Energy management in collaborative power electronics-based microgrid integrated with renewable energies

Abstract

(English) This thesis is introduced the research performed on microgrid applications, especially in cooperative operating mode. The research is conducted considering two main challenging aspects of microgrid operation over the last years. The reliable and optimum operation of microgrids is surveyed by focusing on: energy management systems, specifically in collaborative microgrid operation and robust power electronics interfaces. This thesis presents a comprehensive review of optimization methods for individual and community microgrids. In addition, different control strategies applied in microgrid systems are studied. The potential pros and cons of various control strategies are analyzed, and the background studies bring brilliant and smart solutions for optimal control in a networked microgrid. A supervised and unsupervised learning clustering is developed in order to control a networked microgrid consisting of industrial, commercial, and residential microgrids. The clustering algorithms are performed based on the maximum load demand and operating reserve of the microgrid. Furthermore, a component size procedure for dispatchable units in a networked microgrid is presented. The proposed algorithm evaluates the component size considering the operating reserve of microgrids. To diminish the adverse effect of component size reduction on microgrids’ reliability, the proposed reduced factor is modified by the peak load and correlation of load profile. Optimal operation, new topology, and new control methods for various power electronics interfaces for microgrid applications are presented in the following. The optimal operation of the LLC resonant converter is investigated considering the load variation and switching frequency. Then, a modified cascaded high step-up Z-source DC-DC converter with high voltage gain and low voltage stress is proposed. Eventually, a novel control method for a single-phase Z-source inverter is presented. A feed-forward neural network predicts the forced response of the generalized predictive control to enhance the transient performance of the inverter.

(Català) En aquesta tesi es presenta la recerca realitzada en aplicacions de microxarxes, especialment en mode de funcionament cooperatiu. La investigació es porta a terme considerant dos aspectes de l'operació de les microxarxes que han estat fonamentals durant els últims anys. El funcionament fiable i òptim de les microxarxes s'estudia centrant-se en els sistemes de gestió d'energia, específicament en el funcionament col·laboratiu de microxarxes i en les interfícies d'electrònica de potència robustes. Aquesta tesi presenta una revisió exhaustiva dels mètodes d'optimització per a microxarxes individuals i comunitàries. A més, s'estudien diferents estratègies de control aplicades en sistemes de microxarxes. S'analitzen els avantatges i els inconvenients potencials de diverses estratègies de control i els estudis de fons aporten noves solucions per a un control òptim en una microxarxa connectada a la xarxa de distribució. Es desenvolupa una estratègia d’agrupació basada en aprenentatge supervisat i no supervisat per controlar una microxarxa connectada a xarxa i formada per microxarxes industrials, comercials i residencials. Aquestes agrupacions es realitzen en funció de la demanda de càrrega màxima i de la reserva operativa de la microxarxa. A més, es presenta un procediment de dimensionament dels elements per a unitats distribuïbles en una microxarxa connectada a la xarxa. L'algorisme proposat avalua el dimensionat de l’element tenint en compte la reserva operativa de les microxarxes. Per disminuir l'efecte advers de la reducció de la mida dels elements sobre la fiabilitat de les microxarxes, el factor de reducció proposat es modifica atenent a la càrrega màxima i a la correlació del perfil de càrrega. A continuació es presenten un funcionament òptim, una nova topologia i uns nous mètodes de control de diverses interfícies d'electrònica de potència per a la seva aplicació en microxarxes. El funcionament òptim del convertidor ressonant LLC s'investiga tenint en compte la variació de càrrega i la freqüència de commutació. A continuació, es proposa un convertidor DC-DC de font Z en cascada modificat d'alt guany en tensió i baixa tensió d’estres en els interruptors. Finalment, es presenta un nou mètode de control per a un inversor de font Z monofàsica. Una xarxa neuronal feed-forward prediu la resposta forçada del control predictiu generalitzat per millorar el rendiment transitori de l'inversor.