Étude expérimentale du contrôle hiérarchique dans les micro-réseaux à courant continu à l’aide d’un simulateur en temps réel

Résumé

Cet article présente un micro-réseau DC avec contrôle hiérarchique implémenté dans un simulateur, OPAL RT-Lab. Il détaille la modélisation des circuits, les stratégies de contrôle primaire et secondaire et la validation expérimentale. Les résultats démontrent une performance de contrôle efficace, soulignant l’importance d’une plate-forme expérimentale robuste pour la recherche et le développement de microréseaux.

Résumé

L’essor des sources d’énergie renouvelables a souligné l’importance des micro-réseaux, en particulier des variantes CC, qui sont bien adaptées à l’intégration de panneaux photovoltaïques, de systèmes de stockage de batteries et d’autres solutions de charge CC. Cet article présente le développement et l’expérimentation d’un micro-réseau DC avec contrôle hiérarchique mis en œuvre dans OPAL RT-Lab, un simulateur. Le microréseau comprend des ressources énergétiques distribuées (RED) interconnectées via des convertisseurs de puissance, un bus CC et des charges CC. La commande primaire utilise un mécanisme de contrôle de l’affaissement et une commande proportionnelle-intégrale (PI) à double boucle pour réguler la tension et le courant, assurant ainsi un fonctionnement stable et un partage proportionnel de la puissance. La commande secondaire utilise une stratégie consensuelle pour coordonner les RED afin de rétablir la tension du bus et d’assurer un partage précis de l’alimentation, améliorant ainsi la fiabilité et l’efficacité du système. La configuration expérimentale détaillée dans cet article comprend la modélisation des circuits, la mise en œuvre du matériel et les stratégies de contrôle. Les paramètres des circuits et du contrôleur de la plate-forme matérielle sont spécifiés, et les résultats peuvent être observés à l’aide de mesures d’oscilloscope. Deux séries d’expériences démontrant la réponse de contrôle secondaire avec et sans délai sont menées pour valider l’efficacité de la stratégie de contrôle. Les résultats confirment la mise en œuvre réussie du contrôle hiérarchique dans le micro-réseau. Cette étude souligne l’importance d’une plate-forme expérimentale complète pour faire progresser la technologie des microréseaux, fournissant des informations précieuses pour la recherche et le développement futurs.

Introduction

Avec le développement rapide des sources d’énergie renouvelables, les micro-réseaux ont attiré l’attention à l’échelle mondiale¹. Ils permettent l’intégration de ressources énergétiques distribuées (RED), telles que l’énergie solaire photovoltaïque (PV), ainsi que de systèmes de stockage d’énergie (ESS), dans le réseau, soutenant ainsi la transition vers une énergie durable et renouvelable. En tant qu’élément essentiel de l’intégration des énergies renouvelables, les micro-réseaux à courant continu ont suscité une attention considérable en raison de leur compatibilité avec la nature CC inhérente aux systèmes photovoltaïques, aux batteries et aux autres DER. Le fonctionnement en courant continu réduit le besoin de plusieurs conversions d’énergie, ce qui peut améliorer l’efficacité et la fiabilité globales du système. Par conséquent, les micro-réseaux à courant continu présentent une voie prometteuse pour optimiser l’intégration des énergies renouvelables².

Il est largement reconnu que la simulation et les études expérimentales sont cruciales pour faire progresser la technologie des microréseaux. Les simulations permettent aux chercheurs ou aux ingénieurs de modéliser et d’analyser divers scénarios et stratégies de contrôle dans un environnement virtuel, rentable et sans risque. Cependant, l’expérimentation dans le monde réel est tout aussi importante car elle valide ces modèles et théories, révélant des défis pratiques et des comportements dynamiques que les simulations pourraient ne^{pas capturer} complètement3. Malgré les connaissances acquises grâce aux simulations, des expériences pratiques sur les micro-réseaux sont nécessaires pour résoudre les problèmes qui découlent des implémentations physiques. Ces expériences aident à comprendre les caractéristiques opérationnelles, la dynamique de contrôle et les interactions entre différents composants dans un cadre réel⁴. Compte tenu de leur petite échelle et de leur nature modulaire, les micro-réseaux offrent une solution plus gérable et évolutive pour mener ces études expérimentales vitales par rapport aux réseaux électriques traditionnels à grande échelle, qui sont trop étendus et complexes pour une expérimentation pratique. Par conséquent, la réalisation d’expériences physiques sur des micro-réseaux est essentielle pour faire progresser notre compréhension et nos capacités dans ce domaine.

