commande et supervision energétique d’un générateur

Commande et Supervision EnergCommande et Supervision Energéétique dtique d’’un Gun Géénnéérateur Hybride Actif Eolienrateur Hybride Actif Eolienincluant du Stockage sous forme dincluant du Stockage sous forme d’’HydrogHydrogèène et des Superne et des Super--CondensateursCondensateurs

pour lpour l’’IntIntéégration dans le Systgration dans le Systèème Electrique dme Electrique d’’un Micro Run Micro Rééseauseau

Doctorant: Tao ZHOUDoctorant: Tao ZHOUDirecteur: Bruno FRANCOIS Directeur: Bruno FRANCOIS

Equipe REquipe Rééseaux, L2EPseaux, L2EPEcole Centrale de LilleEcole Centrale de Lille

30 Juin 200930 Juin 2009

PlanPlan

Introduction

2

Générateur éolien

Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)

Générateur actif éolien

Conclusion et perspectives

Eolien associé avec des super-condensateurs

PlanPlan

3






Introduction Contexte; Sujet; Solutions; Méthodes

4

-Générateur

G

Stockage

GénérateurG

Charge

Charge

Contexte: Micro réseau - intégration des générateurs décentralisés

Regrouper les producteurs dispersés et les consommateurs locaux- Minimisation des pertes dues au transport de l’électricitéPossibilité de cogénération - Augmentation du rendement de la génération des énergiesFacilité d’utilisation d’un bus de communication- Possibilité d’échange d’informations

Supervision centrale - Réception des informations- Consignes de productionGestion techno-économique - Optimisation de la production électrique- Renforcement de la qualité

et la fiabilité du system électrique

ContexteContexte

Infr

astr

uctu

reG

estio

n

5

Contexte: IntContexte: Intéégration des gration des éénergies renouvelables dans le micro rnergies renouvelables dans le micro rééseauseau

Buts:Réduction de l’émission de CO2

Réduction de la consommation des combustibles fossiles

ProblèmesCondition climatique intermittente et fluctuanteProduction aléatoire et difficilement prévisibleImpacts sur le réseau électriqueDifficulté à réaliser l’adéquation entre la production et la consommation

Solution dSolution dééveloppveloppéée dans cette the dans cette thèèseseGénérateur actif à base d’énergie renouvelable (qui fonctionne comme un alternateur classique)

ContexteContexte

0 100 200 300 400 500 60002468

1012

T e m p s [ s ]

V i t e s s e d u v e n t [ m / s ]

6

Objectif:Objectif:Transformer un gTransformer un géénnéérateur rateur àà base dbase d’é’énergie nergie ééolienne en un golienne en un géénnéérateur actif rateur actif pouvant participer pouvant participer àà la gestion du micro rla gestion du micro rééseauseau

Contraintes:Contraintes:Production Production ééolienne intermittente et fluctuanteolienne intermittente et fluctuantePuissance stable demandPuissance stable demandéée par le micro re par le micro rééseau sur une fenêtre temporelleseau sur une fenêtre temporelle

Solution:Solution:MatMatéérielle rielle SystSystèèmes de stockage dmes de stockage d’é’énergie: nergie:

Equilibrage temps rEquilibrage temps rééel de la puissance ( millisecondes el de la puissance ( millisecondes secondes secondes minutesminutes))Gestion de la disponibilitGestion de la disponibilitéé de lde l’é’énergie (nergie (minutesminutes heures heures joursjours))

Commande Commande Supervision Supervision éénergnergéétiquetiqueFonctions de contrôle additionnelles Fonctions de contrôle additionnelles àà imaginerimaginer

SujetSujet

S u p e r v i sio n é n e r g é t i q u e lo c a le

M a inIn v e r t e r

D C b u s

S u p e r -C a p a c i to r s W in d G e n e r a t o r

7

Système hybride multi sourcesSource d’énergie renouvelable


Systèmes de stockageStockage à dynamique rapide par super condensateurs pour l’équilibrage temps réel des puissancesStockage sur le long-terme par Hydrogène (pile à combustible et électrolyseur) pour garantir la disponibilité énergétique

Supervision énergétique localeRépartition interne des flux de puissancesFourniture externe de services « système »: puissance active et réactive; courbe de statisme puissance/fréquence

