Master of Science / Department of Architectural Engineering and Construction Science / Fred Hasler / This paper discusses a brief history of electricity, specifically alternating current (AC) and direct current (DC), and how the current standard of AC distribution has been reached. DC power was first produced in 1800, but the shift to AC occurred in the 1880’s with the advent of the transformer. Because the decisions for distribution were made over 100 years ago, it could be time to rethink the standards of power distribution. Compared to traditional AC distribution, DC microgrids are significantly more energy efficient when implemented with distributed generation. Distributed generation, or on-site generation from photovoltaic panels, wind turbines, fuel cells, or microturbines, is more efficient when the power is transmitted by DC. DC generation, paired with the growing DC load profile, increases energy savings by utilizing DC architecture and eliminating wasteful conversions. Energy savings would result from a lower grid strain and more efficient utilization of the utility grid. DC distribution results in a more reliable electrical service due to short transmission distances, high service reliability when paired with on-site generation, and efficient storage. Occupant safety is a perceived concern with DC microgrids due to the lack of knowledge and familiarity in regards to these systems. However, with proper regulation and design standards, building occupants never encounter voltage higher than 24VDC, which is significantly safer than existing 120VAC in the United States. DC Microgrids have several disadvantages such as higher initial cost due, in part, to unfamiliarity of the system as well as a general lack of code recognition and efficiency metric recognition leading to difficult certification and code compliance. Case studies are cited in this paper to demonstrate energy reduction possibilities due to the lack of modeling ability in current energy analysis programs and demonstrated energy savings of approximately 20%. It was concluded that continued advancement in code development will come from pressure to increase energy efficiency. This pressure, paired with the standardization of a 24VDC plug and socket, will cause substantial increases in DC microgrid usage in the next 10 years.

L'intégration des sources d'énergies renouvelables sur le réseau électrique est complexe en raison de leur nature intermittente et décentralisée. Le micro-réseau est une approche prometteuse pour interconnecter des générateurs distribués (DGs) locaux, alimenter des charges locales et également échanger de l'énergie avec le réseau électrique de manière contrôlée. Ce mode de production/consommation locales permet d'éviter la transmission d'électricité sur de longues distances, et implique donc une plus grande efficacité. Ces travaux se concentrent sur l'analyse et le contrôle du micro-réseau continu afin que les DGs se répartissent l'alimentation des charges et qu'ils maintiennent également la tension du bus continu. À l'équilibre, les contraintesde la commande du statisme classique (droop control) pour un système comportant de multiples DGs sont analysés, et une méthode de compensation mixte est proposée pour améliorer simultanément le maintien en tension et le partage du courant de charge. En dynamique, le modèle global du système est construit en introduisant une inductance virtuelle dans le circuit équivalent du DG, puis plusieurs modèles d'ordre réduit sont examinés pour vérifier leur efficacité dans l'analyse de la stabilité du système. Un modèle multi-échelle d'ordre réduit (RMM) est proposé afin de conserver les contraintes temporelles ainsi que de réduire la complexité du système. Enfin, une méthode basée sur le contrôle de rejet de perturbation active (ADRC) est présentée afin de mettre en oeuvre le contrôle local de la tension des DG en prenant en compte l'échelle de temps. Cette méthode permet d'améliorer la dynamique du système de contrôle en ajustant la largeur de bande passante de la commande et de l'observateur. Les analyses et les méthodes de contrôle proposées sont vérifiées par des essais expérimentaux dans notre plateforme au laboratoire. / The direct integration of renewable energy resources to the utility grid is pretty tough due to their intermittent feature and dispersed nature. Microgrid is one promising approach to gather the local distributed generators (DGs), supply local loads as well as exchange power with the utility grid as a controllable unit. This local-generation-localconsumption