Étude et conception de convertisseurs réversibles multi sources isolés pour l'interfaçage au réseau de sources d'énergies renouvelables et de moyens de stockage PDF Download
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Author: Damian Sal y Rosas Celi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l'environnement imposent l'insertion de plus en plus importante d'énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l'intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l'intermittence et d'optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l'utilisation de transformateurs pour assurer l'isolation galvanique et l'adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d'une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l'isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l'échange de puissance entre les différentes sources. L'analyse réalisée se compose d'une méthodologie pour le dimensionnement, d'une structure TAB DC/DC, d'une structure TAB DC/AC monophasée, d'une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d'une structure TAB DC/AC triphasée.
Author: Damian Sal y Rosas Celi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l'environnement imposent l'insertion de plus en plus importante d'énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l'intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l'intermittence et d'optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l'utilisation de transformateurs pour assurer l'isolation galvanique et l'adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d'une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l'isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l'échange de puissance entre les différentes sources. L'analyse réalisée se compose d'une méthodologie pour le dimensionnement, d'une structure TAB DC/DC, d'une structure TAB DC/AC monophasée, d'une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d'une structure TAB DC/AC triphasée.
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Ces travaux de thèse concernent l’intégration sur un bus continu et la commande des sources d'énergies renouvelables pour les systèmes de production et de stockage d'énergie électrique. Le système hybride étudié est constitué d'un générateur diesel, d'une éolienne, de panneaux photovoltaïques, et d'un banc de batteries acide-plomb le tout alimentant une charge donnée. Ces sources sont interfacées par des convertisseurs d'électronique de puissance afin de maintenir la tension du bus à une valeur de référence pour une alimentation correcte de la charge. Dans cette étude, nous avons modélisé le système multi-sources avec une représentation d’état hybride non linéaire qui utilise des variables discrètes et des variables continues. Les variables discrètes représentent les contacts de couplage permettant la connexion des convertisseurs statiques sur le bus continu. Les variables continues représentent les tensions et courants nécessaires pour satisfaire la charge. Nous avons ensuite développé une stratégie de commande hiérarchisée qui consiste à réguler la tension de bus, à adapter les taux de puissance extraits des sources et à coupler ou découpler les convertisseurs associés aux sources selon des critères de disponibilité énergétique. Les lois de commande du couplage des convertisseurs et de gestion du transfert de l'énergie sont élaborées à partir des caractéristiques de fonctionnement des convertisseurs et en particulier des variations du rapport cyclique de commande. Le rapport cyclique est un indicateur de corrélation entre la source et la charge et ses variations dépendent de la puissance extraite au niveau des sources. Nous avons montré qu’il constituait une variable de décision prioritaire dans l’optimisation énergétique des systèmes multi-sources et que son exploitation permet de réduire l’instrumentation nécessaire au fonctionnement de l’installation. A l’issue du travail, nous avons réalisé les convertisseurs d'électronique de puissance avec leurs dispositifs d'acquisition et de commande et nous avons pu valider notre approche avec des résultats expérimentaux qui mettent en évidence l'efficacité de la stratégie proposée pour la gestion de l'énergie.