Cas dCas d’’applicationapplication

8

Outils Modèle moyenGraphe Informationnel Causal (GIC)Représentation Energétique Macroscopique (REM) [Bou 00]Représentation Multi-Niveau (RMN) [Li 08]

Démarche

Real System System modelSystem modeling

Control devices Control implementation

Controlapplication

Controlapplication

Systememulator

Emulatorconstruction

Comparison

Control algorithm

Controldesign

MMééthodesthodes

PlanPlan

Introduction

9





Générateur éolienModélisation; Commande hiérarchique; Asservissement des grandeurs physiques; Contrôle des puissances

10

Système étudiéGénérateur éolien à vitesse variable connecté au réseau

Modélisation (par REM)objectif: faire apparaitre les chaînes d’actions et les grandeurs contrôlables

GGéénnéérateur Eolien: Modrateur Eolien: Modéélisationlisation

turbine Shaft & gearbox

Electrical machine 3

AC

DC

C

3-phase rectifier N°2

Control syst

Dc bus 3

DC

AC

em

3-phase inverter N°1 line filters Grid with transformer

Wind

vwind Ttur ΩmΩ tur

TmFp Tgear

wind turbine inertia gearbox

Ω tur β

ac esdq isdq i

mac usdq isdq u

Electrical machine 3

ireimac

mrec udurec

3-phase rectifier

ec

dc

udc

iinv

3-DC bus

udc

idc

dc uin

ilminv

-phase inverter

nv

il

il

ugr

r line filter

Grid

rid

r grid

Vitesse de rotation de la turbine Puissance primaireCourant de la connexion au réseau Puissance envoyée

11

Organisation hiérarchique de la commande [Hau 99]Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique

DC Bus

Rectifier N°2 AC/DC W

ECS

Inverter N°1DC/AC

Electrical Grid

Wind Generator

Mode Control Unit (M.C.U.) for the long-term energy management

Microgrid requirements

Mea

s

Contrôle desmodes de marche

-5V, +15V

S.C.U. 2

[0,1]

S.C.U. 1

[0,1]nica

tion

-5V, +15V

Contrôle desConvertisseurs

A.C.U. WG

Tgear_ref

A.C.U. GC

il_ref d co

mm

un

Syste

m

Contrôle desGrandeurs d’état

Power Control Unit (P.C.U.) for the instantaneous power balancing

urem

ent a

nd

Power references & operating mode

Cont

rol

Contrôle despuissances

Chaîne de commande

Supervisionénergétique

local

12

Contrôle et asservissement des grandeurs physiques (par REM)Objectifs

Couple de la turbine (Tgear_ref)Courant de la connexion au réseau (Il) Tension du bus continu (Udc)

Méthode de conception des trois fonctions de commandePar inversion des chaînes d’action visualisées sur la REM

Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique

udc_ref idc_ref

Wind

vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ω tur imac

mrec Ω tur Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec

wind turbine inertia gearbox electrical machine 3-phase rectifier

Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

3-phase inverter line filter grid DC bus

udc

idc

urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref

esdq ~

uinv_ref il_ref

13

Objectif établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesMéthodes par calcul direct ou inverse des puissances

Contrôle des puissances

Wind

vwind Ttur Ω mac esdq isdq irec imac

mrec Ω tur TmacFp usdq udc isdq Tgear urec

Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

udc

idc

urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref uinv_ref

il ref udc_ref

idc_ref

Ω tur

Control scheme

System modeling

esdq ~

pwg ref pg_ref Int2c Int1c

_ f

Int0e pdc_ref

Power control

pg pwg Int2 Int1 Int0

pdcPower

calculationEolien Bus continu Réseau

14

Objectif maximiser la puissance éolienne extraiteéquilibrer en temps réel les puissances

Méthodes par bilan de puissance

Répartition des puissances

Wind



Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

udc

idc


il ref udc_ref

idc_ref

Ω tur

Control scheme

System modeling

esdq ~


_ f

Int0e pdc_ref

Power control

Pow1 Power flow

Wind Power

Strategy

Power sharing


pdc Power

calculation

Eolien Bus continu Réseau

qg_ref Pow1e

15

Objectif maximiser la puissance éolienne extraiteéquilibrer en temps réel les puissances

