Modélisation et commande d'un système de stockage d'énergie à base de supercondensateur pour l'hybridation des groupes électrogènes

by Fayçal Bensmaine

Doctoral thesis in Génie électrique et automatique

Under the supervision of Gérard Champenois and Slim Tnani.

defended on 09-12-2014

in Poitiers , under the authority of École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , in a partnership with Laboratoire d'informatique et d'automatique pour les systèmes - LIAS (Poitiers ; 2012-.....) (laboratoire) and École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....) (faculte) .

Thesis committee President: Mohamed Machmoum.

Thesis committee members: Gérard Champenois, Slim Tnani, Emile Bowendnéré Mouni, José Páscoa, Jean-Claude Vannier.

Examiners: Mohamed Benbouzid, Demba Diallo.

keywords

• Diesel generator group
• Energy storage
• DC / AC power converter
• Supercapacitor
• Sizing and modeling
• Feedback control
• LMI approach
• Dspace
• Real-Time implementation

Alternative Title

Modeling and control of an energy storage system based on super-capacitor for hybridization of diesel generators

Abstract

The research in this thesis are part of study and control of a new concept of hybrid generator to reduce the power of the diesel engine (downsizing) in order to save fuel and improve the behavior of the synchronous generator during transients. The adopted solution is to place in parallel with the synchronous generator an energy storage system. The latter consists of an inverter with a super capacitor on the DC bus. The aim of the thesis was to scale the entire supercapacitor / static converter and to develop a control law having the best performance with the best compromise between the energy exchanged in the supercapacitor, efficiency, the group speed and voltage amplitude of the generator. A feedback control condition with integration of the deviation using LMI's approach has been established for the synthesis of loop current regulators from the inverter.A second control law was developed to regulate the variable voltage across the supercapacitor. A simulator combining generator and storage system has been developed to test these commands.All validations were made on an experimental test rig specifically developed for this thesis. The tests were conducted with an electric drive motor in the test platform of the LIAS and with a diesel in that of the Leroy Somer Motors company.Finally, experimental tests have highlighted the significant contribution of this hybridization on the diesel speed variationsand on the terminal voltage of the alternator during impact or load shedding.

keywords

• Groupe électrogène
• Stockage d'énergie
• Convertisseur statique DC/AC
• Supercondensateur
• Dimensionnement et modélisation
• Commande par retour d'état
• Approche LMI
• Dspace
• Implantation en temps réel
• Groupes électrogènes
• Énergie -- Stockage
• Commande robuste
• Conception technique -- Modèles mathématiques
• Convertisseurs électriques

Abstract

Les travaux de recherche dans ce mémoire s’inscrivent dans l'étude et la commande d'un nouveau concept du groupe électrogène hybride permettant de réduire la puissance du moteur diesel (downsizing) d’économiser du carburant et d’améliorer le comportement de la génératrice synchrone durant les régimes transitoires. La solution adoptée consiste à mettre en parallèle à la génératrice synchrone un système de stockage d'énergie. Ce système est composé d'un onduleur avec un supercondensateur du côté du bus continu. L’objectif de la thèse a été de dimensionner l’ensemble supercondensateur /convertisseur statique et de développer une commande ayant des performances optimales pour obtenir le meilleur compromis entre l’énergie échangée dans le supercondensateur et l’efficacité sur la vitesse du groupe et sur l’amplitude des tensions de l’alternateur. Une commande par retour d’état avec intégration de l’écart en utilisant l’approche LMIs a été mise en place pour la synthèse des régulateurs des boucles de courants de l'onduleur. Une deuxième commande a été développée pour réguler la tension variable aux bornes du supercondensateur. Un simulateur regroupant l’alternateur et le système de stockage a été développé pour la mise au point de ces commandes. Toutes les validations ont été faites sur une maquette expérimentale spécifiquement élaborée pour cette thèse. Les essais ont été menés avec un moteur d’entraînement électrique et sur un diesel. En conclusion, les essais expérimentaux ont mis en évidence l’apport important de cette hybridation sur les variations de vitesse du diesel et sur la tension aux bornes de l’alternateur lors d’important impact ou de délestage de la charge.