Étude d’un système hybride pile à combustible / microturbine dans un contexte microréseau rural isolé

Study of a fuel cell / microturbine hybrid system in an isolated rural microgrid context

• Auteur / Autrice : Sylvain Baudoin
• Direction : Jean-Michel Vinassa, Ionel Vechiu, Haritza Camblong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad del País Vasco
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Linda Barelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Riu, Corinne Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs multiniveaux

Simulation, Méthodes de

Micro-réseaux électriques

Réseaux électriques intelligents

Piles à combustible à oxyde solide

Biogaz

Mots clés libres

Système hybride

Solide Oxyde Fuel Cell

Microréseau isolé

Convertisseur 3LNPC

Modélisation

Dimensionnement

Contrôle

Hybrid system

Solide Oxyde Fuel Cell

Isolated microgrid

3LNPC converter

Modelling

Sizing

Control

Résumé

Les milieux ruraux, souvent distants du réseau électrique principal, sont particulièrement adaptés au déploiement de microréseaux (MR). Ce type de réseau permet une restructuration du réseau électrique d’aujourd’hui afin d'intégrer plus efficacement un plus grand nombre des sources d’énergie renouvelable. Le biogaz,obtenu par la méthanisation des déchets agricoles, est une ressource d’énergie renouvelable disponible dans les zones rurales. Cette ressource, facilement stockable en grande quantité, est particulièrement intéressante pour les réseaux faibles comme le MR. Les sources d’énergies valorisant le biogaz sont plus fiables et moins dépendantes de phénomènes stochastiques comme le vent ou l’éclairement solaire.Après un état de l’art sur les différentes technologies valorisant le biogaz, ilressort qu’un système hybride composé d’une pile à combustible de type SOFC et d’une microturbine (MT) permet d’atteindre le meilleur rendement électrique avec un faible impact environnemental.L’objectif global de la thèse est d’étudier le système SOFC/MT comme source principale dans un contexte MR rural isolé. Dans ce but, une modélisation du système a été réalisée en se focalisant sur les éléments ayant un impact sur la dynamique des signaux électriques du système. Le système hybride a ensuite été dimensionné dans le but de conserver un rendement électrique optimal et un unique convertisseur multiniveau de type 3LNPC est utilisé pour l'intégrer au MR. Comme une pile à combustible est sensible aux variations de charges (affectant son rendement et sa durée de vie), le premier objectif de la stratégie de commande appliquée au convertisseur 3LNPC est de réguler la puissance de la SOFC à sa valeur nominale. Le MR devant pouvoir fonctionner en autonomie lors de son ilotage, le deuxième objectif de cette stratégie est de fixer la tension et la fréquence du réseau.Les contrôleurs de la stratégie de commande sont conçus en attachant une importance particulière à la robustesse des correcteurs. Le fonctionnement du système hybride SOFC/MT, piloté par un unique convertisseur de type 3LNPC équipé d’une stratégie de commande originale, a été testé et validé en simulation puis expérimentalement sur la plateforme MR d’ESTIA-Recherche.

Rural areas, often far away from the main electric grid, are particularly suitablefor the deployment of microgrids (MG). This type of grid allows a restructuring oftoday's power grid in order to integrate more efficiently renewable power sources.Biogas, produced by anaerobic digestion of agricultural wastes, is a renewable energyresource available in rural areas. This resource, easily stored in large quantities, isparticularly interesting for weak grids like a MG. Energy sources using biogas are morereliable and less dependent on stochastic phenomena such as wind or solarillumination.After a state of the art on the different technologies enhancing biogas, it is clearthat a hybrid system consisting of a SOFC type fuel cell and a microturbine (MT)achieves the best electric efficiency with low environmental impact.The overall objective of the thesis is to study the SOFC / MT system as themain power source in an isolated rural MG context. For this purpose, a model of thesystem was carried out by focusing on the elements that affect the dynamics of thesystem's electrical signals. The hybrid system was then sized in order to maintainoptimal electrical performance, and a unique 3LNPC multilevel converter is used tointegrate the hybrid system to the MG. As a fuel cell is sensitive to load changes(affecting its performance and lifespan), the first objective of the control strategyapplied to the 3LNPC converter is to regulate the power of the SOFC at its nominalvalue. The MG must be able to operate autonomously when islanded, thus the secondobjective of this strategy is to set the grid voltage and frequency.The controllers of the control strategy are designed paying particular attention tothe robustness. The operation of the SOFC / MT hybrid system, driven by a single3LNPC type converter equipped with an innovative control strategy, has been testedand validated in simulation and experimentally in the MG platform of ESTIAResearch.