Méthodes par bilan de puissance

Répartition des puissances

Wind


mrec Ω tur TmacFp usdq udc isdq Tgear urec

Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

udc

idc


il ref udc_ref

idc_ref

Ω tur

Control scheme

System modeling

esdq ~


_ f

Int0e pdc_ref

Power control

Pow1 Power flow

Wind Power

Strategy

Power sharing


pdcPower

calculation

Eolien Bus continu Réseau

qg_ref Pow1e

Représentation équivalente par schéma bloc

16

Organisation de la commande hiOrganisation de la commande hiéérarchiquerarchique

qgc_ref

idc_r ef

pw g_ref

Tgear_r ef il _ref

qg _ref pdc_ref

G rid power control

pg _ref

Power Control Unit (P .C.U.)

Ω gear

)

udc ) ugrid )

udc_ref

Automatic Control Unit (A.C.U) uinv_ref

minv_ref

Switching Control Unit (S.C.U.)

Sin v Sin v_ ref

S.C.U.1

ur ec_ref

mrec_r ef

Srec t

Srec_ ref

S.C.U.2

Tmac_ref PI + -

Corre ctor

Clos ed loop

mgear 1

i l

)

ugrid )

udc )

udc

) udc

)

Line Current Control

Field Oriented Control

Power control Power sharing Wi nd power

strategies + -

Operating mode

Con

trôl

e de

s co

nver

tisse

urs

Con

trôl

e de

s gr

ande

urs d

’éta

tC

ontr

ôle

des

puiss

ance

s

PlanPlan

Introduction

17





Eolien + Super-condensateursModélisation; Commande hiérarchique; Contrôle et asservissement des grandeurs physiques; Supervision de la répartition des puissances

18

Objectif Lisser la puissance éolienne transitée au réseau

Modélisation faire apparaitre les chaines d’actions et les grandeurs contrôlables

Générateur éolien associé avec des super-condensateurs

DC

AC

AC

DC

HPS Control system

turbine Shaft & gearbox

Electrical machine 3-phase rectifier N°2 line filters Dc bus 3-phase inverter N°1 Grid with transformer

DC

DC

super-capacitors choke filter dc chopper N°3

Wind

vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ωshaft imac

mrec Ωshaft Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec

wind turbine inertia gearbox Electrical machine 3-phase rectifier N°2

Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

3-phase inverter N°1 line filter grid dc coupling

udc

idc

isour

udc

dc bus

SC

filter inductor chopper N°3 usc

um_sc udc

im_sc isc

isc msc

super-capacitor

Courant des super-condensateurs Psc

19

Commande hiérarchique

Wind

vvent Ttur Ω mac esdq isdq irec Ω tur imac


wind turbine inertia gearbox Electrical machine rectifier N°2

Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv

inverter N°1 line filter grid dc bus

udc

idc

isour

udc

SC

choke filter chopper N°3 capacitor usc

um_sc udc

im_sc isc

isc

urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref

Tgear_ref

uinv_ref

il_ref udc_ref

idc_ref um_sc_ref isc_ref

Super-capacitor

msc

esdq ~

Contrôle et asservissement (par REM)Méthode: par inversion des chaînes d’action

Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique

Contrôle de convertisseur

Contrôle et asservissement des grandeurs physiques

ifc_ref+ –

)

ifc

Corrector

PI um_fc_ref mfc_ref

)

udc

+ +

) ufc

20

Contrôle des puissancesContrôle des puissancesCalcul des 3 références pour le contrôle des puissances (par RMN)

Objectif établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesMéthodes par calcul direct ou inverse des puissances

Tgear_ref il_ref isc_ref tur

idc_ref & control

pg pwg

Int2 Int0 Int1

pdc

Int3

psc Power

calculation

pwg_ref pg_ref qg_ref

Int2c Int0e Int1c

psc_ref Int3c

pdc_ref

Power control

q

Tgear isc Ω tur usc

idc udc

il ugrid Modeling

& control

21

Modélisation des flux de puissancesMéthodes par bilan de puissance (par RMN)

Tgear_ref il_ref isc_ref tur

idc_ref & control

pg pwg

Int2 Int0 Int1

pdc

Int3

psc Power

calculation

pwg_ref pg_ref qg_ref

Int2c Int0e Int1c

psc_ref Int3c

pdc_ref

Power control

q

pg pwg Pow1

Wind generator Grid connection Super-capacitors DC bus

Pow2 psour Power flow

g_ f

Power balancing strategies Power sharing

qgc_ref pgc_ref

Tgear isc Ω tur usc

idc udc

il ugrid Modeling

& control

22

Commande hiCommande hiéérarchiquerarchiqueCommande hiérarchique représentée par schéma bloc