Dans un micro-réseau CC typique, divers DER sont connectés à un bus CC via des convertisseurs de puissance. Cette configuration facilite l’échange direct de l’alimentation sans avoir besoin de plusieurs conversions DC-DC ou AC-DC⁵. Ces convertisseurs de puissance régulent la tension et le courant, assurant un transfert de puissance efficace et une stabilité. Le bus CC sert de nœud central, distribuant l’alimentation aux différentes charges connectées au système. Les lignes de transmission fournissent les voies nécessaires à la circulation de l’énergie entre les DER, les convertisseurs et les charges, en maintenant une alimentation électrique stable et fiable au sein du micro-réseau. Pour gérer efficacement le fonctionnement d’un micro-réseau à courant continu, une structure de contrôle hiérarchique est souvent utilisée⁶. Cette structure est généralement divisée en trois niveaux : le contrôle primaire, secondaire et tertiaire, chacun ayant des fonctions et des responsabilités distinctes.

Le contrôle primaire se concentre sur la régulation immédiate de la tension et du courant au sein du microréseau CC, assurant la stabilité et le bon partage du courant et de la puissance entre les DER. Le contrôle primaire le plus courant est le contrôle de l’affaissement. Comparé à d’autres commandes primaires, il est sans communication et a une réponse rapide. Cependant, en raison de sa caractéristique d’affaissement , le contrôle d’affaissement peut provoquer une déviation de tension et est incapable de maintenir la tension à la valeur nominale. Dans le même temps, à mesure que la charge et le nombre de DER augmentent, la précision du partage de courant diminue. Par conséquent, un contrôle secondaire supplémentaire est nécessaire pour la restauration de la tension et la régulation du courant. La commande secondaire rétablit les points de fonctionnement du système après des perturbations et coordonne les contrôleurs primaires pour la régulation de la tension et du courant. Le contrôle tertiaire permet d’optimiser le fonctionnement économique et stratégique du micro-réseau, en gérant la programmation énergétique et les interactions avec^{le réseau électrique} principal7.

La littérature récente met en évidence des avancées significatives dans l’application du contrôle hiérarchique pour les micro-réseaux à courant continu, passant des études de simulation aux configurations Hardware-In-the-Loop (HIL) et, finalement, aux expériences physiques du monde réel. Les premières études de recherche ont souvent utilisé des outils de simulation pour développer et tester des algorithmes de contrôle hiérarchique pour les micro-réseaux à courant continu. Ces études se concentrent sur la modélisation du comportement dynamique des micro-réseaux, l’optimisation des stratégies de contrôle et l’évaluation des performances du système dans diverses conditions. Les environnements de simulation tels que MATLAB/Simulink et PSCAD sont couramment utilisés en raison de leur flexibilité et de leurs outils complets pour l’analyse des systèmes d’alimentation⁸. Au-delà des simples simulations, les expériences HIL fournissent un environnement de test plus réaliste en intégrant du matériel de contrôle en temps réel à des modèles de micro-réseaux simulés. Cette approche permet aux chercheurs de valider les algorithmes de contrôle et d’évaluer leurs performances dans des conditions quasi réelles. Les configurations HIL comblent le fossé entre les études théoriques et les mises en œuvre pratiques, offrant des informations précieuses sur l’interaction entre les systèmes de contrôle et les composants de micro-réseaux⁹. La validation ultime des stratégies de contrôle hiérarchique est obtenue par des expériences physiques sur des configurations réelles de micro-réseaux. Ces expériences impliquent le déploiement d’algorithmes de contrôle sur du matériel de micro-réseau réel, y compris des DER, des convertisseurs d’électronique de puissance et des unités de contrôle. Les expériences physiques fournissent l’évaluation la plus précise des performances du système, révélant les défis pratiques et les problèmes opérationnels qui peuvent ne pas être apparents dans les simulations ou les configurations HIL.

Pour résumer la progression de la recherche sur le contrôle hiérarchique dans les microréseaux à courant continu, le tableau 1 présente un aperçu des principales études classées selon leur approche expérimentale. D’après la littérature susmentionnée, il est évident que, bien que certaines études aient utilisé avec succès des plates-formes de micro-réseaux physiques pour l’expérimentation, il y a un manque notable de documentation systématique et de descriptions complètes de ces plates-formes expérimentales et de leur utilisation, en particulier dans le contexte du contrôle hiérarchique. Cette lacune est importante car des informations détaillées sur les configurations expérimentales, les méthodologies et les résultats sont cruciales pour reproduire les études, faire avancer la recherche et faciliter la mise en œuvre pratique de stratégies de contrôle hiérarchiques dans les technologies de microréseaux. À la lumière de ce besoin, cet article vise à fournir une introduction détaillée et systématique au développement et à l’utilisation d’une plate-forme expérimentale physique pour les micro-réseaux à courant continu, en mettant l’accent sur le contrôle hiérarchique, afin d’apporter des informations précieuses et des directives pratiques à la recherche en cours dans ce domaine.

