systemes hybrides de generation

PRÉSENTATION

Systèmes Hybrides de Génération :Application aux Energies Renouvelables

Benoît BIDOGGIA

“L.M.P.” Laboratoire de Microélectronique de Puissance – Tours“P.E.L.” Power Electronics Laboratory – Padova

1Introduction

Systèmes HybridesIntroduction

PRÉSENTATION

Benoît BIDOGGIA, doctorant

Laboratoire de Microélectronique de PuissanceUniversité François Rabelais, Tours

Laurent VENTURAThierry LEQUEU

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI)Università degli Studi di Padova, Padova, Italie

Simone BUSOGiorgio SPIAZZI

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Systèmes HybridesIntroduction

GÉNÉRATION DISTRIBUÉE ET ISOLÉE

Génération de moyenne puissanceMoyenne (et petite) puissance (1 – 20 kW)Croissante dans le panorama électrique mondial

pays dévéloppéspays en voie de développement

Génération distribuéeGénération connectée au réseau

Génération isoléeGénération pas connectée au réseau

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Systèmes HybridesIntroduction

STRUCTURE DES SYSTÈMES DE GÉNÉRATION

Source(s)PVÉolien…

Charge(s)Charge(s) en ACCharge(s) en DC…

Élément(s) de stockageBatteriesHydrogèneRéseau…

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Systèmes HybridesIntroduction

SYSTÈMES HYBRIDES

DéfinitionSystèmes caractérisés par

Plusieurs sources différentesPlusieurs charges différentesPlusieurs éléments de stockagePlusieurs formes d’énergie (électrique, thermique)

➥ Systèmes très variés

DiffusionCompensation du caractère aléatoire des sources renouvelabesRendement énergétique global plus élevé

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Systèmes HybridesIntroduction

MODÈLE DE BASE D’UNE INSTALLATION HYBRIDE

CouplageConvertisseurs statiques électriques

VariétéImpossibilité de concevoir un seul convertisseur universelModularité

Modèle de baseTrouver le plus petit ensemble de convertisseurs nécessairesInterconnexion des différents éléments

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Systèmes HybridesIntroduction

BATTERY SUPERCAP

GGG

GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR

LOAD DUMP

FUEL CELL

2H2 + O2

H2

GRIDELECTROLYZER

SO

UR

CE

LO

AD

ST

OR

AG

E

ELECTRIC DC BUS

THERMAL BUS

Figure 1.1. Bus pour le transfert de l’énergie électrique et thermique

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Systèmes HybridesIntroduction

BATTERY SUPERCAP

GGG

GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR

LOAD DUMP

FUEL CELL

2H2 + O2

H2

GRIDELECTROLYZER

SO

UR

CE

LO

AD

ST

OR

AG

E

THERMAL BUS

ELECTRIC DC BUS

Figure 1.2. Sources d’énergie

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Systèmes HybridesIntroduction

BATTERY SUPERCAP

GGG

GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR

LOAD DUMP

FUEL CELL

2H2 + O2

H2

GRIDELECTROLYZER

SO

UR

CE

LO

AD

ST

OR

AG

E

ELECTRIC DC BUS

THERMAL BUS

Figure 1.3. Charges

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Systèmes HybridesIntroduction

GGG

GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR

LOAD DUMP

SO

UR

CE

LO

AD

ST

OR

AG

E

FUEL CELL

2H2 + O2

ELECTROLYZER SUPERCAPBATTERYGRID

H2

ELECTRIC DC BUS

THERMAL BUS

Figure 1.4. Éléments de stockage

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Systèmes HybridesIntroduction

PARTICULARITÉ

Stockage d’énergie électrique par hydrogènePile à combustibleElectrolyseurRécipients

Hydrogène sous pressionHydrures…

Intéressant pour stockage longue durée

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Systèmes Hybrides

BATTERY

THERMAL BUS

SUPERCAP

GGG

GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR

LOAD DUMP

FUEL CELL

2H2 + O2

H2

GRIDELECTROLYZER

SO

UR

CE

LO

AD

ST

OR

AG

E

ELECTRIC DC BUS

Figure 1.5. Stockage par hydrogène

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2Exemples de Topologies de Systèmes Hybrides

Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE, INSTALLATION ISOLÉE

Fréquemment rencontréePays développés : alternative au réseauPays en voie de développement : électrification rurale

F. Valenciaga, P.F. Puleston« Supervisor Control for a Stand-Alone Hybrid GenerationSystem Using Wind and Photovoltaic Energy »IEEE Transactions on Energy Conversion, June 2005

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.1. Solaire-éolien, stockage à batteries, installation isolée

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE, RÉSEAU

StockageParticularité : réseau et batteries

justifiée uniquement pour renforcement d’un réseau faible

CaractéristiquesÉolienne : 1,5 kW ; PV : 2,5 kWBatteries : 44 kWh ; onduleur : 4 kWBus : 24 VDC