Con

trôl

e de

s co

nver

tisse

urs

Ass

ervi

ssem

ent

des g

rand

eurs

Rép

artit

ion

des p

uiss

ance

s

pwg_ref pg_ref qg_refpsc_ref pdc_ref

Power balancing strategies Power

sharing qgc_ref pgc_ref

23

Objectifs de la répartition des puissancesComment calculer la puissance à échanger avec les SC (psc_ref) et la puissance envoyée au réseau (pg_ref)à partir de la puissance pour le réglage du bus continu (pdc_ref) et la puissance demandée par le microréseau (pgc_ref) ?

RRéépartition des puissancespartition des puissances

Deux stratégies pour le contrôle du bus continuEn utilisant le micro réseau électrique

Stratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)pg_ref est calculée avec pdc_ref, psc_ref peut être utilisée pour pgc_ref

En utilisant le stockageStratégie de répartition des puissances (power dispatching)

psc_ref est calculée avec pdc_ref, pg_ref peut être utilisée pour pgc_ref

Grid followingPower dispatching24

Principe : Utiliser le bilan de puissance pour calculer les puissances de référenceConcept

Bus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source

Tgear_ref il_ref

pg

pwg_ref

Int2 Int0 Int1

pg_ref qg_ref

Int2c Int0c Int1c

Wind energy generation system Grid connection system

pdc

psc_ref

Int3

Int3c

psc

Super-capacitor power conversion t

DC bus

Tgear

isc_ref

isc Ω tur usc

idc_ref

idc udc

il ugrid

pdc_ref

Pow2 psour

MPPT Strategy

pwg Pow1

Pow1e Pow2e

Pow2c

pwg ~

psc

)

psour ~

qgc_ref

pgc_ref Pow1c psour_ref pwg ~

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control

11èèrere stratstratéégie: sgie: s’’appuyant sur le rappuyant sur le rééseau (seau (gridgrid followingfollowing))

25

Représentation par schéma-bloc

Tgear_ref il_ref

pg

pwg_ref

Int2 Int0 Int1

pg_ref qg_ref

Int2c Int0c Int1c


pdc

psc_ref

Int3

Int3c

psc


DC bus

Tgear

isc_ref

isc Ω tur usc

idc_ref

idc udc

il ugrid

pdc_ref

Pow2 psour

MPPT Strategy

pwg Pow1

Pow1e Pow2e

Pow2c

pwg ~

psc

)

psour ~

qgc_ref

pgc_ref Pow1cpsour_ref pwg ~

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control


26

Principe : Utiliser le bilan de puissance pour calculer les puissances de référence Concept

Bus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau

Tgear_ref il_ref

pg

pwg_ref

Int2 Int0 Int1

pg_ref qg_ref

Int2c Int0c Int1c


pdc

psc_ref

Int3

Int3c

psc


DC bus

Tgear

isc_ref

isc Ω tur usc

idc_ref

idc udc

il ugrid

pdc_ref

Pow2 psour

MPPT Strategy

pwg Pow1

Pow1c Pow2c qgc_ref

pgc_ref

pwg ~

) psour_ref

pg_ref

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control

22èèmeme stratstratéégie: rgie: réépartition de puissance (power dispatching)partition de puissance (power dispatching)

27

Tgear_ref il_ref

pg

pwg_ref

Int2 Int0 Int1

pg_ref qg_ref

Int2c Int0c Int1c


pdc

psc_ref

Int3

Int3c

psc


DC bus

Tgear

isc_ref

isc Ω tur usc

idc_ref

idc udc

il ugrid

pdc_ref

Pow2 psour

MPPT Strategy

pwg Pow1

Pow1c Pow2c qgc_ref

pgc_ref

pwg ~

) psour_ref pg_ref

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control

Représentation par schéma-bloc


28

Implémentation expérimentale

Tests ExpTests Expéérimentauxrimentaux

Emulateur depuissance éolienne

(1.2kW)

Système de stockagepar super-condensateurs

(9 kW.min)

