, respect des contraintes, etc. [Afkar22, Ettihir17, Kong20, Shtessel20], [Siangsanoh21]). Ce contrôle doit donc assurer la coordination des flux de puissance entre les sources et les éléments de stockage pour garantir un point de fonctionnement optimal, notamment en présence de sources dont le rendement énergétique est antagoniste à une gestion efficace des flux de puissance ou à un fonctionnement à puissance maximale. Ceci est particulièrement significatif pour une pile à combustible et un électrolyseur [Ettihir17]. La solution classique consiste à utiliser un contrôle centralisé qui permet d'obtenir les meilleures performances mais nécessite un réseau de communication à large bande passante et une unité de contrôle centrale. Les principaux inconvénients sont le point de défaillance unique lié à la perte du réseau de communication ou aux défaillances de l'unité de contrôle. De plus, cette approche n'est pas compatible avec une architecture évolutive pour laquelle la nature du système n'est pas parfaitement connue. Ainsi, dans cette thèse, le principal défi scientifique sera de concevoir un contrôle décentralisé d'un micro-réseau DC dont la topologie peut évoluer dans le temps (ajout/suppression de sources et de charges, modes de fonctionnement connectés ou insulaires). Le contrôle doit partager équitablement la puissance entre les sources sans réseau de communication (contrôle décentralisé primaire). Il doit également garantir la stabilité dynamique globale du réseau quelle que soit son architecture [Pang19a, Pang19b, Hilairet15]. Si un réseau de communication à faible bande passante est disponible (mode distribué), la commande développée devra intégrer les contraintes liées à l'efficacité énergétique et à la durabilité des sources électriques ou des systèmes de stockage [Yue19] (batterie, réservoir d'hydrogène, empilement de piles à combustible). Sur ce dernier point, les études de stabilité et de stabilisation restent souvent locales [Tahim15], [Gui2021] et ne permettent pas de comprendre le comportement du micro-réseau lors de perturbations d'amplitude non négligeable ou lorsque sa topologie est reconfigurable. Dans cette thèse, nous voulons étendre les travaux de Benhamed21 (bourse LUE) et de Pang20 (prix de la meilleure thèse 2021 de l'école doctorale UL-IAEM) à ce type de système avec des systèmes multi-sources, multi-stockages et multi-charges. Le concept de passivité sera étudié pour obtenir simultanément la propriété plug&play mais aussi garantir la stabilité de l'ensemble du micro-réseau et le contrôle primaire du micro-réseau DC. Pour le niveau de contrôle secondaire du contrôle hiérarchique proposé ([Guerrero11]), une approche de consensus sera utilisée si un lien de communication est disponible pour optimiser la gestion énergétique du micro-réseau et permettra d'atteindre des objectifs globaux comme l'état de charge global ou la disponibilité énergétique.

Profil du candidat

Master ou diplôme d’ingénieur en Génie Electrique avec des compétences fortes en électronique de puissance , modélisation et commande des convertisseurs statiques. Des connaissances sur la modélisation des réseaux électriques et la commande distribuée par consensus seront appréciées.

Pour toute thèse proposée au sein de l'ED, le futur doctorant devra bien être titulaire d’un master avec au moins une mention AB. 
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger) le conseil de l’ED examine le dossier comportant :
- le CV du candidat et lettre de motivation 
- les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
- 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
- des éléments tangibles sur l’initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).

Référence biblio

References

[Afkar22] M. Afkar, R. Gavagsaz-Ghoachani, M. Phattanasak, J. -P. Martin and S. Pierfederici, “Proposed System Based on a Three-Level Boost Converter to Mitigate Voltage Imbalance in Photovoltaic Power Generation Systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 37, no. 2, pp. 2264-2282, Feb. 2022.
[Benhamed21] Sif-eddine BENHAMED , « Decentralised intelligent control for multi-carrier microgrids applications », PhD thesis, LUE grant.
[Ettihir17] K. Ettihir, M. Higuita Cano, L. Boulon, K. Agbossou, “Design of an adaptive EMS for fuel cell vehicles,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 42, pp. 1481-1489, 2017.
[Guerrero11] J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, J. Matas, L. G. De Vicuña, and M. Castilla, “Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids - A general approach toward standardization,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 1, pp. 158-172, 2011, doi: 10.1109/TIE.2010.2066534.

