A Contribution Towards a Holistic Control Approach for Energy Management in Distributed DC Microgrid Systems Contribution à une approche holistique de gestion d’énergie et de supervision au sein d’un système de micro-réseaux DC

This thesis project is part of developing practical solutions for energy autonomy in isolated rural areas, based on DC microgrids operated via renewable energy sources and energy storage devices and driven by advanced control strategies. The challenge is to guarantee a reliable, economical and resilient local supply, while reducing reliance on conventional electric grids. The first part of this research work explores energy issues in rural areas of Morocco and Africa, while considering territorial, agricultural and social backgrounds. It highlights the relevance of decentralized microgrids as a sustainable solution, by analyzing their architectures, essential components and the most appropriate control approaches. In technical terms, a centralized hierarchical strategy is designed to coordinate multiple energy storage devices - such as supercapacitors, batteries and fuel cells - installed in close proximity. This approach ensures precise regulation of the DC bus voltage, efficient power distribution according to the specific dynamics of each technology, and effective control of the state of charge. The proposed strategy is validated both by simulation and experimentally using a test bench. The study then turns to a distributed architecture in which the generators are remote and require local coordination. A cooperative and distributed control approach, based on limited exchange of information between neighboring units, is introduced, this approach ensures proportional sharing of currents, robust regulation of the average voltage, and resilience in the face of disturbances, interruptions or communication delays. Finally, an energy management layer is developed to coordinate exchanges between several interconnected microgrids. A predictive method based on Predictive Functional Control (PFC) is used to anticipate load and production profiles. A cooperative exchange algorithm is implemented to distribute energy surpluses and deficits according to criteria, such as local consumption and battery state of charge using PV solar panels. Simulation results confirm the system's ability to optimize energy flows while maintaining the autonomy of local units. Therefore, this thesis leads to a comprehensive contribution to the design of distributed DC microgrids, combining centralized and cooperative control approaches, with potential application in isolated areas (e.g., isolated farms) seeking sustainable energy independence. Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de solutions pratiques pour l'autonomie énergétique dans les zones rurales isolées, basées sur des micro-réseaux à courant continu exploités par des sources d'énergie renouvelables et des dispositifs de stockage d'énergie et pilotés par des stratégies de contrôle avancées. Le défi est de garantir un approvisionnement local fiable, économique et résistant, tout en réduisant la dépendance aux réseaux électriques conventionnels. La première partie de ce travail de recherche explore les questions énergétiques dans les zones rurales du Maroc et de l'Afrique, tout en tenant compte des contextes territoriaux, agricoles et sociaux. Elle met en évidence la pertinence des micro-réseaux décentralisés comme solution durable, en analysant leurs architectures, leurs composants essentiels et les approches de contrôle les plus appropriées. En termes techniques, une stratégie hiérarchique centralisée est conçue pour coordonner de multiples dispositifs de stockage d'énergie - tels que des supercondensateurs, des batteries et des piles à combustible - installés à proximité les uns des autres. Cette approche garantit une régulation précise de la tension du bus continu, une distribution efficace de la puissance en fonction de la dynamique spécifique de chaque technologie et un contrôle efficace de l'état de charge. La stratégie proposée est validée à la fois par simulation et expérimentalement à l'aide d'un banc d'essai. L'étude porte ensuite sur une architecture distribuée dans laquelle les générateurs sont distants et nécessitent une coordination locale. Une approche de contrôle coopératif et distribué, basée sur un échange limité d'informations entre les unités voisines, est introduite. Cette approche assure un partage proportionnel des courants, une régulation robuste de la tension moyenne, et une résilience face aux perturbations, aux interruptions ou aux retards de communication. Enfin, une couche de gestion de l'énergie est développée pour coordonner les échanges entre plusieurs micro-réseaux interconnectés. Une méthode prédictive basée sur le contrôle fonctionnel prédictif (PFC) est utilisée pour anticiper les profils de charge et de production. Un algorithme d'échange coopératif est implémenté pour distribuer les surplus et les déficits d'énergie en fonction de critères tels que la consommation locale et l'état de charge des batteries utilisant des panneaux solaires photovoltaïques. Les résultats de la simulation confirment la capacité du système à optimiser les flux d'énergie tout en maintenant l'autonomie des unités locales.