TransformateurTriphasé pour la

connexion au réseau

DSpace 1103 pour la commande du système

Coffret des convertisseursélectroniques de puissance

avec le bus continu

Interface de commande

par ordinateur

29

Interface de commande via l’écran d’ordinateur

Tests ExpTests Expéérimentauxrimentaux

Sécu

rité

Con

signe

sSt

ocka

ge

Flux

de

puis

sanc

es

30

Comparaison expérimentale des deux stratégies

0 20 40 60 80 100 120 time (s)

Stratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)

Stratégie de répartition de puissance (power dispatching)

Wind power pwg (W)

Grid active power pg (W)

Super-capacitor power psc (W)

0 20 40 60 80 100 120 time (s)



Super-capacitor voltage usc (V)

PlanPlan

Introduction

31





Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)Principe de fonctionnement; Modélisation; Validation expérimentale des modèles; Emulateurs temps réel

32

Entrée H2O

H+

H2

H2O O2

Sortie O2 Sortie H2

Sortie H2

e– e–

← e– (+) Anode Cathode (–)

Membrane

Electrodes

e–← Water electrolysis

Principe de fonctionnement (technologies PEM) [Lar 00]

Caractéristique électrique d’une celluleComposant à faible tensionTrès non-linéaireBesoin d’identifier les modèlespour concevoir l’émulateur temps réel

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement

Sortie H2O

H+

H2

H2O O2

Entrée O2 Entrée H2

Entrée H2

e– e–

→ e– (+) (–)

Membrane

Electrodes

e–→ Fuel cell

33

Modélisation (technologies PEM) [Lar 00]

fcfcfccellfc VEVR ∆−=_3_ :

−++

=∆

fc

fcfcfcfc

fc

fcfcfcfc j

jBjr

jj

AVRlim__0

4_ 1lnln:

fc

fcfcfc S

ijR =:5_

cellfcfcfc VnuR =:8_

ModModéélisation simplifilisation simplifiééee

elelcellelel EVVR −=∆ _3_ :

−++

=∆

el

elelelel

el

elelelel j

jBjrjjAVR

lim__04_ 1lnln:

elelelel jSiR =:5_

elel

elcellel un

VR 1: _8_ =

Matériels étudiésSystème Electrolyseur (CETH Genhy 500W)

34

Validation des modValidation des modèèlesles

Matériels étudiésSystème Pile à Combustible (Ballard Nexa 1200W)

35


Comparaison entre les résultats mesuréset des modèles propose

Electrolyseur (EL)Pile à combustible (PAC)

36

Paramètres identifiés pour PAC (65°C & 1bar)

Paramètres identifiés pour EL (45°C & 7bar)


Tension de la pile à combustible (V)

28

31

34

37

40

43

46

0 5 10 15 20 25 30 35

Experimental curve

Modeling curve

Courant de la pile à combustible (A)

9101112131415161718

0 10 20 30 40

Experimental CurveModelingl Curve

Tension de l’électrolyseur (V)

Courant de l’électrolyseur (A)

37

Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelelConstruction des émulateurs

Sources équivalentes

Conceptions

Power Conditioning ufc

ifc

Fuel cell

Ls

us

im_s

ufc

Power electronic stage

PC

Interfacing card (ADC and DAC) DSP card

Measurement card

Driving card

Control stage

Chopper

DC voltage

source um v

Cs

ifc ufc ms_ref

ifc

Power Conditioning

Power Conditioning uel

iel

Electrolyseur

Ls

us

im_s

uel

Power electronic stage

S

D

PC

Interfacing card (ADC and DAC) DSP card

Measurementcard

Driving card

Control stage

Power Conditioning

Chopper

Reversible dc power source

elu) eli)

iel

um_el

ms_ref

v

Construction des émulateursImplémentations

38

Emulateur de la pile à combustible

Chopper DSPace 1102 for the fuel cell modeling

&control equations

Feed back control for the power stage

Diode Choke

Capacitor

Emulateur de l’électrolyseur

DiodeDSPace1102 for the electrolyzer modeling &control equations

Feed back control for the power stage

Chopper

Choke

Source DCalimentation

stabilisée

Source DCréversible

Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelel

Interface de commande par l’écran d’ordinateur

39

Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelel

Relevé des courbes expérimentales par l’oscilloscope

Control Panel (Electrolyzer emulator)

