Faits:
A.
Par jugement du 8 mai 2013, le Tribunal de police de l'arrondissement de Lausanne a déclaré A._ coupable d'infraction à la loi fédérale sur les étrangers (art. 115 al. 1 litt. b LEtr) et l'a condamné à une peine pécuniaire de 180 jours-amende, le montant du jour-amende étant fixé à 10 fr., sous déduction de la détention subie avant jugement.
B.
Statuant sur appel de A._, la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal vaudois a confirmé la décision de première instance, par ju-gement du 26 septembre 2013.
En substance, il est reproché à A._, ressortissant de Côte d'Ivoire, d'avoir séjourné en Suisse, notamment à Lausanne, entre le 15 juin 2010, lendemain de sa dernière condamnation pour séjour illégal, et le 11 octobre 2012, alors qu'il n'était pas titulaire d'un permis de séjour valable.
Par décision du 24 octobre 2003, définitive et exécutoire dès le 27 novembre 2003, la demande d'asile de A._ a été rejetée. Depuis 2005, le recourant a fait l'objet de quatre condamnations. Le 26 mai 2005, il a été condamné à 2 mois d'emprisonnement pour faux dans les certificats, rupture de ban et violation d'une mesure (mesure de contrainte en matière de droit des étrangers; art 23a LSEE). Les 20 et 26 janvier 2006, des peines de respectivement 3 et 4 mois d'emprisonnement ont été prononcées, notamment pour rupture de ban et violation d'une mesure (mesure de contrainte en matière de droit des étrangers; art 23a LSEE). Le 14 juin 2010, le recourant a été condamné à une peine de 120 jours-amende à 10 fr. pour séjour illégal.
C.
A._ forme un recours en matière pénale contre le jugement du 26 septembre 2013 et conclut, avec suite de frais et dépens, à sa réforme en ce sens qu'il soit libéré du chef d'infraction à la loi fédérale sur les étrangers et qu'une indemnité au sens de l'art. 429 CPP lui soit versée à hauteur de 2'108 fr. 40 à titre de frais de défense et de 2'400 fr. à titre d'indemnité pour détention injustifiée. Il sollicite par ailleurs l'assistance judiciaire.

Considérant en droit:
1.
Le recourant reproche à la cour cantonale de ne pas avoir tenu compte des condamnations prononcées à son encontre les 26 mai 2005, 20 et 26 janvier 2006 dans le calcul des peine totales qui lui ont été infligées. Il se réfère à la jurisprudence publiée aux <ref-ruling> relative à l'art. 23 LSEE (Loi fédérale sur le séjour et l'établissement des étrangers du 26 mars 1931, en vigueur jusqu'au 31 décembre 2007) et en déduit qu'il doit être acquitté dans la mesure où il a purgé des peines dont la durée totale a atteint le maximum légal.
1.1. La LEtr est entrée en vigueur le 1er janvier 2008, en remplacement de la LSEE. A teneur de l'art. 115 al. 1 let. b LEtr, est puni d'une peine privative de liberté d'un an au plus ou d'une peine pécuniaire, quiconque séjourne illégalement en Suisse, notamment après l'expiration de la durée du séjour non soumis à autorisation ou du séjour autorisé.
Le séjour illégal est un délit continu (<ref-ruling> consid. 3.2 p. 9; arrêt 6B_196/2012 du 24 janvier 2013 consid. 1.2). La condamnation en raison de ce délit opère une césure, de sorte que le fait de perpétuer la situation irrégulière après le jugement constitue un acte indépendant permettant une nouvelle condamnation à raison des faits non couverts par le premier jugement, en conformité avec le principe ne bis in idem (<ref-ruling> consid. 3.2 p. 9).
En vertu du principe de la culpabilité sur lequel repose le droit pénal, les peines prononcées dans plusieurs procédures pénales en raison de l'effet de césure ne peuvent dépasser la peine maximale prévue par la loi pour l'infraction en question (<ref-ruling> consid. 4.2 p. 11).
