Contrôle ccopératif distribué pour micro-réseaux à courant continu

In recent years, the power grid has undergone a rapid transformation with the massive penetration of renewable and distributed generation units. The concept of microgrids is a key element of this energy transition. Microgrids are made up of a set of several distributed generation units (DGUs), storage units (SUs) and loads interconnected by power lines. A microgrid can be installed in several locations, for example in houses, hospitals, a neighborhood or village, etc. and operates either in connected mode to the main grid or in isolated (autonomous) mode.Microgrids are facing several challenges related to stability assurance, cyber-security, energy cost optimization, energy management, power quality, etc. In this work, we focus our attention on the control of islanded direct current microgrids. The main contribution is the design of a new $distributed$ control approach to $provably$ achieve current sharing, average voltage regulation and state-of-charge balancing simultaneously with $global\ exponential\ convergence$. The main tools are consensus in multi-agent systems, passivity, Lyapunov stability, linear matrix inequalities, etc.The thesis is divided into three parts. The First part presents the concept of microgrids, a literature review of their control strategies and the mathematical preliminaries required throughout the manuscript.The second part deals with the design of the proposed distributed control approach to achieve the considered objectives. The system is augmented with three distributed consensus-like integral actions. The existence of equilibrium points for the augmented system is proved and a distributed-based static state feedback control architecture is proposed. Starting from the assumption that the agents (DGUs or SUs) have the same physical parameters, we provide proof of global exponential convergence of the system state to the set of equilibria where the control objectives are achieved. Moreover, the proposed control approach is distributed, i.e., each agent exchange relative information with only its neighbors through sparse communication networks. A leader-follower approach is used to ensure the convergence of all the state-of-charge to a common reference available only for one SU which acts as a leader. This gives the possibility for high-level monitoring of the state-of-charge through an energy management strategy. The proposed controllers do not need any information about the parameters of the power lines neither the topology of the microgrid. The control objectives are reached despite the unknown load variation. In the third part, the proposed distributed controllers are assessed in different scenarios through Matlab/Simu- link simulation and real-time Hardware-in-the-Loop implementation tests. The results show that the control objectives are successfully achieved, illustrating the effectiveness of the proposed control methodology.Au cours des dernières années, le réseau électrique connait une transformation rapide avec la pénétration massive des unités de production renouvelables et distribuées. Le concept de microgrids (micro-réseau électrique) est un élément clés de cette transition énergétique. Ces micro-réseaux sont constitués par un ensemble de plusieurs unités de production distribuées (DGUs), d'unités de stockage (SUs) et de charges interconnectées par des lignes électriques. Un microgrid peut être installé dans plusieurs endroits, par exemple dans des maisons, des hôpitaux, un quartier ou un village, etc. et fonctionne soit en mode connecté au réseau principale, soit en mode isolé (autonome). Les microgrids sont confrontés à plusieurs défis liés à la garantie de la stabilité, la cybersécurité, l'optimisation des coûts énergétiques, la gestion de l'énergie, la qualité de l'énergie, etc. Dans ce travail, nous concentrons notre attention sur le contrôle des microgrids à courant continu en mode de fonctionnement autonome. La principale contribution de cette thèse est l’établissement de lois de commande par retour d’état distribuées assurant un partage de courant proportionnel entre les unités de production, une régulation de la tension moyenne des lignes et un équilibrage simultané des états de charge des éléments de stockage. La preuve de la convergence exponentielle et globale est donnée en l’absence d’une connaissance de la charge présente sur le réseau. Les principaux outils utilisés sont le consensus dans les systèmes multi-agents, la passivité, la stabilité de Lyapunov, les inégalités matricielles linéaires, etc.La thèse est divisée en trois parties. La première partie présente le concept des microgrids, un état de l’art sur leurs stratégies de contrôle et les préliminaires mathématiques nécessaires tout au long du manuscrit.La deuxième partie constitue la contribution théorique de cette thèse et aborde la synthèse de lois de contrôle distribuées, garantissant les objectifs envisagés en l’absence d’une connaissance de la charge variable sur le réseau. Cette garantie est apportée en considérant trois actions intégrales distribuées de type consensus. L'existence de points d'équilibre pour le système augmenté est alors prouvée et une commande distribuée par retour d'état statique est proposée. En partant de l'hypothèse que les agents (DGU ou SU) ont les mêmes paramètres physiques, nous apportons la preuve de la convergence exponentielle globale de l'état du système vers l'ensemble des équilibres où les objectifs de contrôle sont atteints.De plus, l'approche de contrôle proposée est distribuée, c'est-à-dire que chaque agent n'échange que des informations relatives avec ses voisins par le biais de réseaux de communication. Une approche leader-follower est utilisée pour assurer la convergence de tous les états de charge vers une référence commune. Cela donne la possibilité d'un suivi de haut niveau de l'état de charge grâce à une stratégie de gestion de l'énergie. Les contrôleurs proposés n'ont besoin d'aucune information sur les paramètres des lignes électriques ni sur la topologie du microgrid. Les objectifs de contrôle sont atteints malgré la variation inconnue de la charge.Dans la troisième partie, les contrôleurs distribués proposés sont évalués dans différents scénarios par le biais de simulation Matlab/Simulink et de tests Hardware-in-the-Loop (HIL) en temps réel. Les résultats montrent que les objectifs de contrôle sont atteints avec succès, ce qui illustre l'efficacité de la méthodologie de contrôle proposée