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La généralisation des énergies renouvelables et leurs intégrations dans les réseaux de faible ou de grande puissance induit des nouveaux challenges dans la gestion et la conduite des systèmes multi-sources. Cette thèse porte sur la modélisation et la commande des convertisseurs multiniveaux hybrides. Les applications visées sont les réseaux multi-sources avec stockage de l'énergie. Les objectifs étant d'assurer deux fonctions principales : la continuité de transfert d'énergie d'une source continue renouvelable vers le réseau électrique et la compensation des fluctuations de puissance sur le bus alternatif. Les travaux de recherche dans ce mémoire ont été menés sur l'étude, la modélisation et la commande de trois structures de convertisseurs DC-AC hybrides. Dans un premier temps, nous avons utilisé des super condensateurs comme système de stockage d'énergie sur le bus DC d'un onduleur à 2-niveaux de tension. Pour répondre à nos objectifs, une commande par retour d'état avec l'intégration de l'écart en utilisant l'approche des inégalités matricielles (LMI) a été mise en place. Cette loi de commande permet d'assurer la stabilité du système avec une tension variable sur le bus continu. Ensuite, l'onduleur classique a été remplacé par un onduleur multi-niveaux à condensateurs flottants. Cette deuxième structure nous a permis de satisfaire les mêmes objectifs avec une tension de sortie de meilleur qualité et une inductance de filtrage plus petite. Grâce à une méthode d'équilibrage par la sélection de l'état redondant, les tensions intermédiaires des condensateurs flottants restent bien équilibrées dans tous les modes de fonctionnement. Enfin, nous avons intégré ce dispositif de stockage dans le convertisseur afin d'avoir un stockage d'énergie interne et non pas sur le bus continu. Pour ce faire, les condensateurs flottants ont été remplacés par des super-condensateurs et 3 nouveaux interrupteurs ont été rajoutés par bras. Un prototype de l'onduleur proposé a été réalisé sein du laboratoire LIAS. Les résultats expérimentaux, issus des trois bancs d'essais, viennent corréler et confirmer l'apport important C.
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L'intégration des sources d'énergies renouvelables dans le mix énergétique et les réseaux électriques constitue un défi du fait de leur intermittence et de leur coût d'installation. Il est donc important de prendre en compte la nature intermittente des sources d'énergies renouvelables lors de l'analyse de leur interaction avec les sources d'énergies conventionnelles et le réseau de distribution. Les objectifs principaux de cette thèse sont le contrôle d'un micro-réseau à courant continu à énergies renouvelables intégré au réseau et l'optimisation de la gestion des flux d'énergies dans un tel système. En premier lieu, une loi de commande IDA-PBC basée sur la passivité est développée pour contrôler les convertisseurs d'interface DC/DC et DC/AC au sein d'un micro-réseau à courant continu à énergies renouvelables intégré au réseau et disposant d'un système de stockage d'énergie hybride batterie/supercondensateur. Cette commande permet de maintenir un courant stable sans perturbations dans la batterie et le réseau et de stabiliser la tension de bus continu. En second lieu, une méthode de dimensionnement est élaborée pour un micro-réseau autonome à courant continu alimenté par une source photovoltaïque et disposant d'un système de stockage d'énergie hybride batteries/pompage hydraulique. Cette étude s'intéresse également à l'optimisation de la gestion d'énergie au sein de ce système. En dernier lieu, une méthodologie d'optimisation multi-objectifs par algorithme génétique est proposée pour optimiser le dimensionnement de ce micro-réseau. Les critères d'évaluation de la configuration optimale du micro-réseau (capacité photovoltaïque, capacité des batteries et capacité du réservoir supérieur d'eau) sont la probabilité de perte de charge LPSP et le coût actualisé de l'énergie LCE.
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L’objectif de ce travail consiste à évaluer les possibilités des convertisseurs multi niveaux pour le raccordement de systèmes de génération à base d’éolienne intégrant un système de stockage. Tout d’abord, la modélisation et la commande pour le raccordement d’une source sont étudiées. Classiquement le convertisseur utilisé pour réaliser la connexion au réseau est contrôlé de manière à réguler le bus continu intermédiaire. L’utilisation d’un convertisseur de topologie NPC nécessite l’équilibrage du bus continu. Une solution basée sur l’utilisation des configurations redondantes est proposée. Ensuite, la généralisation pour la modélisation et la commande d’un onduleur triphasé multi niveaux est développée. L’unité de stockage est utilisée pour réguler le bus continu et compenser les fluctuations de puissance de l’éolienne. La supervision énergétique de cette association de deux sources est réalisée. Le domaine de fonctionnement est déterminé. Différentes possibilités de connexion de ces deux sources sont développées et évaluées expérimentalement. Enfin, l’utilisation d’un convertisseur utilisant quatre condensateurs en série pour le bus continu est développée pour le raccordement d’un système multi sources. Diverses possibilités de raccordement sur ce bus continu sont abordées. Le système de supervision des puissances qui est rendu nécessaire pour chaque cas est également présenté.