En résumé, les principales contributions de cet article sont les suivantes. Tout d’abord, dans le cadre de la stratégie de contrôle hiérarchique, l’article élabore en détail les algorithmes et les implémentations de contrôle nécessaires au contrôle des microréseaux, tandis que les travaux précédents ont principalement traité les expériences comme une validation sans plus d’élaboration. Deuxièmement, dans le cadre du déploiement d’algorithmes de contrôle, cet article fournit également la configuration matérielle et la topologie des composants du microréseau, améliorant ainsi la reproductibilité des expériences de contrôle du microréseau. Troisièmement, en construisant une plate-forme expérimentale évolutive, cet article jette les bases de recherches futures sur les microréseaux, permettant une exploration plus approfondie des performances de contrôle dans des conditions réelles telles que les retards de communication et les variations de charge, soutenant ainsi le développement de stratégies de contrôle plus robustes et efficaces.

Protocole

Dans cette section, nous décrivons les méthodes utilisées pour développer et expérimenter un micro-réseau à courant continu qui intègre le contrôle hiérarchique illustré à la figure 1, mis en œuvre dans OPAL RT-Lab (ci-après dénommé « simulateur »). Le protocole est divisé en trois sections principales : Configuration physique et modélisation de circuit, Mise en œuvre de la stratégie de contrôle et Configuration expérimentale du simulateur. Il est à noter que ce protocole ne couvre pas la stratégie de contrôle tertiaire, qui implique une optimisation et une interaction de haut niveau avec le réseau électrique principal, dépasse le cadre de notre dispositif expérimental actuel et est laissée pour des travaux futurs.

1. Configuration physique et modélisation de circuits

1. Topologie électrique du système
   REMARQUE : Compte tenu de l’architecture du circuit du système de microréseau à courant continu, nous procédons à la construction de la plate-forme expérimentale matérielle en suivant les étapes suivantes.
   1. Construction d’un DER individuel
      1. Connectez le pôle positif du courant continu à travers un fil au pôle positif d’entrée du circuit abaisseur, tout en connectant simultanément les pôles négatifs correspondants ; le convertisseur spécifique est illustré à la figure 2A. Construire un modèle mathématique pour le convertisseur abaisseur afin de faciliter la conception des paramètres de contrôle pour les simulations et les configurations expérimentales ultérieures. Pour un convertisseur abaisseur typique, comme illustré à la figure 3, construisez ses équations d’espace d’état à l’aide de la méthode de calcul de la moyenne de l’espace d’état comme suit⁵ :
              (1)
         où I^L, V^C sont respectivement le courant d’inductance et la tension de sortie ; R, L, C sont les paramètres des composants dans le circuit du convertisseur ; Vⁱⁿ représente la tension continue d’entrée ; et d représente le rapport cyclique du convertisseur DC-DC. Transformez l’équation ( 1) sous la forme de fonction de transfert suivante, ce qui est plus pratique pour la conception d’un contrôleur PI.
         
              (2)
         où s représente l’opérateur de Laplace ; G_Id(s) est la fonction de transfert du rapport entre le service et le courant ; et G_VI(s) est la fonction de transfert du courant à la tension.
      2. Construction de microréseaux à l’aide de plusieurs DER
         1. Répétez le processus de construction des RED individuels comme décrit ci-dessus. Avec plusieurs DER en place, connectez les bornes de sortie positives et négatives correspondantes de chaque circuit abaisseur.
         2. Pour simuler l’impédance de ligne, insérez de petites résistances en série entre les pôles positifs de chaque DER.
      3. Intégration de la charge
         1. Utilisez des résistances pour simuler des charges courantes dans les microréseaux CC. Pour les charges globales, connectez directement les bornes de la résistance aux points de confluence des pôles positif et négatif de tous les DER. Lorsque l’impédance de ligne est présente, connectez les résistances à la sortie de chaque circuit abaisseur pour simuler les charges locales, comme illustré à la figure 2D.
            REMARQUE : Dans cette expérience, les connexions de circuit sont mises en œuvre à l’aide de connecteurs enfichables, comme illustré à la Figure 2C.
2. Conception et configuration de circuits matériels
   REMARQUE : La configuration matérielle de la plate-forme expérimentale de microréseau CC, correspondant à la topologie de la Figure 1, comprend principalement les étapes suivantes :
   1. Configuration de l’alimentation CC
      1. Activez l’alimentation électrique en appuyant sur le bouton d’alimentation.
      2. Réglez la tension à la valeur spécifiée à l’aide du bouton. Cette alimentation est une source DC à tension constante avec une plage de sortie de [0 - 300 V] et une puissance maximale de 600 W. Lancez l’alimentation électrique au début de l’expérience en appuyant sur l’interrupteur. L’alimentation électrique utilisée dans cette expérience est illustrée à la figure 2B.
   2. Configuration du convertisseur abaisseur DC-DC
      1. Acheminez les signaux d’entrée et de sortie du convertisseur vers une carte de conversion de signal et connectez-les au contrôleur matériel du simulateur via des câbles de signal.
         REMARQUE : Cette configuration permet la sortie de signaux de courant et de tension sous forme analogique et la transmission de signaux PWM à partir du contrôleur pour piloter le convertisseur au niveau du circuit.
   3. Vérification des connexions de bus et de charge
      1. Assurez-vous que cette étape est conforme à l’étape 1.1.3. Inspectez toutes les connexions pour en vérifier l’exactitude et la sécurité.