Em ulator voltage (V) Offset = 30V

Emulated hydrogen consumption rate

(1V=7.8x10-3m ole/s)

Emulator power (1V = 1W)

Emulator current (1V = 1A)

Fuel cell emulator

Emulator voltage (V) Offset = 10V

Emulated hydrogen production rate

(1V=7.8x10-3mole/s )

Emulator power (1V = 1W)

Emulator current (1V = 1A)

Electrolyzer emulator

Control Panel (Fuel cell emulator)

PlanPlan

Introduction

40





Générateur actif éolienModélisation; Commande hiérarchique; Contrôle et asservissement des grandeurs physiques; Supervision de la répartition des puissances; Contrôle des modes de marche; Rendement du système

41

GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Modolien: Modéélisationlisation

Wind




Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv


udc

idc

isour

udc

dc bus

SC

inductorchopper N°3 usc

um_scudc

im_sc isc

isc

super-capacitor

PAC

inductor chopper N°4 ufc

um_fc udc

im_fc ifc

ifc

fuel cell stack

EL

capacitor chopper N°5 iel

iLel udc

im_el uel

uel

Electrolyzer stack inductor

um_el

iLel

udc

iH2

isto udc

msc mfc

mel

Modélisation (par REM)Chaines d’actionGrandeurs à contrôler

Super-condensateursLisser la puissance éoliennetransité au réseau

Hydrogène (PAC et EL)Garantir la disponibilitéénergétique du système

Tension EL

Courant PAC

Wind




Grid

udc

iinv

uinv

il

il

ugrid minv


udc

idc

isour

udc

dc bus

urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref

Tgear_ref

uinv_ref

il_ref

udc_ref

idc_ref

SC

inductor chopper N°3 usc

um_sc udc

im_sc isc

isc

um_sc_ref isc_ref

super-capacitor

FC

inductor chopper N°4 ufc

um_fc udc

im_fc ifc

ifc

um_fc_ref ifc_ref

fuel cell stack

EL

capacitor chopper N°5 iel

iLel udc

im_el uel

uel

iLel_ref

uel_ref

Electrolyzer stack inductor

um_el

iLel

udc

iH2

isto udc

um_el_ref

msc mfc

mel

esdq ~

42

Structure de commande hiérarchiqueCommande hiCommande hiéérarchiquerarchique

Contrôle et asservissement (REM)

Contrôle des convertisseur

Asservissement des grandeurs physiques

43

Structure de commande hiérarchiqueGGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Commande hiolien: Commande hiéérarchiquerarchique

Contrôle des convertisseur

Asservissement des grandeurs physiques

Contrôle et asservissement

Int3 Int1

psc Power

calculation Int4 Int2 Int0 Int5

pfc pdc pg pwg pel

44

il_ref isc_ref

isc usc

il ugrid

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

Tgear Ω tur

Modeling & control idc_ref

idc udc

uel_ref

uel iel

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c Power control

pfc_ref

Int4c

pwg_ref

Int2c

pdc_ref

Int0e

pel_ref

Int5c

psc_ref

Contrôle des puissancesContrôle des puissancesCalcul des 5 références pour le contrôle des puissances (par RMN)Méthode:

Calcul des puissances, établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesDétermination des références par calcul direct ou inversion des équations

45

Commande hiérarchique représentée par schéma bloc

Con

trôl

e de

s co

nver

tisse

urs

Ass

ervi

ssem

ent d

es

gran

deur

sR

épar

titio

nde

s pui

ssan

ces

RRéépartition des puissancespartition des puissances

Int3 Int1

psc Power

calculation Int4 Int2 Int0 Int5

pfc pdc pg pwg pel

46

il_ref isc_ref

isc usc

il ugrid

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

Tgear Ω tur

Modeling & control idc_ref

idc udc

uel_ref

uel iel

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c Power control

pfc_ref

Int4c

pwg_ref

Int2c

pdc_ref

Int0e

pel_ref

Int5c

psc_ref Power sharing

Power balancing strategies qgc_ref pgc_ref

Power flow

pg

pwg

Pow3 Pow4 Pow1 Pow2 pel pH2 psto psour

Modélisation des flux de puissancesMéthodes par bilan de puissance (par RMN)

Pow2

Pow1Pow3Pow4

GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Rolien: Réépartition des puissancespartition des puissancesObjectifs de la répartition des puissances

Comment calculer :_ la puissance à échanger avec les SC (Psc_ref),_ la puissance générée par la PAC (Pfc_ref),_ la puissance consommée par l’Electrolyseur (Pel_ref),_ la puissance envoyée au réseau (Pg_ref),

à partir de _ la puissance pour le réglage du bus continu (Pdc_ref) et

_ la puissance demandée par le micro réseau (Pgc_ref) ?