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L'introduction de ressources intermittentes, géographiquement dispersées, et l'augmentation des puissances sur les lignes de transmission ont imposé de nouvelles contraintes sur les réseaux de transport à courant alternatif. Ces problématiques ont exposé les limites des technologies existantes et le besoin de renforcer les infrastructures des systèmes à très haute tension. Dans cette perspective, les réseaux à courant continu haute tension (HVDC) sont une alternative technique et économique attrayante pour transporter des puissances plus importantes sur de plus longues distances. Cette situation est rendue possible grâce aux progrès de l'électronique de puissance, qui ont conduit à l'essor des convertisseurs modulaires multi-niveaux (MMC). En comparaison avec les topologies conventionnelles, leur structure n'utilise pas la mise en série complexe de composants de puissance pour tenir des tensions élevées. À l'inverse, elle repose sur la mise en série de convertisseurs élémentaires avec un stockage de faible capacité, appelés sous-modules (SM), fonctionnant à des tensions beaucoup plus faibles. En distribuant l'énergie stockée, un nouveau degré de liberté est obtenu en termes de contrôle. Cette caractéristique peut être renforcée, si une solution de stockage de l'énergie électrique y est associée pour décupler la capacité énergétique du convertisseur. Il pourra ainsi répondre aux besoins de services système exprimés par les opérateurs réseaux. Dans cette thèse, on se propose d'étudier l'intégration de systèmes de stockage de l'énergie au sein de convertisseurs modulaires multi-niveaux en vue de répondre aux challenges de résilience et de fiabilité des réseaux d'interconnexion et de transport de l'énergie électrique. Dans un premier temps, une introduction du contexte et un état de l'art sont présentés avec pour objectif de cerner le cadre dans lequel s'inscrivent ces travaux de recherche. Ensuite, nous exposons la modélisation et la commande de convertisseurs modulaires multi-niveaux. L'usage du degré de liberté offert par la commandabilité de l'énergie interne pour fournir des services système grâce à l'intégration de systèmes de stockage de l'énergie est étudié. De même, nous analysons l'opportunité de réaliser une distribution partielle des éléments de stockage de l'énergie à l'intérieur du convertisseur ainsi que leur influence sur les éléments dimensionnants. La seconde partie aborde les problématiques d'intégration des éléments de stockage de l'énergie, ici des supercondensateurs, directement au sein d'un sous-module. Pour ce faire, une vue d'ensemble des solutions d'interface émergentes de la littérature est donnée. Puis, une méthodologie de dimensionnement, permettant de comparer les structures retenues, a été développée. Par la suite, une topologie innovante, adaptée pour ces applications à haute tension et économiquement avantageuse, est présentée. Enfin, son modèle est développé tout comme les lois de commande associées pour garantir une gestion énergétique correcte avec un minimum d'interaction avec la commande globale du convertisseur modulaire multi-niveaux. Des simulations et une validation expérimentale valident les stratégies proposées. Finalement, la fiabilité et la disponibilité d'une telle solution est évaluée. Une étude sur la dégradation des performances des éléments de stockage de l'énergie, selon un profil de mission donné, au cours de la période d'exploitation du convertisseur a été réalisée en premier lieu. Dans la perspective de définir la disponibilité d'une fonction de stockage de l'énergie au fil du temps ainsi que la stratégie de maintenance à adopter, des simulations de Monte Carlo, permettant d'estimer l'espérance d'une variable aléatoire en générant un grand nombre d'échantillons selon une loi de probabilité donnée, ont été effectuées. Elles ont permis de tenir compte de la haute modularité du convertisseur et des dispersions entre les milliers d'éléments de stockage de l'énergie le composant.