2. Mise en œuvre de la stratégie de contrôle

1. 2.1.Configuration du contrôle de l’affaissement
   1. Construisez le module de commande d’affaissement dans le module de commande du simulateur en glissant et en déposant des composants tels que des blocs de gains et de différences, comme illustré à la figure 4.
   2. Double-cliquez sur le module 'gain' et réglez le coefficient d’affaissement selon vos besoins.
2. Configuration du contrôle PI à double boucle
   1. Construisez le schéma fonctionnel de contrôle en glissant et en déposant des composants dans le simulateur (voir Figure 5).
   2. Lors de la sélection des gains de contrôle PI, utilisez le modèle de fonction de transfert du convertisseur abaisseur dans l’équation ( 2), en suivant la séquence de conception de la boucle interne (boucle de courant) d’abord, puis de la boucle externe (boucle de tension).
      REMARQUE : Il existe un compromis entre la réponse dynamique rapide et la précision du partage de puissance dans le schéma de contrôle à double boucle, car les ajustements rapides de la tension peuvent compromettre la précision de la distribution de l’énergie entre les DER.
3. Construction de la topologie de la communication distribuée
   1. Fournir des signaux d’entrée différents aux contrôleurs de chaque DER pour mettre en œuvre un contrôle distribué au sein du contrôleur de simulateur centralisé. Par exemple, pour le DER 1, faites glisser les signaux du DER 2 et du DER 4 dans son module de commande pour activer la communication distribuée, comme illustré dans la partie gauche de la figure 6 et dans la figure 7C.
4. Mise en œuvre d’une stratégie de contrôle secondaire distribué
   1. Construisez le schéma fonctionnel de la commande secondaire dans le simulateur en vous basant sur la commande secondaire basée sur le consensus, comme illustré à la figure 6. Ajustez la réponse de la commande secondaire en modifiant les gains de la commande.

3. Configuration expérimentale du simulateur en temps réel

NOTA : La configuration spécifique de l’expérience du simulateur comprend quatre étapes, comme illustré à la figure 8.

1. Initialisation du modèle
   1. Cliquez sur le bouton Modifier pour modifier le programme en cours d’exécution sur le simulateur. Ensuite, activez le bouton SET pour terminer les paramètres de la propriété de développement.
2. Compilation de modèles
   1. Une fois la modification du modèle terminée, cliquez sur le bouton Générer pour compiler le modèle en code exécutable.
   2. Surveillez la fenêtre de compilation du logiciel jusqu’à ce que le message « Compilation réussie » s’affiche. Si une erreur se produit, localisez-la en fonction de l’invite et apportez les corrections nécessaires
3. Configuration du contrôle en temps réel du simulateur
   1. Une fois le processus de compilation terminé, configurez les paramètres du code de programme tels que le mode de simulation, le type de liaison de communication en temps réel et d’autres paramètres pertinents.
4. Téléchargement et exécution du programme
   1. Téléchargez le programme exécutable compilé dans le matériel du contrôleur et lancez l’expérience.
   2. Connectez les sondes de tension de l’oscilloscope aux bornes positive et négative de chaque sortie DER, et fixez les sondes de courant aux ports de sortie. Utilisez la fenêtre de l’oscilloscope pour observer la sortie de chaque DER dans le micro-réseau.

Résultats

La figure 4 montre le module de commande d’affaissement dans le module de commande construit dans le simulateur. La conception détaillée est basée sur le mécanisme d’affaissement suivant :

Le mécanisme de contrôle de l’affaissement est une stratégie fondamentale pour le contrôle primaire décentralisé dans les micro-réseaux à courant continu. Il ém...

Discussion

La figure 10 montre les réponses en courant et en tension du système de microréseau sous contrôle secondaire sans délais de communication. Avant le temps t₁, le système est régulé uniquement par une commande primaire basée sur l’affaissement, où il est évident que la tension ne peut pas se stabiliser à la valeur nominale de 48 V et que la distribution du courant est relativement imprécise. Lors de l’activation de la comma...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Programmable DC  power supply	ITECH	IT-M7700	DC Power Supply
Real-time simulator	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Real-time controller
Oscilloscope	Tektronix	MSO58 5-BW-500	Oscilloscope
			Electrical components such as cables and resistors