Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

Technologisch herausfordernde Transformationsprozesse wie die Energiewende können durch passende Anreizsysteme entscheidend beschleunigt werden. Ziel solcher Anreize ist es hierbei, ein Umfeld idealerweise so zu schaffen, dass das Zusammenspiel aller aus Sicht der beteiligten Wettbewerber individuell optimalen Einzelhandlungen auch global optimal im Sinne eines übergeordneten Großziels ist. Die vorliegende Dissertation schafft einen regelungstechnischen Zugang zur Frage optimaler Anreizsysteme für heutige und zukünftige Stromnetze im Zieldreieck aus Systemstabilität, ökonomischer Effizienz und Netzdienlichkeit. Entscheidende Neuheit des entwickelten Ansatzes ist die Einführung zeitlich wie örtlich differenzierter Echtzeit-Preissignale, die sich aus der Lösung statischer und dynamischer Optimierungsprobleme ergeben. Der Miteinbezug lokal verfügbarer Messinformationen, die konsequente Mitmodellierung des unterlagerten physikalischen Netzes inklusive resistiver Verluste und die durchgängig zeitkontinuierliche Formulierung aller Teilsysteme ebnen den Weg von einer reinen Anreiz-Steuerung hin zu einer echten Anreiz-Regelung. Besonderes Augenmerk der Arbeit liegt in einer durch das allgemeine Unbundling-Gebot bedingten rigorosen Trennung zwischen Markt- und Netzakteuren. Nach umfangreicher Analyse des hierbei entstehenden geschlossenen Regelkreises erfolgt die beispielhafte Anwendung der Regelungsarchitektur für den Aufbau eines neuartigen Echtzeit-Engpassmanagementsystems. Weitere praktische Vorteile des entwickelten Ansatzes im Vergleich zu bestehenden Konzepten werden anhand zweier Fallstudien deutlich. Die port-basierte Systemmodellierung, der Verzicht auf zentralisierte Regeleingriffe und nicht zuletzt die Möglichkeit zur automatischen, dezentralen Selbstregulation aller Preise über das Gesamtnetz hinweg stellen schließlich die problemlose Erweiterbarkeit um zusätzliche optionale Anreizkomponenten sicher

Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

This work presents a real-time dynamic pricing framework for future electricity markets. Deduced by first-principles analysis of physical, economic, and communication constraints within the power system, the proposed feedback control mechanism ensures both closed-loop system stability and economic efficiency at any given time. The resulting price signals are able to incentivize competitive market participants to eliminate spatio-temporal shortages in power supply quickly and purposively

Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

This work presents a real-time dynamic pricing framework for future electricity markets. Deduced by first-principles analysis of physical, economic, and communication constraints within the power system, the proposed feedback control mechanism ensures both closed-loop system stability and economic efficiency at any given time. The resulting price signals are able to incentivize competitive market participants to eliminate spatio-temporal shortages in power supply quickly and purposively

Approche modulaire de l'optimisation des flux de puissance multi-sources et multi-clients, à visée temps réel

The energy systems describe a class of systems whose from structural and functional characteristics raise the problem of the energy distribution to satisfy the services in real time. The solution of this multi-objectives problem, namely energetic, is the energy management strategy, whose design is still an open problem. The solutions studied in this thesis are incorporated in the framework of an industrial partnership and particularly in those systemic design approaches. The first contribution is a methodology of modular and generic design of the energy management strategy, for the multi- clients and multi-sources systems. It defines two types of functional elements: the clients and the sources, interacting through a node, which is the carrier of thestrategy. The second contribution deals with thegeneric formulation of the strategy and itssimplification by means of decomposition in accordance with two problems: the hybridization of sources and the competition of clients, which a real ready known in the literature. The third contribution is partial to the selection of innovative or existing algorithms, which are compatible with a real-time target to execute the strategy. Finally, the energy strategy of a refrigerated truck with a hybrid energy architecture is designed by the proposed modular approach, and the algorithm feasibility is validated by the simulation.Les systèmes énergétiques désignent une classe de systèmes dont les spécificités structurelles et fonctionnelles posent la question de la distribution de l’énergie, en temps réel, pour satisfaire des services. Cette problématique multi-objectifs, nommée énergétique, a pour solution une stratégie de gestion,dont la conception représente un problème ouvert. Les verrous étudiés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’un partenariat industriel et en particulier celui des démarches de conception systémique. Trois contributions sont apportées. La première est une méthodologie de conception modulaire et générique de la stratégie énergétique, pour les systèmes multi-clients et multi-sources. Elle définit deux types d’éléments fonctionnels : les clients et les sources, interagissant par le biais d’un nœud, porteur de la stratégie. La seconde traite la simplification de la stratégie par une décomposition selon deux problématiques déjà connues de la littérature : l’hybridation de sources et la concurrence de clients. La troisième porte sur la sélection d’algorithmes novateurs ou existants, compatibles avec une cible temps réel, pour exécuter la stratégie. Enfin, la stratégie énergétique d’un camion frigorifique disposant d’une architecture énergétique hybride série est conçue par notre approche modulaire, et la faisabilité algorithmique est validée en simulation

Microrobotique et Micromécatronique pour la Réalisation de Tâches de Micro-Assemblage Complexes et Précises.

Ce document présente une synthèse de mes contributions scientifiques aux domaines de la microrobotique et de la micromécatronique ainsi que des transferts effectués, tant à destination de l’industrie que de l’enseignement. Les travaux conduits sont orientés vers la réalisation de tâches de micro-assemblage complexes, précises et automatisées par approche microrobotique et sont plus particulièrement appliqués aux MOEMS.L’échelle micrométrique considérée induit de nombreuses spécificités qui se traduisent par un déficit notable de connaissances du comportement des systèmes à cette échelle. Pour cela, une première partie des travaux est dédiée à l’étude et à la modélisation multiphysique des systèmes microrobotiques et micromécatroniques. Cette connaissance a conduit, dans une seconde partie des travaux, à la proposition de nouveaux principes de mesure et d’actionnement mais également au développement de microsystèmes complexes, instrumentés et intégrés (micro-banc-optique, micropince, plateformes compliantes). Enfin, des lois de commandes et des stratégies d’assemblage originales ont été proposées notamment une commande dynamique hybride force-position combinant une commande hybride externe et une commande en impédance. Celle-ci permet de maîtriser la dynamique des transitions contact/non-contact critique à l’échelle micrométrique mais également d’automatiser des processus de micro-assemblage complexes. L’ensemble de ces travaux ont fait l’objet de validations expérimentales permettant de quantifier précisément les performances obtenues (exactitude de positionnement, temps de cycle, robustesse…). Les perspectives de ces travaux portent sur la proposition de systèmes microrobotiques et micromécatroniques compacts et intégrés utiles au micro-assemblage haute dynamique ainsi qu’à l’assemblage de composants nanophotoniques

Optimal control problem in bond graph formalism

International audienceThis paper presents a new way to derive an optimal control system for a specific optimisation problem, based on bond graph formalism. The procedure proposed concerns the optimal control of linear time invariant MIMO systems and can deal with both cases of the integral performance index, these correspond to dissipative energy minimization and output error minimization. An augmented bond graph model is obtained starting from the bond graph model of the system associated with the optimal control problem. This augmented bond graph, consisting of the original model representation coupled to an optimizing bond graph, supplies, by its bicausal exploitation, the set of differential-algebraic equations that analytically give the solution to the optimal control problem without the need to develop the analytical steps of Pontryagin's method. The proof uses the Pontryagin Maximum Principle applied to the port-Hamiltonian formulation of the system