Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Commande non linéaire de la recharge de véhicules électriques pour participer au support de fréquence et d’inertie

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - IMSE  -  DAMM Gilney

Directeur du laboratoire principal LINGUERRI Roberto  -

Laboratoire 2 - Référent COSYS - PICS-L  -  NETTO Mariana  -    -  tél. : +33 130844023

Spécialité de la thèse Mathématiques appliquées, Automatique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)

Directeur de thèse prévu DAMM Gilney  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - IMSE

Co-directeur de thèse prévu NETTO Mariana  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - PICS-L

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte

Le système électrique évolue très rapidement en raison de l’arrivée des sources d’énergie renouvelables, principalement par production distribuée, et des véhicules électriques (VE). Les principales caractéristiques de tous ces systèmes c’est d'être basés sur des convertisseurs de puissance, ils incluent donc une liaison en courant continu (DC), pour les interfacer avec le réseau électrique existant en courant alternatif (AC). De plus, la plupart des systèmes de stockage comme les batteries, les supercondensateurs et les piles à combustible sont en courant continu, tandis que les charges modernes comme les VE, les ordinateurs, et les téléphones portables, ainsi que plusieurs charges standard comme les systèmes de chauffage peuvent également être en courant continu. Cela conduira à long terme à des SmartGrids et des MicroGrids partiellement en DC.

Un point important de cette tendance actuelle est que cette augmentation des éléments DC (ou même des MicroGrids DC) réduira continuellement la quantité d'inertie du réseau, conduisant éventuellement à des réseaux AC uniquement composés d'électronique de puissance et, par conséquent, sans inertie. L’un des défis les plus importants pour les systèmes avec une faible inertie comme les MicroGrids îlotés est qu’ils sont plus sensibles aux perturbations du système en raison de moins d’énergie stockée pour compenser les déséquilibres énergétiques et ralentir le taux de changement de fréquence. En conséquence, même de légères perturbations peuvent entraîner une chute très rapide de la fréquence du système électrique et il existe une forte probabilité de panne du système électrique [1,2]. Cela a déjà commencé, le manque d'inertie étant la principale raison de certaines pannes majeures d'électricité [3,4].

D'un point de vue théorique, ce problème est vu comme une interconnexion de systèmes non linéaires, à paramètres et topologies du réseau, variants dans le temps, avec seulement des mesures locales disponibles pour la commande. De plus, ces systèmes présentent des différentes échelles de temps, avec des points d'équilibre inconnus et aussi variants dans le temps. Toutes ces caractéristiques rendent leur stabilisation difficile, même s'ils représentent des infrastructures critiques. Les stratégies actuelles pour mitiger ces problèmes consistent à surdimensionner le système et à rajouter de grandes quantités de stockage. Mais compte tenu de la vitesse à laquelle le réseau évolue, aucune de ces stratégies n'est économiquement viable ni réalisable à temps. Pour cette raison, il est capital de développer de nouvelles stratégies de contrôle basées sur le système existant (avec le moins de nouveaux éléments possible) pour permettre un changement en douceur dans les années à venir.

Objectifs du projet de thèse

Le travail proposé vise à étudier comment utiliser les convertisseurs de puissance, et en particulier les MicroGrids DC et les grandes stations de recharge pour véhicules électriques, pour fournir un support en fréquence et une émulation d'inertie pour aider à stabiliser le réseau AC à inertie réduite. Ces convertisseurs seront le plus probablement menés dans le mode connu comme Grid Forming. On s'attend à ce que cela soit atteint grâce à de nouveaux algorithmes de contrôle intelligents (non linéaires, adaptatifs, prédictifs) de manière distribuée, principalement basés sur des mesures locales. Il s'agit d'un sujet stratégique pour les réseaux futurs et permettra leur développement visant à atténuer l'effet des futures augmentations d'éléments CC tels que les énergies renouvelables, les véhicules électriques et les systèmes de stockage comme les batteries et les supercondensateurs. De plus, cette émulation d'inertie est encore plus efficace et rentable si l'on utilise de petites réserves de puissance distribuées. Pour cette raison, les bornes de recharge pour véhicules électriques sont un moyen très intéressant de fournir cette réserve de puissance. Les bornes de recharge bidirectionnelles peuvent fournir la réserve nécessaire, par exemple pour créer des MicroGrids qui fournissent l'inertie manquante au réseau principal [5].

La thèse proposée étudiera comment obtenir une émulation d'inertie et un support de fréquence à partir de plusieurs sources (PV, éoliennes) interconnectées (possiblement par un MicroGrid DC) et stockages (bornes de recharge, batteries stationnaires) vers le réseau principal via des convertisseurs de puissance [10].