mode is able to avoid the long distance power transmission, thus can benefit a higher efficiency. The control aim of DC microgrids is to make the multiple DGs share the load properly as well as maintain the DCbus voltage stable. In steady state, the constrains of the classic droop control in multiple DGs environment are analyzed, and a mixed compensation method using common current is proposed to improve the voltage and load sharing performance simultaneously. In dynamic state, the system comprehensive model is constructed by the introduction of virtual inductor in the equivalent circuit of the DG, then several reduced-order models are examined to check their effectiveness for the system stability analysis. A reduced-order multi-scale model (RMM) is proposedto keep major time scale information as well as reduce the system complexity. Finally, an active disturbance rejection control (ADRC) based control method is proposed to realize the time scale droop control. It can effectively adjust the dynamic of the local control by adjusting the bandwidth of the Linear Extend State Observer or/and the controller. The proposed analysis and control methods are verified by experimental tests in our laboratory platform.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les pertes dans un micro-réseau urbain à courant continu ayant comme but principal l’amélioration de l’efficacité énergétique. Sachant qu’un tel micro-réseau multi-source consiste en plusieurs sources dont les natures sont très différentes, les convertisseurs statiques sont indispensables mais ils apportent des pertes de puissance. Ces pertes sont très variables en particulier avec les sources renouvelables comme les panneaux photovoltaïques. Dans la littérature le rendement du convertisseur est souvent traité comme une constante, mais des tests expérimentaux sont effectués pour prouver que le rendement est variable. Afin d’étudier les pertes en détail, un état de l’art sur les convertisseurs statiques a été effectué pour estimer les pertes en fonction de divers paramètres et variables. En considérant la précision d’estimation et la vitesse de calcul, un modèle énergétique moyen basé sur la fiche technique des composants utilisés est établi. Des tests expérimentaux sont effectués pour valider ce modèle sur les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC utilisés dans le micro-réseau. Grâce à la simplicité de ce modèle, il peut s’insérer dans le système du contrôle en temps réel. Par conséquent, des stratégies de pilotage du micro-réseau sont proposées pour prendre en compte le rendement variable dans le contrôle global et local du micro-réseau. Ces stratégies permettent d’avoir un délestage flexible des puissances dans le micro-réseau et d’accélérer la vitesse de convergence du contrôle, avec la connaissance des pertes de chaque convertisseur à chaque instant. Les résultats montrent que ces stratégies conduisent à la réduction du coût énergétique et améliorent légèrement le rendement global du micro-réseau. / The object of the thesis is to study the power losses in an urbain DC microgrid in order to improve the energy efficiency. Noted that such a multi-source microgrid consist of several sources whose nature is different one from another, the static power converters are essential but they brings power losses. The power losses are quite variable in particular with the renewable energy source such as the photovoltaic panels. In the litteral works the converter efficiency is often treated as a constant, but experimental tests are carried out to show its variation. For the sake of study the power loss thoroughly, a state of art of the static converter is studied to develop a simple and fast estimation methode of power losses. Aiming at the tradeoff between the estimation accurancy and the calculation time, an averaged energy model is developped on the basis of the component datasheet. The experimental tests are carried out to validate the application of the model on the DC/DC and DC/AC converters used in the microgrid. Due to its simplicity, the model can be implemented in the real-time system. Thus the energy management strategies are proposed to interact with the variable efficiency on the high and low level control. These strategies are capable of shedding the powers in the microgrid with flexibility and accelerating the the convergency spped of control through the knowledge of power losses of each converter. The results show that the energy cost has decreased and the microgrid global efficiency is slightly improved.

