Modélisation et commande d'une interface à base d'un convertisseur NPC pour système de stockage hybride dédié micro-réseau

Modeling and control of NPC based converter interface for hybrid storage system dedicated to microgrid purposes

• Auteur / Autrice : Quentin Tabart
• Direction : Ionel Vechiu, Seddik Bacha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Xuefang Lin-Shi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkrim Benchaib, Jean-Paul Gaubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Modélisation des données (informatique)

Micro-réseaux électriques

Énergie -- Stockage

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Electronique de puissance

Stockage de l'énergie

Energie renouvelable

Micro-Réseaux

Modélisation

Simulation temps réel

Power elctronics

Energy storage

Renewable energy

Micro-Grids

Modelisation

Real time simulation

Résumé

La transition énergétique engagée ces dernières années a permis l’intégration croissante d’une production renouvelable au mix énergétique. Cette production renouvelable est souvent décentralisée et son énergie primaire aléatoire. Lorsque la Génération Décentralisée atteint des parts importantes de la production globale, des problèmes de planification, de qualité et de sécurité se posent. Ainsi le concept de microréseau propose de transformer les réseaux centralisés d’hier en réseaux de plus petites dimensions qui ont la particularité de pouvoir être autonomes les uns des autres.Les microréseaux permettent de maximiser l’efficacité de la transmission d’énergie de la source au consommateur en rapprochant géographiquement ces derniers et donc en diminuant les pertes liée au transport. Mais le manque d’inertie et de dispositif de soutiens au microréseau le rende faible et le stockage de l’énergie est nécessaire pour assurer son bon fonctionnement.Il est aussi montré que les technologies de stockages actuelles ne permettent pas de fournir à la fois une grande capacité d’énergie et de puissance en même temps, que ce soit pour des raisons technologique ou économique. Le stockage hybride est alors une solution qui allie les avantages de plusieurs technologies et permet aussi d’en réduire les inconvénients.Plusieurs topologies permettent de réaliser un stockage hybride. L’une d’entre elle utilise un convertisseur multiniveau pour interfacer deux stockeurs ou plus avec un réseau triphasé. Ce denier permet aussi l’injection d’une source de courant sur le bus DC. L’utilisation d’un seul convertisseur multiniveau NPC permet alors de réduire les pertes et les courants harmoniques, mais offre en contrepartie une flexibilité limitée comparé à des structures avec des étages de conversion intermédiaire. L’ajout d’un quatrième bras au convertisseur lui confère aussi la capacité de contrôler le courant dans le neutre et ainsi permet de gérer les déséquilibres de la charge tout en conservant les tensions équilibrées.Le travail de recherche est axé sur l’étude des limites structurelles et l’élaboration d’un algorithme de commande de la topologie multiniveau NPC à quatre bras utilisé comme interface entre une source d’énergie renouvelable, un stockage hybride et un microréseau. Dans un second temps des services systèmes comme la régulation en tension et en fréquence sont développés et testé en simulation et expérimentalement.

The increasing rise of distributed generation integration in the energy mix is a challenging issue. Indeed distributed generation based on renewable energy sources like solar and wind creates fluctuation of the grid’s parameter and can lead to minor issues like harmonics, over or under voltages, flicker and so on, or to major failure like blackouts. The concept of microgrid associated with energy storage systems is seen as a potential solution to increase renewable energy integration to the grid, while increasing efficiency and reliability at the same time.A review of energy Storage technologies is carried out and it results that currently none of these technologies can offer energy and power capabilities while fast response and efficiency at the same time. The use of Hybrid Energy Storage System allows to reach such performance. For this thesis, a Li-Ion and a Vanadium Redox Flow Battery have been selected for their good power and energy abilities respectively, and their high round trip efficiency.The main contribution of this work lies in the structural limits analysis of the topology and the control algorithm for the four leg three level NPC used as a multipurpose interface between a Renewable Energy Source, a Hybrid Energy Storage System and a Microgrid. The effectiveness of the proposed algorithms and limits model are tested both in simulation and experiments. Ancillary services like frequency and voltage support are then developed and tested in simulation under various conditions.