Deux stratégies pour le contrôle du bus continu (comme précédemment)

Une stratégie de répartition des flux de puissance avec les stockages respectant ladynamique lente de la filière H2

Pow4c

pH2_refpsto_ref pfc_ref

pel_ref Selector

Pow3c’

Low pass filter & slope limiter

Pow3c

+

_ psc_ref

pH2 ~

Pow3Pow4

pwg_ref pg_ref qg_ref psto_ref pdc_ref

Power balancing strategies Power

sharing qgc_ref pgc_ref

48

Grid followingPower dispatching

GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Rolien: Réépartition des puissancespartition des puissancesDeux stratégies pour le contrôle du bus continu

En utilisant le micro réseau électriqueStratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)

Pg_ref est calculée avec Pdc_ref, Psto_ref peut être utilisée pour Pgc_ref

En utilisant le stockageStratégie de répartition des puissances (power dispatching)

Psto_ref est calculée avec Pdc_ref, Pg_ref peut être utilisée pour Pgc_ref

49

il_ref

Int3 Int1

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c

Wind generator Grid

psc

Fuel cells DC bus

isc_ref

isc usc

il ugrid

pfc_ref

Int4

Int4c

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

pwg_ref

Int2

Int2c

Tgear Ω tur

pdc_ref

Int0

Int0e

idc_ref

idc udc

Super-capacitors Electrolyzers

pel_ref

Int5

Int5c

uel_ref

uel iel

pg

pwg

Pow1

pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2Pow3 Pow4

Pow1e Pow2e Pow3e Pow4e

psc_ref

Pow1c Pow2c Pow3c

Pow4c

psour

pwg ~

psto pH2

Pow3c’

qgc_ref

pgc_ref

MPPT Strategy psc

) pel

)

psour_ref psto_ref

pH2_ref

pfc

)

Power flow

Power calculation

Power control

Power sharing

Modeling & control

~ ~ ~

ConceptBus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source


50

il_ref

Int3 Int1

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c

Wind generator Grid

psc

Fuel cells DC bus

isc_ref

isc usc

il ugrid

pfc_ref

Int4

Int4c

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

pwg_ref

Int2

Int2c

Tgear Ω tur

pdc_ref

Int0

Int0e

idc_ref

idc udc


pel_ref

Int5

Int5c

uel_ref

uel iel

pg

pwg

Pow1

pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2 Pow3 Pow4

Pow1e Pow2e Pow3e Pow4e

psc_ref

Pow1c Pow2c Pow3c

Pow4c

psour

pwg ~

psto pH2

Pow3c’

qgc_ref

pgc_ref

MPPT Strategy psc

) pel

)

psour_ref psto_ref

pH2_ref

pfc

)

Power flow

Power calculation

Power control

Power sharing

Modeling & control

~ ~ ~

ConceptBus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source


il_ref

Int3 Int1

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c

Wind generator Grid

psc

Fuel cells DC bus

isc_ref

isc usc

il ugrid

pfc_ref

Int4

Int4c

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

pwg_ref

Int2

Int2c

Tgear Ω tur

pdc_ref

Int0

Int0e

idc_ref

idc udc


pel_ref

Int5

Int5c

uel_ref

uel iel

pg

pwg

Pow1


Pow4e

psc_ref

Pow1c Pow2c Pow3c

Pow4c

pwg ~ pH2

Pow3c’

qgc_ref

pgc_ref

MPPT Strategy

pfc

)

pel

) psour_ref psto_ref

pH2_ref

pg_ref

)