La nature intermittente et aléatoire des sources renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, nécessite un complément de stockage, tel une batterie et un système de secours énergétique, tel un générateur diesel, en particulier dans un système autonome. En ce qui concerne le générateur diesel, il a besoin d'un certain temps pour démarrer et il ne peut pas donner immédiatement la puissance nécessaire, en raison de son comportement dynamique. Alors, la qualité de l'énergie est abaissée pendant cette période en raison du manque de puissance. Par conséquent, pendant la période de démarrage du générateur diesel, un supercondensateur est suggéré pour équilibrer la puissance en raison de sa réponse rapide et de sa densité de puissance élevée. Une stratégie de contrôle de puissance est proposée pour réaliser la coordination entre le générateur diesel et le supercondensateur. La simulation et les résultats expérimentaux montrent que la stratégie de contrôle proposée est capable de réguler la tension du bus continu dans des limites acceptables et d’alimenter la charge pendant la sous production d'énergie renouvelable ou lors d'augmentation de la demande de la charge. De plus, le supercondensateur peut également être utilisé pour surmonter les limites de stockage électrochimique telles que son état de charge et son courant maximal. Ainsi, cette thèse propose le contrôle de puissance en temps réel pour un micro réseau continu avec un système hybride photovoltaïque-batterie-supercondensateur-diesel, visant à répondre à la demande de puissance de charge avec fiabilité et à stabiliser de la tension du bus continu. La simulation et les résultats expérimentaux montrent également que la stratégie de contrôle améliore les performances dynamiques et statiques du micro réseau continu pour différentes conditions de fonctionnement. De plus, afin de minimiser le coût énergétique du groupe diesel, le coût du carburant et la consommation de carburant sont analysés à travers plusieurs tests expérimentaux. Par conséquent, la valeur optimale de sa production d'énergie est déduite et appliquée dans une nouvelle stratégie de gestion de la puissance est proposée. Cette stratégie peut atteindre l'objectif de maximiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïque et de prendre en compte la caractéristique de démarrage lent et le coût énergétique du générateur diesel. Les simulations et expérimentations sont réalisées en utilisant des données photovoltaïques réelles pour illustrer les performances et le comportement du système hybride. Les résultats obtenus vérifient l'efficacité de cette stratégie. De plus la comparaison avec la stratégie de gestion de la puissance précédente, dans laquelle le coût d’énergie du générateur diesel n'est pas pris en compte, démontre que la nouvelle stratégie de gestion peut réduire le coût total du système de puissance à courant continu hybride. / The intermittent and random nature of renewable sources, such as photovoltaic and wind turbine, asks for the complement of storage, such as battery and back-up energy, such as diesel generator, especially in a standalone power system. Concerning the diesel generator, it needs some time to start up and cannot immediately offer the needed power, due to its dynamic behavior. Hence, the power quality is lowered down during this period because of the shortage of power. Therefore, during the period of the diesel generator starting up, a supercapacitor is suggested to compensate the power balance because of its fast response and high power density. A power control strategy is proposed to achieve the coordination between diesel generator and supercapacitor. Both simulation and experimental results show that the proposed control strategy is able to regulate the DC bus voltage within the acceptable limits and supplying the load during the renewable power under generation or load step-increase situations. In addition, the supercapacitor can be also used to overcome the electrochemical storage limits like its state of charge and maximum current. So, this thesis proposes the real time power control for a hybrid photovoltaic-battery-supercapacitor-diesel generator DC microgrid system, aiming to meet the load power demand with reliability and stabilizing the DC bus voltage. Both simulation and experimental results show that the designed control strategy improves the DC microgrid dynamic and static performances under different operating conditions. Furthermore, in order to minimize the diesel generator energy cost, the fuel cost and fuel consumption are analysed through several experimental tests. Therefore, the optimal value of its power generation is deduced and applied in a newly proposed energy management strategy. This strategy can achieve the goal of maximizing the utilization of photovoltaic energy and taking into account the slow start-up characteristic and energy cost of diesel generator. Both simulation and experimental studies are carried out by using the real photovoltaic data to illustrate the performance and the behavior of the hybrid system. The obtained results verify the effectiveness of this strategy. Furthermore, the comparison with the previous energy management strategy, in which the diesel generator energy cost is not considered, demonstrates that the newly proposed energy management strategy can reduce the total cost of the hybrid DC power system.

