Exploration of dynamic refiguration solutions for improved reliability in DC microgrids
Exploration des solutions de reconfiguration dynamique pour améliorer la fiabilité des micro-réseaux à courant continu
Résumé
Critical systems such as distributed computing systems require high reliability and resilience to ensure the quality of service. Moreover, 90% of all service interruptions experiences by customers derive from the power supply and distribution system. This is because existing distribution systems are centralized and rely primarily on the utility grid. On the other hand, DC microgrid technology is becoming more and more common in buildings, ships, and data center. It promises a change of orientation from centralized to distributed and greener co-generation. However, existing DC microgrid architectures are static, meaning they cannot change their topology after installation. This aspect limits the flexibility and adaptability of the power network to such a heterogeneous and variable scenario.This thesis proposes a novel DC microgrid architecture that enables the concept of "Software-Defined Power Domains". In fact, by using the conceived power crossbar network, the topology can be changed by software dynamically. This aspect improves the flexibility of the power distribution system, which can reconfigure itself to best adapt to loads and sources condition. Moreover, the system's availability is widely enhanced because of the bus redundancy and segmentation provided by the crossbar. Finally, the resilience increases thanks to the dynamic operations able to instantaneously isolate a fault, reconfigure the topology and restore the system's functioning.In this thesis, all the details about this architecture are provided. Then, the control and some dynamic operations are explored and tested by the PSIM simulator to validate the assumptions mentioned above. Moreover, the system's reliability and availability are widely analyzed through Markov chains or Monte Carlo methods when considering components with constant or non-constant failure rates, respectively. Finally, the case study of a DC-powered data center is taken to validate the advantages of the proposed architecture. Several transformations are applied to the basic architecture that gradually improves the availability and MTBF of the system. For instance, the crossbar-based architecture in matrix configuration increases the MTBF of the system by 4 times w.r.t. current architectures. Then, a proposal of an availability-aware power distribution system for data centers based on power crossbars is provided in the perspective, including renewable energy sources combined with batteries able to temporarily supply the data center even in case of failure on the main distribution line.
Les systèmes critiques tels que les systèmes de calcul distribués nécessitent une grande fiabilité et résilience pour garantir la qualité du service. De plus, 90% de toutes les interruptions de service subies par les utilisateurs proviennent du système d’alimentation et de distribution électrique. En effet, les systèmes de distribution existants sont centralisés et reposent principalement sur le réseau public. D’autre part, la technologie des microgrid DC est de plus en plus répandue dans les bâtiments, les navires et les centres de données. Il promet un changement d’orientation de la génération centralisée vers une co-génération distribuée et plus verte. Cependant, les architectures de microgrid DC existantes sont statiques, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas changer leur topologie après l’installation. Cet aspect limite la flexibilité et l’adaptabilité du réseau électrique dans un tel scénario hétérogène et variable.Cette thèse propose une nouvelle architecture de microgrid DC qui permet le concept de "Software-Defined Power Domains". En effet, en utilisant le crossbar de puissance conçue, la topologie peut être modifiée dynamiquement par logiciel. Cet aspect améliore la flexibilité du système de distribution d’électricité, qui peut se reconfigurer pour mieux s’adapter à l’état des charges et des sources. En outre, la disponibilité du système est largement améliorée en raison de la redondance du bus et de la segmentation fournie par le crossbar. Enfin, la résilience augmente grâce aux opérations dynamiques capables d’isoler instantanément une défaillance, de reconfigurer la topologie et de restaurer le fonctionnement du système.Dans cette thèse, tous les détails de cette architecture sont fournis. Ensuite, le contrôle et certaines opérations dynamiques sont explorés et testés à l’aide du simulateur PSIM pour valider les hypothèses susmentionnées. De plus, la fiabilité et la disponibilité du système sont largement analysées à l’aide des chaînes de Markov ou des méthodes Monte Carlo lorsqu’on considère des composants avec des taux de défaillance constants ou non constants, respectivement. Enfin, le cas d’étude d'un centre de données alimenté en courant continu sert à valider les avantages de l’architecture proposée. Plusieurs transformations sont appliquées à l’architecture de base qui améliore progressivement la disponibilité et le MTBF du système. Par exemple, l’architecture basée sur crossbars en configuration matricielle augmente le MTBF du système de 4 fois.
Origine : Version validée par le jury (STAR)