Les principaux objectifs de la thèse de doctorat proposée sont :

- Comprendre et modéliser mathématiquement la dynamique du système électrique, en particulier la fréquence et l'inertie, et comment stabiliser le système et fournir un support via des réserves et de l’émulation de l'inertie
- Explorer les moyens de fournir les services systèmes requis (fréquence et support inertiel) avec et sans stockage
- Émulation et contrôle d'inertie synthétique pour les bornes de recharge et les MicroGrids
- Analyse de la stabilité des réseaux électriques intégrant une grande part de véhicules électriques et d'énergies renouvelables
- Algorithmes adaptatifs pour l'inertie synthétique : inertie adaptative et amortissement
- Convertisseurs grid-forming et leurs interactions

Méthode

Le point de départ sera une série de résultats de l'équipe, faisant le pont entre les domaines de la commande non linéaire et des systèmes de puissance/électronique de puissance comme [6-10]. Le travail de thèse suivra différentes étapes :

- Réaliser une revue de la littérature sur le sujet de la thèse
- Étudier les résultats de l'équipe de direction. Pour cela, étudier/réviser si nécessaire avec les directeurs de thèse certaines techniques clés de commande (par exemple la commande adaptative)
- Étudier les problèmes définis ci-dessus
- Simuler les résultats
- Publier les résultats dans des revues internationales à comité de lecture.

Profil du candidat souhaité
Des candidats motivés, possédant une formation en automatique (commande non linéaire) ou en mathématiques (systèmes dynamiques, systèmes non linéaires). Des connaissances dans le génie électrique seront appréciées. Les connaissances et expériences antérieures dans les environnements de simulation Matlab/Simulink/Simscape seront aussi bien appréciées.

Autres informations

Adresse:
Université Gustave Eiffel
Marne-la-Vallée Campus
5 Boulevard Descartes • Champs-sur-Marne
F-77454 Marne-la-Vallée Cedex 2 • France

Début de la thèse: Octobre 2025 (sous réserve d’obtention du contrat doctoral)

Candidatures: Envoyez svp un email avec vos relevés de notes les plus récents, votre CV et une lettre de motivation à mariana.netto@univ-eiffel.fr et à gilney.damm@univ-eiffel.fr.

Bibligraphie
[1] ENTSO-E Position Paper Stability Management in Power Electronics Dominated Systems: A Prerequisite to the Success of the Energy Transition June 2022
[2] “Stability management in power electronics dominated systems: A prerequisite to the success of the energy transition,” ENTSO-E, Tech. Rep., 2022. [Online]. Available: https://www.entsoe.eu/news/2022/06/21/entso-e-publishes-a-positionpaper-on-stability-management-in-power-electronics-dominatedsystems/
[3] “Preliminary report: black system event in south australia on 28 september 2016,” Australian Energy Market Operator, Tech. Rep., 2016.
[4] “9 august 2019 power outage report,” OFGEM, Tech. Rep., 2019.
[5] N. B. Arias, S. Hashemi, P. B. Andersen, C. Træholt, R. Romero, Distribution system services provided by electric vehicles: Recent status, challenges, and future prospects, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems (2019) 4277–4296.
[6] V. Cuong Nguyen, M. Netto, G. Damm. Control of a DFIG based wind turbine using modified Conditional Servo-compensator. IFAC-PapersOnLine, Volume 56, Issue 2, 2023, Pages 7668-7673, ISSN 2405-8963, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.10.1167.
[7] S. B. Siad, A. Iovine, G. Damm, L. Galai-Dol, M. Netto. Nonlinear Hierarchical Easy-to-Implement Control for DC MicroGrids. Energies 2022, 15(3), 969.
[8] L. F. Normandia Lourenço, A. Louni, G. Damm, M. Netto, M. Drissi-Habti, S. Grillo, A. J. Sguarezi Filho, L. Meegahapola. A Review on Multi-Terminal High Voltage Direct Current Networks for Wind Power Integration, Energies 2022, 15(23), 9016.
[9] Erico Gurski, Roman Kuiava, Filipe Perez, Raphael A. S. Benedito, Gilney Damm, ``A Novel VSG with Adaptive Virtual Inertia and Adaptive Damping Coefficient to Improve Transient Frequency Response of MicroGrids’’, Energies, to appear.
[10] Filipe Perez, Gilney Damm, Cristiano Maria Verrelli, Paulo Ribeiro, ``Adaptive Virtual Inertia Control for Stable Microgrid Operation including Ancillary Services Support’’, IEEE Transactions on Control Systems Technology, doi: 10.1109/TCST.2023.3234282, vol. 31, no. 4, pp. 1552-1564, July, 2023.

Mots-clefs: Commande non-linéaire, Intégration du véhicule électrique, intégration des énergies renouvelables, MicroGrids, SmartGrids.