In the search for environmentally friendly methods to implement renewable energy in the power system residential microgrids have been proposed and proven. The direct current (DC) microgrid topology is a promising implementation of a microgrid system due to the increasing amount of DC-operated loads and production units expected in the near future. In this project, the proposed DC microgrid consists of a solar photovoltaic (PV) power source, a battery, a DC load, and an interlinking bidirectional converter to connect the microgrid to the external three-phase power grid. The PV system is controlled with a Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm to maximise the power production in all weathers. The DC bus voltage is stabilised by the battery controller and a coordinated control scheme considering the electricity price and battery State of Charge (SOC) is implemented to govern the power exchange with the utility grid. Simulations of the system are shown to validate the functionality of the microgrid and the performance of the controllers in multiple scenarios. The proposed DC microgrid is proven to function in both utility grid-connected mode and in isolation from the utility grid. / I sökandet efter miljövänliga metoder att implementera förnybar energi i kraftsystemet har lokalt självförsörjande elsystem för bostäder föreslagits och visats fungera. Den likströmsbaserade topologin är en lovande implementering av ett sådant lokalt elsystem till följd av den ökande mängden likströmsdrivna laster och produktionsenheter som förväntas komma inom en snar framtid. I detta projekt består det föreslagna likströmsbaserade elsystemet av en solenergikälla, ett batteri, en likströmslast och en sammanlänkande dubbelriktad omvandlare för att ansluta det lokala elsystemet till det externa trefasiga elnätet. Solenergisystemet styrs med en maximal kraftpunktföljande algoritm för att maximera kraftproduktionen i alla väder. Likströmsbussens spänning stabiliseras av batteristyrenheten och ett samordnat styrschema som tar hänsyn till elpriset och batteriets laddningstillstånd implementeras för att styra energiutbytet med elnätet. Simuleringar av systemet presenteras för att validera mikronätets funktionalitet och styrteknikens prestanda i flera olika scenarier. Det föreslagna likströmsbaserade elsystemet visas fungera i både nätanslutet läge och isolerat från elnätet. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

Research in sustainable energy sources has become the interest of many studies due to the increasing energy demand and the amount of wasted energy released from existing methods, along with their effect on climate change and environment sustainability. Thermo-Electric Generators (TEGs) are a potential solution that is being studied and implemented as they can convert low grade thermal energy to useful electrical energy at various operating conditions. The integration of a TEG within a heat exchanger (TEG/HX) system connected to an electrical DC micro-grid, using a Maximum Power Point Tracking (MPPT) system is the focus of this study. Using a numerical TEG/HX model from a previous study and a developed DC micro-grid model the interaction between the thermal and electrical aspects were investigated with the focus on the electrical performance of the system. The main concern of this study is to investigate the effect of the sub components of the DC micro-grid on the overall available energy. An analytic model was developed to estimate the power loss in the electrical circuit of the micro-grid, the model utilizes the equations for switching and conduction losses which have been used by several studies. Other variables such as the battery characteristics and electrical load profiles were also investigated by simulating several case studies including changing operating conditions. This study shows the effect of a TEG configuration on the power loss in an electrical system using power loss curves in comparison with the Open Circuit Voltage (OCV) of such configuration. It also covers important modes of operation for the battery, loads and MPPT for a stable and reliable operation of an isolated DC micro-grid system were TEGs are the only source of power. The result of the study presented is a system design that is able to maximize the electrical energy harvested from the TEGs to extend the operation of the dc-micro-grid first by applying a suitable TEG configuration and consequently a suitable electrical circuit. Secondly, by adapting to the changing operating conditions of the TEGs and the loads; and compensating for these changes using the battery storage system. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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L’intégration de l’énergie éolienne, qui est une ressource renouvelable très utilisée, n’est pas toujours facile pour le micro-réseau urbain. Dans cette thèse, une éolienne urbaine basée sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est étudiée pour être intégrée dans un micro-réseau urbain à courant continu. