Commande et supervision énergétique d’un générateur hybride actif éolien incluant du stockage sous forme d’hydrogène et des super-condensateurs pour l’intégration dans le système électrique d’un micro réseau

Control and energy management of a hybrid active wing generator including energy storage system with super-capacitors and hydrogen technologies for microgrid application

• Auteur / Autrice : Tao Zhou
• Direction : Bruno François, Frédéric Colas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 30/06/2009
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Dauphin-Tanguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Colas, Yong-Dong Li, Stéphane Lecœuche, Gilles Notton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Davat, Daniel Hissel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Électrolyseurs

Piles à combustible

Hydrogène (combustible)

Énergie -- Stockage

Centrales éoliennes

Systèmes dynamiques hybrides

Centrales électriques

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Centrale Hybride

Générateur actif

Générateur éolien

Pile à combustible

Electrolyseur

Super-condensateur

Hydrogène

Supervision énergétique

Hybrid power system

Active generator

Wind generator

Fuel cell

Electrolyzer

Super-capacitor

Hydrogen

Energy management

Résumé

Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d’énergie renouvelable et des systèmes de stockage d’énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d’énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d’hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l’utilisation et l’adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande ; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le cout du développement du prototype expérimental ; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et enfin la proposition des stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d’assurer une disponibilité énergétique

A hybrid power system is studied in this thesis for the distributed generation based on renewable energy resources and energy storage systems in microgrid applications. It consists of a wind generator as primary energy source, super-capacitors as fast-dynamic storage system, fuel cells and electrolyzers as long-term storage system in hydrogen. They are all connected to a common DC bus and an inverter is used for the connection of the whole system to the grid. In this thesis, we have presented the system modeling, the control design including the power balancing and energy management strategies. This hybrid power system can finally supply controllable smooth powers as most conventional power plants. The performances have been tested in numerical simulations and also on an experimental test bench. As result, it is able to provide ancillary services to the microgrid. The main scientific contributions of this thesis are: the use and the adaptation of the graphical tools for the modeling of complex systems and their design; the design and the experimental implementation of real-time emulators in order to reduce the time and the cost of an experimental platform; the proposition and the validation of two power balancing strategies for the DC-bus voltage regulation and the grid power control and finally the proposition of energy management strategies for the active wind generator to ensure the energy availability