Architecture et étude d’un système électrique hybride destine à l’autonomie d’une zone rurale

Architecture and study of a hybrid electric system for the autonomy of a rural area

• Auteur / Autrice : Mariama Said Mohamed
• Direction : Bernard Davat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Abdelaziz Hamzaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Davat, Brayima Dakyo, Corinne Alonso, Angel Scipioni, Mohammed El Ganaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brayima Dakyo, Corinne Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Stockage

Hydrogène

Piles à combustible

Énergie éolienne

Systèmes photovoltaïques

Modèles mathématiques

Systèmes dynamiques hybrides

Systèmes à énergie totale

Mots clés libres

Système d’énergie hybride

Photovoltaïque

Éolien

Pile à combustible

Stockage d’hydrogène

Commande

Simulation

Hybrid energy system

Photovoltaic

Wind turbine

Fuel cell

Hydrogen storage

Control

Simulation

Résumé

Le travail présenté est axé sur l’étude de l’architecture d’un système électrique hybride (SEH) constitué de différentes sources. Dans un premier temps, nous avons étudié une configuration constituée de sources, photovoltaïque, éolienne, pile à combustible de type PEM et de systèmes de stockage, batteries, électrolyseur et réservoir d’hydrogène. Puis dans un second temps, nous avons conservé de la configuration présentée uniquement le stockage par hydrogène afin d’assurer l’autonomie électrique d’une zone rurale aux Comores. Le couplage de ces différentes sources a pour but d’améliorer les performances, la disponibilité du réseau électrique résultant, la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues et surtout la satisfaction des besoins en utilisant chaque source de façon raisonnée. Nous avons d’abord effectué une étude détaillée des principaux composants de notre système. Ensuite, nous avons établi les modèles mathématiques qui décrivent le comportement des différentes parties de notre système d’énergie hybride, modèles utiles pour la modélisation de l’ensemble. Les systèmes PV et éolien sont contrôlés par l’application d’une commande MPPT pour maximiser la puissance délivrée. Dans la première configuration, le processus de charge/décharge de la batterie contribue à la stabilisation de la tension du bus continu. La pile à combustible est utilisée pour rendre le système plus durable. Elle contribue également à la stabilisation de la tension du bus continu, en cas de trop forte décharge des batteries. Nous montrons ensuite que l’utilisation d’un filtre d’harmonique constitue une technique efficace pour réduire le taux de distorsion harmonique. Ce qui montre que le système proposé est bien compensé aux niveaux des harmoniques et du réactif quel que soit le mode de fonctionnement, normal ou déséquilibré. Les résultats de simulation présentés ont illustré le fonctionnement des différents composants du SEH en régimes transitoires et permanents. La solution proposée, analysée avec le logiciel HOMER, permet d’envisager une solution aux problèmes d’alimentation d’une zone rurale située aux Comores ou dans des endroits soufrant de surcharge ou même d’affaiblissement de la tension en ayant uniquement recours au stockage de dihydrogène.

The presented work focuses on the study of the architecture of a hybrid electric system (HES) made of different sources. First, we studied a configuration consisting of photovoltaic, wind, PEM fuel cell as sources and batteries, electrolyser and hydrogen tank as storage elements. Then in a second phase, only hydrogen storage is considered to ensure the electrical autonomy of a rural area in Comoros. The coupling of these different sources aims to improve the performance, the availability of the resulting electrical network, the supply of electricity over much longer periods and, above all, the satisfaction of the uses by operating each source in a reasoned way. First, we have analysed the main components of our system. Then, we established the mathematical models that describe the behaviour of the different parts of our hybrid energy system which is here the formalism used for the modelling. The modelling and simulation of the PV and wind systems use a MPPT control to maximize the delivered power. In the first configuration, the battery charge/discharge process is controlled to stabilize the DC bus voltage. The fuel cell makes the system more durable. It also helps to stabilize the DC bus voltage, in case of too much battery discharge. Thus, the use of a harmonic filter reduces the rate of harmonic distortion. Harmonics are compensated as well than the reactive current component in normal or unbalanced operating conditions. The presented simulation results have illustrated the behaviour of the different components of the HES in transient and steady states. Finally, the proposed system, analysed with the help of HOMER, would be able to provide a solution to the demand of a rural area in the Comoros or in any place suffering of a weak grid by using only hydrogen storage.