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - IMSE - DAMM Gilney
Directeur du laboratoire principal	LINGUERRI Roberto -
Laboratoire 2 - Référent	COSYS - PICS-L - NETTO Mariana - - tél. : +33 130844023
Spécialité de la thèse	Mathématiques appliquées, Automatique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)
Directeur de thèse prévu	DAMM Gilney - Université Gustave Eiffel - COSYS - IMSE
Co-directeur de thèse prévu	NETTO Mariana - Université Gustave Eiffel - COSYS - PICS-L
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte Le système électrique évolue très rapidement en raison de l’arrivée des sources d’énergie renouvelables, principalement par production distribuée, et des véhicules électriques (VE). Les principales caractéristiques de tous ces systèmes c’est d'être basés sur des convertisseurs de puissance, ils incluent donc une liaison en courant continu (DC), pour les interfacer avec le réseau électrique existant en courant alternatif (AC). De plus, la plupart des systèmes de stockage comme les batteries, les supercondensateurs et les piles à combustible sont en courant continu, tandis que les charges modernes comme les VE, les ordinateurs, et les téléphones portables, ainsi que plusieurs charges standard comme les systèmes de chauffage peuvent également être en courant continu. Cela conduira à long terme à des SmartGrids et des MicroGrids partiellement en DC. Un point important de cette tendance actuelle est que cette augmentation des éléments DC (ou même des MicroGrids DC) réduira continuellement la quantité d'inertie du réseau, conduisant éventuellement à des réseaux AC uniquement composés d'électronique de puissance et, par conséquent, sans inertie. L’un des défis les plus importants pour les systèmes avec une faible inertie comme les MicroGrids îlotés est qu’ils sont plus sensibles aux perturbations du système en raison de moins d’énergie stockée pour compenser les déséquilibres énergétiques et ralentir le taux de changement de fréquence. En conséquence, même de légères perturbations peuvent entraîner une chute très rapide de la fréquence du système électrique et il existe une forte probabilité de panne du système électrique [1,2]. Cela a déjà commencé, le manque d'inertie étant la principale raison de certaines pannes majeures d'électricité [3,4]. D'un point de vue théorique, ce problème est vu comme une interconnexion de systèmes non linéaires, à paramètres et topologies du réseau, variants dans le temps, avec seulement des mesures locales disponibles pour la commande. De plus, ces systèmes présentent des différentes échelles de temps, avec des points d'équilibre inconnus et aussi variants dans le temps. Toutes ces caractéristiques rendent leur stabilisation difficile, même s'ils représentent des infrastructures critiques. Les stratégies actuelles pour mitiger ces problèmes consistent à surdimensionner le système et à rajouter de grandes quantités de stockage. Mais compte tenu de la vitesse à laquelle le réseau évolue, aucune de ces stratégies n'est économiquement viable ni réalisable à temps. Pour cette raison, il est capital de développer de nouvelles stratégies de contrôle basées sur le système existant (avec le moins de nouveaux éléments possible) pour permettre un changement en douceur dans les années à venir. Objectifs du projet de thèse Le travail proposé vise à étudier comment utiliser les convertisseurs de puissance, et en particulier les MicroGrids DC et les grandes stations de recharge pour véhicules électriques, pour fournir un support en fréquence et une émulation d'inertie pour aider à stabiliser le réseau AC à inertie réduite. Ces convertisseurs seront le plus probablement menés dans le mode connu comme Grid Forming. On s'attend à ce que cela soit atteint grâce à de nouveaux algorithmes de contrôle intelligents (non linéaires, adaptatifs, prédictifs) de manière distribuée, principalement basés sur des mesures locales. Il s'agit d'un sujet stratégique pour les réseaux futurs et permettra leur développement visant à atténuer l'effet des futures augmentations d'éléments CC tels que les énergies renouvelables, les véhicules électriques et les systèmes de stockage comme les batteries et les supercondensateurs. De plus, cette émulation d'inertie est encore plus efficace et rentable si l'on utilise de petites réserves de puissance distribuées. Pour cette raison, les bornes de recharge pour véhicules électriques sont un moyen très intéressant de fournir cette réserve de puissance. Les bornes de recharge bidirectionnelles peuvent fournir la réserve nécessaire, par exemple pour créer des MicroGrids qui fournissent l'inertie manquante au réseau principal [5]. La thèse proposée étudiera comment obtenir une émulation d'inertie et un support de