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, les micro-réseaux à courant continu et les stratégies de contrôle de la production d'énergie éolienne, est réalisée. Basé sur un modèle d’éolienne urbaine répondant à la demande du système électrique, qui se compose d’un émulateur de vent et de pales, un MSAP et un convertisseur DC/DC, cette thèse propose des méthodes de poursuite du point de puissance maximale satisfaisant à l’obligation de produire de l’énergie dans la mesure du possible. Une stratégie de contrôle à puissance limitée répond correctement. De simples à complexes, quatre algorithmes MPPT, P&O à pas fixe, P&O à pas variable avec la méthode Newton-Raphson améliorée, P&O à pas variable à base de logique floue et une méthode indirecte de type lookup table, sont étudiés et implémentés pour être comparés à l’aide de trois profils de vitesse du vent. Par expérimentation, les algorithmes MPPT et PLC sont comparés, analysés et discutés. Résumant tous les résultats expérimentaux, la méthode lookup table peut gérer toutes les exigences du mode de fonctionnement MPPT en présentant la meilleure performance, mais, dans le mode de fonctionnement PLC, la P&O à base de logique floue présente les meilleures performances. / The integration of the wind power, which is one mostly used renewable resource, is always one challenger for urban microgrid. In this thesis, one urban wind turbine based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is studied in order to be integrated into a DC urban microgrid. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and control strategies of wind power generation is done. Based on a model of urban wind turbine fitting the demand of urban electric system, which consists of an emulator of wind speed and blades, a PMSM and a DC/DC converter, this thesis proposes the maximum power point tracking (MPPT) methods satisfying the requirement of producing energy as much as possible, and power limited control (PLC) strategies answering the demand of flexible energy production. From simple to complex, four MPPT algorithms including Perturbation and Observation (P&O) fixed step-size method, P&O with improved Newton-Raphson method, P&O with fuzzy logic method and lookup table method are studied and implemented to be compared with each other using three wind velocity profiles. According to the experience about MPPT subject, four PLC algorithms are introduced and implemented to be analyzed and compared with each other with one power demand profile calculated randomly. Summarizing all experimental results, the lookup table method can handle all requirement of MPPT operating mode supplying the best performance, however, in the condition of more flexible power demand operating mode, the combination of P&O and fuzzy logic method presents the best performance and potential which can be achieved in future works.

L'objectif de cette thèse est de proposer l'approche la plus appropriée afin de minimiser le coût d'intégration de petite éolienne dans un micro-réseau DC urbain. Une petit éolienne basé sur un machine synchrone à aimant permanent (MSAP) est considéré à étudier. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, micro-réseau DC, et la production d'énergie éolienne, est fait. Comme le capteur mécanique de cette structure est relativement d'un coût élevé, les différents types de contrôle pour un système de conversion éolienne sont présentés afin de choisir une structure active de conversion d'énergie et un MSAP sans capteur. Par conséquent, un estimateur de vitesse/position est nécessaire pour contrôler le système. Ainsi, les méthodes différentes proposées dans la littérature sont considérées et classifiées à étudier dans les détails, puis les plus efficaces et largement utilisés sont à vérifier dans la simulation et expérimentalement pour le système étudié. Les méthodes choisies sont: estimation de la flux de rotor avec boucle à verrouillage de phase (PLL), observateur à mode glissement (SMO), observateur de Luenberger d'ordre réduit, et filtre de Kalman étendu (EKF). Face à d'autres méthodes, l'estimateur basé sur un modèle EKF permet une commande sans capteur dans une large plage de vitesse et estime la vitesse de rotation avec une réponse rapide. Le réglage des paramètres EKF est le problème principal à sa mise en œuvre. Par conséquent, pour résoudre ce problème, la thèse présente une méthode adaptative, à savoir réglage-adaptatif d’EKF. En conséquence, et grâce à cette approche, le coût total du système de conversion est réduite et la performance est garantie et optimisée. / The aim of this thesis is to propose the most appropriate approach in order to minimize the cost of integration of a wind generator into a DC urban microgrid. A small-scale wind generator based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is considered to be studied. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and wind power generation is done. As the mechanical sensor for this structure is relatively of high cost, various types of wind conversion system control are presented in order to choose an energy conversion active structure and a sensorless PMSM. Therefore, a speed/position estimator is required to control the system. Thus, different methods proposed in literatures are considered and classified to be studied in details, and then the most effective and widely used ones are to be verified in simulation and experimentally for the studied system. The methods which are chosen are: rotor flux estimation with phase locked loop (PLL), sliding mode observer (SMO), Luenberger observer of reduced order, and extended Kalman filter (EKF). Facing to other methods, the EKF model-based estimator allows sensorless drive control in a wide speed range and estimates the rotation speed with a rapid response. The EKF parameters tuning is the main problem to its implementation. Hence, to solve this problem, the thesis introduces an adaptive method, i.e. adaptive-tuning EKF. As a result and grace to this approach, the total cost of conversion system is reduced and the performance is guaranteed and optimized.