Pour prononcer une nouvelle condamnation en raison d'un délit continu et pour fixer la peine sans égard à la durée de l'infraction déjà prise en compte dans un jugement antérieur, il faut que l'auteur, après la première condamnation, prenne une nouvelle décision d'agir, indépendante de la première. En l'absence d'une telle décision, et lorsque la situation irrégulière qui doit faire l'objet d'un nouveau jugement procède de la même intention que celle qui a présidé aux faits déjà jugés, la somme des peines prononcées à raison du délit continu doit être adaptée à la culpabilité considérée dans son ensemble et ne pas excéder la peine maximale prévue par la loi (<ref-ruling> consid. 4.2 p. 11).
1.2. La cour cantonale a considéré que l'intention de séjourner illégalement en Suisse au sens de l'art. 115 al. 1 let. b LEtr était distincte de celle de ne pas demeurer sur le territoire suisse assigné en vertu de l'art. 23a LSEE (cf. condamnations des 26 mai 2005, 20 et 26 janvier 2006).
Elle a par ailleurs relevé qu'en déclarant qu'il allait entreprendre une nouvelle procédure d'asile car il se sentait bien en Suisse, le recourant avait manifesté une intention distincte de celle présidant les faits reprochés dans le cadre des condamnations de 2005 et 2006.
Elle en a déduit qu'il n'y avait pas lieu de tenir compte des peines prononcées antérieurement, à l'exception de celle de 120 jours-amende prononcée le 14 juin 2010 pour séjour illégal au sens de l'art. 115 al. 1 let. b LEtr. Ainsi, additionnée à cette dernière, la sanction de 180 jours-amende ne dépassait pas la peine maximale prévue par l'art. 115 LEtr.
1.3. Le recourant ne saurait prétendre à son acquittement en se prévalant de l'<ref-ruling>; tout au plus pourrait-il se plaindre de la quotité de la peine, à condition que la situation irrégulière faisant l'objet de la décision entreprise, procède de la même intention que celle qui a présidé aux faits jugés les 26 mai 2005, 20 et 26 janvier 2006 (cf. supra consid. 1.1).
Cela étant, déterminer le dessein d'une personne relève des constatations de faits (cf. <ref-ruling> consid. 8.5 p. 62). Le recourant se plaint du fait que l'autorité cantonale aurait passé sous silence de manière arbitraire ses condamnations pour rupture de ban (art. 291 CP). Tel n'est pas le cas, dès lors que le jugement cantonal fait état de toutes les condamnations antérieures du recourant, en mentionnant notamment à trois reprises l'infraction de rupture de ban (cf. jugement entrepris consid. 2 p. 7).
C'est en se fondant sur les déclarations du recourant relatives à son projet d'entreprendre une nouvelle procédure d'asile que la cour cantonale a conclu à une intention distincte. Or le recourant ne fait valoir aucune violation du droit fédéral (cf. art. 42 al. 2 LTF) et ne soulève aucun grief tiré de l'arbitraire (cf. art. 97 al. 1 et 106 al. 2 LTF) sur ce point. En effet, en se bornant à exposer un aspect objectif de la rupture de ban ( "ne pas respecter une décision d'expulsion" ), il n'émet aucune critique relative à l'aspect subjectif et n'explique à aucun égard dans quelle mesure les ruptures de ban faisant l'objet des précédentes condamnations auraient procédé de la même intention que celle présidant au séjour illégal reproché dans la présente procédure.
Ainsi, le Tribunal fédéral, lié par les constatations de fait cantonales (art. 105 al. 1 LTF), ne peut que constater que la peine litigieuse, additionnée à celle de 120 jours-amende prononcée le 14 juin 2010, n'excède pas la peine d'un an prévue par l'art. 115 LEtr. On ne saurait par là-même reprocher à la cour cantonale d'avoir violé le droit fédéral.
2.
Dans la mesure où le recourant requiert l'allocation d'une indemnité au sens de l'art. 429 al. 1 CPP sur la base de son acquittement, son grief est mal fondé.
3.
Le recours doit être rejeté dans la mesure où il est recevable. Comme ses conclusions étaient vouées à l'échec, la requête d'assistance judiciaire doit également être rejetée (art. 64 al. 1 LTF). Le recourant, qui succombe, devra supporter les frais (art. 66 al. 1 LTF), dont le montant sera arrêté en tenant compte de sa situation financière.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1.
Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2.
La requête d'assistance judiciaire est rejetée.
3.
Les frais judiciaires, arrêtés à 800 fr., sont mis à la charge du recourant.
4.
Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 31 mars 2014
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Mathys
La Greffière: Boëton