fréquence à partir de plusieurs sources (PV, éoliennes) interconnectées (possiblement par un MicroGrid DC) et stockages (bornes de recharge, batteries stationnaires) vers le réseau principal via des convertisseurs de puissance [10]. Les principaux objectifs de la thèse de doctorat proposée sont : - Comprendre et modéliser mathématiquement la dynamique du système électrique, en particulier la fréquence et l'inertie, et comment stabiliser le système et fournir un support via des réserves et de l’émulation de l'inertie - Explorer les moyens de fournir les services systèmes requis (fréquence et support inertiel) avec et sans stockage - Émulation et contrôle d'inertie synthétique pour les bornes de recharge et les MicroGrids - Analyse de la stabilité des réseaux électriques intégrant une grande part de véhicules électriques et d'énergies renouvelables - Algorithmes adaptatifs pour l'inertie synthétique : inertie adaptative et amortissement - Convertisseurs grid-forming et leurs interactions Méthode Le point de départ sera une série de résultats de l'équipe, faisant le pont entre les domaines de la commande non linéaire et des systèmes de puissance/électronique de puissance comme [6-10]. Le travail de thèse suivra différentes étapes : - Réaliser une revue de la littérature sur le sujet de la thèse - Étudier les résultats de l'équipe de direction. Pour cela, étudier/réviser si nécessaire avec les directeurs de thèse certaines techniques clés de commande (par exemple la commande adaptative) - Étudier les problèmes définis ci-dessus - Simuler les résultats - Publier les résultats dans des revues internationales à comité de lecture. Profil du candidat souhaité Des candidats motivés, possédant une formation en automatique (commande non linéaire) ou en mathématiques (systèmes dynamiques, systèmes non linéaires). Des connaissances dans le génie électrique seront appréciées. Les connaissances et expériences antérieures dans les environnements de simulation Matlab/Simulink/Simscape seront aussi bien appréciées. Autres informations Adresse: Université Gustave Eiffel Marne-la-Vallée Campus 5 Boulevard Descartes • Champs-sur-Marne F-77454 Marne-la-Vallée Cedex 2 • France Début de la thèse: Octobre 2025 (sous réserve d’obtention du contrat doctoral) Candidatures: Envoyez svp un email avec vos relevés de notes les plus récents, votre CV et une lettre de motivation à mariana.netto@univ-eiffel.fr et à gilney.damm@univ-eiffel.fr. Bibligraphie [1] ENTSO-E Position Paper Stability Management in Power Electronics Dominated Systems: A Prerequisite to the Success of the Energy Transition June 2022 [2] “Stability management in power electronics dominated systems: A prerequisite to the success of the energy transition,” ENTSO-E, Tech. Rep., 2022. [Online]. Available: https://www.entsoe.eu/news/2022/06/21/entso-e-publishes-a-positionpaper-on-stability-management-in-power-electronics-dominatedsystems/ [3] “Preliminary report: black system event in south australia on 28 september 2016,” Australian Energy Market Operator, Tech. Rep., 2016. [4] “9 august 2019 power outage report,” OFGEM, Tech. Rep., 2019. [5] N. B. Arias, S. Hashemi, P. B. Andersen, C. Træholt, R. Romero, Distribution system services provided by electric vehicles: Recent status, challenges, and future prospects, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems (2019) 4277–4296. [6] V. Cuong Nguyen, M. Netto, G. Damm. Control of a DFIG based wind turbine using modified Conditional Servo-compensator. IFAC-PapersOnLine, Volume 56, Issue 2, 2023, Pages 7668-7673, ISSN 2405-8963, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.10.1167. [7] S. B. Siad, A. Iovine, G. Damm, L. Galai-Dol, M. Netto. Nonlinear Hierarchical Easy-to-Implement Control for DC MicroGrids. Energies 2022, 15(3), 969. [8] L. F. Normandia Lourenço, A. Louni, G. Damm, M. Netto, M. Drissi-Habti, S. Grillo, A. J. Sguarezi Filho, L. Meegahapola. A Review on Multi-Terminal High Voltage Direct Current Networks for Wind Power Integration, Energies 2022, 15(23), 9016. [9] Erico Gurski, Roman Kuiava, Filipe Perez, Raphael A. S. Benedito, Gilney Damm, ``A Novel VSG with Adaptive Virtual Inertia and Adaptive Damping Coefficient to Improve Transient Frequency Response of MicroGrids’’, Energies, to appear. [10] Filipe Perez, Gilney Damm, Cristiano Maria Verrelli, Paulo Ribeiro, ``Adaptive Virtual Inertia Control for Stable Microgrid Operation including Ancillary Services Support’’, IEEE Transactions on Control Systems Technology, doi: 10.1109/TCST.2023.3234282, vol. 31, no. 4, pp. 1552-1564, July, 2023.
Mots-clefs:	Commande non-linéaire, Intégration du véhicule électrique, intégration des énergies renouvelables, MicroGrids, SmartGrids.

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