[Guerrero13] J.M. Guerrero, M. Chandorkar, T.L. Lee, P.C. Loh, “Advanced controls architectures for intelligent microgrids-Part I : decentralized and hierarchical control”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60 (4), pp.1254-1262, 2013.
[Gui2021] Y. Gui, R. Han, J. M. Guerrero, J. C. Vasquez, B. Wei, and W. Kim, “Large-Signal Stability Improvement of DC-DC Converters in DC Microgrid,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 8969, no. c, 2021, doi: 10.1109/TEC.2021.3057130. 
[Hilairet15] M. Hilairet, O. Béthoux, M. Ghanes, V. Tanasa, J-P. Barbot, D. Normand-Cyrot, “Experimental validation of a sampled-data passivity-based controller for coordination of converters in a fuel cell system,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 62, N°8, pp. 5187-5194, August 2015. (10.1109/TIE.2014.2362497).
[Kong20] S. Kong, M. Bressel, M. Hilairet, R. Roche, ``Advanced passivity-based, aging-tolerant control for a fuel cell/super-capacitor hybrid system,'' Control Engineering Practice, Vol. 105, 2020 (https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2020.104636).
[Pang19a] S. Pang, B. Nahid-Mobarakeh, S. Pierfederici, J.-P. Martin, Y. Huangfu, G. Luo, and F. Gao, “Improving the stability of cascaded dc-dc converter systems via the viewpoints of passivity-based control and port-controlled Hamiltonian framework,” in 2019 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Baltimore, MD, USA, Sep. 2019, pp. 1-6.
[Pang19b] S. Pang, B. Nahid-Mobarakeh, S. Pierfederici, M. Phattanasak, Y. Huangfu, G. Luo, and F. Gao, “Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control Applied to On-Board DC-DC Power Converter System Supplying Constant Power Load,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 6, pp. 6476-6485, Nov.-Dec. 2019.
[Pang20] PANG Shengzhao, « Stability Analysis, dynamic consideration and active stabilization of DC microgrids with constant power loads » PhD UL 2020.
[Shtessel20] Y.B. Shtessel, M. Ghanes, R.S. Ashok, “Hydrogen Fuel Cell and Ultracapacitor Based Electric Power System Sliding Mode Control: Electric Vehicle Application ,” ENERGIE, 2020 (https://doi.org/10.3390/en13112798).
[Siangsanoh21] A. Siangsanoh, M. Bahrami, W. Kaewmanee, R. Gavagsaz-Ghoachani, M. Phattanasak, J.P. Martin, B. Nahid-Mobarakeh,M. Weber, S. Pierfederici, G. Maranzana, S. Didierjean, “Series hybrid Fuel cell/Supercapacitor Power source,” Mathematics and Computers in Simulation, vol. 184, June 2021, pp. 21-40.
[Tahim15] A.P. Nobrega Tahim, D. J. Pagano, E. Lenz, and V. Stramosk, “Modeling and Stability Analysis of Islanded DC Microgrids Under Droop Control”, IEEE Transactions on power electronics, vol.30, no.8 august 2015.
[Yue19] M. Yue, S. Jemei, N. Zerhouni, “Health-Conscious Energy Management for Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles Based on Prognostics-Enabled Decision-Making”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 68 (12), pp. 11483-11491, 2019.

Détails de l'offre

Titre
LUE - Gestion énergétique des microgrids DC évolutives : une approche plug&play
Localisation
34 Cours Léopold Nancy, France
Publié
2022-04-06
Date limite d'inscription
2022-09-01
Type de poste
PhD
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