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control

~

51

ConceptBus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau


il_ref

Int3 Int1

pg_ref qg_ref

Int3c Int1c

Wind generator Grid

psc

Fuel cells DC bus

isc_ref

isc usc

il ugrid

pfc_ref

Int4

Int4c

ifc_ref

ifc ufc

Tgear_ref

pwg_ref

Int2

Int2c

Tgear Ω tur

pdc_ref

Int0

Int0e

idc_ref

idc udc


pel_ref

Int5

Int5c

uel_ref

uel iel

pg

pwg

Pow1


Pow4e

psc_ref

Pow1c Pow2c Pow3c

Pow4c

pwg ~ pH2

Pow3c’

qgc_ref

pgc_ref

MPPT Strategy

pfc

)

pel

) psour_ref psto_ref

pH2_ref

pg_ref

)

Power flow

Power calculation

Power control Power

sharing

Modeling & control

~

52

ConceptBus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau


53

Implémentation expérimentale

Tests expTests expéérimentauxrimentaux

Composants émulés:Générateur de puissance éoliennePile à combustibleElectrolyseur

Composant réels:Convertisseur électroniques de puissanceBus continuConnexion au réseauSuper-condensateursCarte de commande numérique

54

Sécu

rité

Con

signe

sSt

ocka

ge

Flux

de

puis

sanc

es

Interface de commande par écran d’ordinateur

Tests expTests expéérimentaux rimentaux

Résultats expérimentauxStratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)

55

Wind power pwg (W)

Fuel cell power pfc (W)

Electrolyzer power pel (W)


0 20 40 60 80 100 120 time (s) 0 20 40 60 80 100 120 time (s)




Résultats expérimentauxStratégie de répartition de puissance (power dispatching)

56

Wind power pwg (W)

Fuel cell power pfc (W)



0 20 40 60 80 100 120 time (s) 0 20 40 60 80 100 120 time (s)




57

Mode normalTous les systèmes de stockagesont disponibles

Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marcheMicro réseau supposé

Consigne de puissanceimposée à chaque unitéde production pour chaquepériode de 30 minutes

Générateur actif éolienDifférents modes de marche suivant l’état de stockage

2max_

2

max_ sc

sc

sc

scsc u

uE

ELevel ==

58

Définition des niveaux de stockage

max_2

2

max_2

22

H

H

H

HH P

PE

ELevel ==

Définition des états de stockage

Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marche

59

Définition des modes de marche

Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marche


0 50 100 150 200 250 time (s)



60

psc_ref

pel_ref

pgc_ref

pwg_ref

Pow4c

Selector pH2_ref

pfc_rated

pel_rated

pwg_rated

0

pfc_ref

pg_ref

M=ModeNF

Mode Switching

psc_ref

pel_ref

pgc_ref

pwg_ref

Pow4c

Selector pH2_ref

pfc_rated

pel_rated

pwg_rated

0

pfc_ref

pg_ref

M=ModeNE

Mode Switching


0 50 100 150 200 250 time (s)


Fuel cell power pfc(W)

Mode « SC chargé »

Mode « SC déchargé »

Mode de marche dMode de marche déégradgradéé des superdes super--condensateurscondensateurs

PlanPlan

Introduction

61






62

Conclusion

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

Système hybride multi sourceEolien Source primaire à base d’énergie renouvelableSuper-condensateurs stockage à dynamique rapide pour équilibrer en temps réels les flux de puissancePile à combustible + Electrolyseur Stockage sur le long termepour garantir une disponibilité énergétique

Travaux de recherche effectuésModélisation et Conception de commandeConception des stratégies de répartition des puissancesProposition des stratégies de gestion énergétiqueImplémentation expérimentale d’un banc d’essai

Objectif généralDévelopper un générateur actif éolien pouvant participer à la gestion d’un micro réseau (Pref, Qref)

63

Contributions


l’utilisation et l’adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et pour la conception de leur commande;

la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le coût du développement du prototype expérimental;

la proposition et la validation de deux stratégies de répartition des puissances pour le control du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau;

la proposition de stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour assurer la disponibilité énergétique du générateur actif éolien.

64

Perspectives


Implémentation à grand puissanceSous hautes tensions et forts courantsNouvelles contraintes de dimensionnement et de sécurité

Implémentation avec les vrais systèmes de pile à combustible et d’électrolyseurContraintes réelles non-électriquesPassage du prototype laboratoire au produit industriel

Evaluation techno-économiqueAvec le dimensionnement optimisé du systèmeAvec la prise en compte de l’impact environnementalPermettant la comparaison des différentes solutions.

65

commande et supervision energétique d’un générateur

Documents