Author: Ahmed Boucherit Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'utilisation des plusieurs sources d'énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l'adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur 'énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d'un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d'exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d'explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l'adoption d'un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d'élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l'ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l'utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l'alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l'alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l'échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l'architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l'étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d'une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l'espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction.
Author: The Vinh Nguyen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La gestion de la distribution de l'énergie électrique produite à partir de sources renouvelables comme l'énergie solaire et l'énergie éolienne est un verrou technologique pour améliorer les performances et la stabilité de l'ensemble des processus de transfert d'énergie. Ainsi, les recherches sur les lignes électriques utilisées comme supports de communication sont très prometteuses pour la gestion d'installation de petites et moyennes puissances comprenant de nombreux générateurs, pas forcément conçus initialement dans une démarche de fiabilité. En outre, cette nouvelle possibilité de gestion permet d'améliorer les performances et la stabilité dans le processus de transfert global d'énergie. Cette étude est particulièrement orientée vers une architecture distribuée pour la gestion photovoltaïque parallèle et/ou multi-générateurs incluant d'autres technologies telles que l'éolien par exemple connectés sur un réseau à courant continu servant également de support de communication tel que le système CPL. Le CPL, en utilisant la technique de modulation, permet le transfert de l'information telles que la température, la puissance instantanée, l'auto-test etc... nécessaires pour optimiser la production d'énergie. Le but de ce travail consiste en l'étude d'une solution CPL conçue pour travailler sur bus HVDC reliant des systèmes de production d'énergie renouvelable. Les circuits développés pour le CPL seront donc considérés comme des interfaces entre le convertisseur intelligent DC-DC et le bus HVDC. Ils seront basés sur une partie matérielle constituée d'un émetteur-récepteur intégrant une interface de modulation-démodulation sur le bus HVDC et un processeur de signal assurant le traitement des diverses informations échangées entre les capteurs d'entrées et le monitoring.
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Dans cette thèse, un modèle avancé du système de gestion de l’énergie pour un micro-réseau fonctionnant en mode connecté ou isolé, a été présenté, discuté et analysé. Le micro-réseau étudié inclut différents types de sources d'énergie telles que le photovoltaïque (PV), les petites éoliennes (WT), les micro-turbines (MT), la pile à combustibles (FC) et un système de stockage (ESS). Le système de gestion d’énergie établi a été formulé à l’aide d’un modèle d'optimisation non linéaire respectant un certain nombre de contraintes pour parvenir à une solution appropriée. Nous avons testé différents algorithmes stochastiques en optimisation globale pour la prise de décision à savoir : AIMMS (advanced integrated multidimensional modeling), L’algorithme génétique GA, essaim de particules PSO. Une étude comparative de différentes topologies de convertisseurs DC/DC de type boost a été réalisée afin de sélectionner la meilleure configuration pouvant être utilisée pour interfacer les ressources distribuées au bus continu (DC-bus). Le système de contrôle-commande est conçu de telle sorte à effectuer un autoréglage des paramètres en ligne et en temps réel pour les convertisseurs proposés en se servant des librairies MLIB / MTRACE (MATLAB-dSPACE Real-Time Interface Library). En outre, un nouveau procédé pour contrôler le signal de la porteuse servant à générer la MLI pour commander les convertisseurs DC/DC interfacés au bus continu a été introduit. Enfin, un banc d'essai expérimental a été construit dans notre laboratoire pour tester en temps réel le système de gestion d’énergie évoqué précédemment.
Author: Linda Morand Publisher: ISBN: 9781682851357 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 0
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Energy efficiency and sustainable technologies are becoming a necessity with the passage of time. This has increased the scope of modern technologies to a large extent. This book elucidates the concepts and innovative models around prospective developments with respect to the modern power systems. The topics included herein like smart grid technologies, sustainable electric power, clean energy, etc. are of utmost significance and bound to provide incredible insights to readers about the construction and working of modern power systems, their efficiency and impact on the environment. This book is most suitable for graduate and post graduate engineering students and research scholars.
Author: Damian Sal y Rosas Celi
Author: Damian Sal y Rosas Celi
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