Advances in nonlinear observer design for state and parameter estimation in energy systems

Abstract

(English) Critical energy challenges are forcing a rapid modification of the current energy infrastructure. lndeed, larger renewable energy penetration, more distributed generation and storage, and higher degree of autonomy are to be expected. In this new context, energy systems are frequently required to modify its current set-point and/or control inputs, in arder to address a continuously changing energy demand/generation and/or reduce the effect of external disturbances. Technical, physical and economical constraints limit the amount of sensors that can be incorporated in energy systems. Consequently, there will be significant fluctuations of multi-dimensional unmeasured internal variables during the system operation, which have to be adequately monitored by the proper estimation algorithms. Motivated by this aspect, this Ph.D work explores the idea of implementing observers in energy systems. Specifically, the Ph.D work studies the design of continuous-time nonlinear observers that can operate in systems with strong nonlinearities, significant measurement noise and parametric uncertainty. The first part of the work presents the nonlinear observer design in presence of measurement noise and unmodelled disturbances in a unified framework. As specific case studies, this part explores the high-gain observer (and its more modern modifications) and the parameter estimation-based observer. In the second part of the work, the idea of implementing filters to reduce the effect of measurement noise is studied. In this part, multiple filter architectures are studied and proposed, and the stability conditions for the observer filter/coupling are provided. The third part explores the idea of reducing parametric uncertainty by means of an adaptive redesign. Multiple limitations are identified in the adaptive redesign approach and sorne solutions are proposed to relax them. In the last two parts, the developed theory is implemented to salve two relevant practica! problems in energy systems. The first part is related to a monitoring problem in a hydrogen polymer electrolyte membrane fuel cell. The second one consists in a cybersecurity problem in a DC-microgrid with unknown constant power loads. The proposed solutions are validated through numerical simulations and in a real experimental prototype.

(Català) Els reptes energètics recents estan forçant una ràpida modificació de l'actual infraestructura energètica. En efecte, és esperable una major penetració d'energies renovables, una generació i un emmagatzematge més distribuït, i un nivell d'autonomia més elevat. En aquest nou context, els sistemes energètics requereixen una major freqüència de canvi de punt d'operació i/o entrades de control, per així gestionar una demanda/consum que varia contínuament i/o reduir l'efecte de pertorbacions externes. Limitacions tècniques, físiques i econòmiques restringeixen la quantitat de sensors que es poden incorporar en un sistema energètic. En conseqüència, hi haurà variables internes multi-dimensionals no mesurables que fluctuaran significativament durant l'operació del sistema, i que s'hauran de monitorar de forma adequada mitjançant l'aplicació d'algorismes d'estimació. Motivat per aquesta problemàtica, aquesta tesi doctoral explora la idea d'implementar observadors en sistemes energètics. Específicament, aquesta tesi doctoral estudia el disseny d'observadors no lineals en temps continu que poden operar en sistemes amb no-linealitats fortes, una quantitat significativa de soroll de mesura i incertesa paramètrica. La primera part d'aquest treball presenta el disseny d'observadors no lineals, en presència de soroll de mesura i pertorbacions/incertesa no modelades, en un marc unificat. Com a casos d'estudi, aquesta part explora l'observador d'alt guany (i les seves modificacions més modernes) i l'observador basat en estimació de paràmetres. En la segona part d'aquest treball, s'estudia la idea d'implementar filtres per a reduir l'efecte del soroll de mesura. En aquesta part, diferents arquitectures de filtres es proposen i s'estudien, i es proporcionen les condicions d'estabilitat de l'acoblament filtre/observador. La tercera part explora la idea de reduir la incertesa paramètrica a través d'un redisseny adaptatiu. Aquesta part identifica múltiples limitacions de les aproximacions basades en redissenys adaptatius i es proposen algunes solucions pera relaxar-les. En les últimes dues parts, la teoria desenvolupada s'aplica per a resoldre dos problemes rellevants en sistemes energètics. La primera part se centra en el problema de monitorar una pila de combustible d'hidrogen de membrana polimèrica. La segona part consisteix en un problema de ciberseguretat en una microxarxa DC amb càrregues de potència constant desconegudes. Les solucions proposades es validen mitjançant simulació numéèrica i en un prototip experimental real.