F. Giraud, Z.M. Salameh« Steady-State Performance of a Grid-Connected Rooftop HybridWind-Photovoltaic Power System with Battery Storage »IEEE Transactions on Energy Conversion, March 2001

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.2. Solaire-éolien, batteries de stockage, réseau

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

UPS PHOTOVOLTAÏQUE

CaractéristiqueBanc de batteries réduitIntérêt économique par rapport à UPS traditionnel

CaractéristiquesPanneaux PV : 3,7 kWOnduleur : 8 kVA

D. Menniti, A. Pinnarelli, N. Sorrentino« Gruppi di continuità integrati con sistemi fotovoltaici »Rivista ufficiale dell’AEIT, Ottobre 2005

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.3. UPS photovoltaïque

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE ET HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE

StockageBatteries : courte duréeHydrogène : longue durée

CaractéristiquesÉolienne : 10 kW ; panneaux PV : 1 kWElectrolyseur et FC : 5 kWBatteries : 42 kWh

K. Agbossou, M. Kolhe, J. Hamelin, T.K. Bose« Performance of a Stand-Alone Renewable Energy SystemBased on Energy Storage as Hydrogen »IEEE Transactions on Energy Conversion, September 2004

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.4. Solaire-éolien, batteries de stockage et hydrogène, installation isolée

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

SOLAIRE-ÉOLIEN, STOCKAGE À HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE

StockageUniquement par hydrogèneStabilité du système assurée par charge de dump et électrolyseur

CaractéristiquesÉolienne : 1 kW; Panneaux PV : 120 WElectrolyseur et FC : 3 kWBatteries : 1,35 kWh (pour comparaison)

D.B. Nelson, M.H. Nehrir, C. Wang« Unit Sizing and Cost Analysis of Stand-Alone HybridWind/PV/Fuel Cell Power Generation Systems »Renewable Energy, August 2005

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.5. Solaire-éolien, stockage à hydrogène, installation isolée

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

ÉOLIEN, STOCKAGE À HYDROGÈNE ET PAR SUPERCONDENSATEURS, INSTALLATION ISOLÉE

StockageSupercondensateurs : très court termeHydrogène : long terme

ParticularitéCogénération

M.J. Khan, M.T. Iqbal« Dynamic Modeling and Simulation of a SmallWind-Fuel Cell Hybrid Energy System »Renewable Energy, 30, 2005

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

THERMAL BUS

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.6. Éolien, stockage à hydrogène et par supercondensateurs, installation isolée

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

ÉOLIEN-DIESEL, STOCKAGE À HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE

StockageHydrogène uniquement

ParticularitésBus électrique alternatifGroupe électrogène (systèmes avec une seule source)

T. Senjyu, T. Nakaji, K. Uezato, T. Funabashi« A Hybrid Power System Using Alternative EnergyFacilities in Isolated Island »IEEE Transactions on Energy Conversion, June 2005

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC AC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.7. Éolien-diesel, stockage à hydrogène, installation isolée

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

UPS PHOTOVOLTAÏQUE-DIESEL

CaractéristiquesDouble bus électrique : alternatif et continuZones à réseau de distribution faible (Inde)PV : 2,5 kWAvantage : diminuer pollution du diesel

C.V. Nayar, M. Ashari, W.W.L. Keertipala« A Grid-Interactive Photovoltaic Uninterruptible Power Supply SystemUsing Battery Storage and a Back-Up Diesel Generator »IEEE Transactions on Energy Conversion, September 2000

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

G G

H2

GRID

GRID

DUMP SUPERCAP

ELECTRIC AC BUS

LINK

ELECTRIC DC BUS

Figure 2.8. UPS photovoltaïque-diesel

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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides

SOLAIRE-ÉOLIEN-DIESEL, CONNECTÉ AU RÉSEAU

CaractéristiquesDouble mode de fonctionnement

connecté au réseauisolé

Cogénération

W.D. Kellogg, M.H. Nehrir, G. Venkataramanan, V. Gerez« Generation Unit Sizing and Cost Analysis for Stand-aloneWind, Photovoltaic, and Hybrid Wind/PV Systems »IEEE Transactions on Energy Conversion, March 1998

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Systèmes Hybrides

G 2H2 + O2

LOAD BATTERY

SOLAR FUEL CELL

ELECTROLYZER

WIND HYDRAULIC GENERATOR

THERMAL BUS

G G

H2

GRID

GRID

ELECTRIC DC BUS

DUMP SUPERCAP

Figure 2.9. Solaire-éolien-diesel, connecté au réseau

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3Conclusion

Systèmes HybridesConclusion

CONCLUSION

Analyse des divers systèmes présents en littératureSchéma (modèle) général de système hybrideTypes différents de convertisseurs nécessaires

AC/DC – DC/DCunidirectionnel – bidirectionneldifférents niveaux de tensions et courantssystèmes de contrôle différents

Développements actuels et futursRéalisation d’un convertisseur pour FCContrôles du convertisseur et de la FC intégrés

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Systèmes HybridesConclusion

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