eV2x - Chargeur électrique réversible pour ''Vehicle to Everything

eV2x - Electrical vehicle reversible charger for ''Vehicle to Everything''

• Auteur / Autrice : Elie Fayad
• Direction : François Gruson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2EP - Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille

Mots clés

Mots clés libres

V2x

Commande en Grid-Forming

Contrôle de tension

Chargeur réversible embarqué

V2x

Grid-Forming Control

Voltage Control

Embedded Reversible Charger

Résumé

Dans le but de la décarbonisation, la transition du système énergétique vers un mix 100% renouvelable est nécessaire. L'intégration massive de sources d'énergie renouvelables sur le réseau pose cependant des problèmes majeurs de stabilité du système électrique. Pour participer à les résoudre, il est nécessaire d'ajouter au réseau des moyens de stockage d'énergie. Aujourd'hui, ces moyens de stockage n'existent quasiment pas. Dans ce cadre, les gestionnaires de réseaux incitent l'industrie automobile, à valoriser la future flotte électrique de véhicules comme moyen de stockage distribué sur le réseau de distribution. Cependant, pour tirer bénéfice de l'énergie disponible dans les batteries des voitures raccordées au réseau électrique, il est nécessaire de développer des chargeurs réversibles, c'est-à-dire capables de contrôler l'énergie : ou du réseau vers la batterie pour sa recharge, ou de la batterie vers le réseau pour participer à la stabilité de celui-ci. Pour ces raisons, Valeo développe une nouvelle génération de chargeurs de batteries automobiles, d'une part plus puissante, permettant de recharger plus rapidement les batteries, mais surtout réversibles. Du point de vue du réseau électrique, il existe plusieurs cas d'utilisation du chargeur réversible : D'une part, raccordé à des réseaux monophasés ou triphasés à divers niveaux de puissance = « Vehicle2Grid (V2G) ». D'autre part, déconnecté du réseau, pour former un « micro-grid », avec plusieurs variantes parmi lesquelles : L'alimentation d'une charge unique : « Vehicle2Load (V2L) » ; L'alimentation d'un ensemble de charges domestiques : « Vehicle2Home (V2H) » ; La recharge d'un véhicule par un second : « Vehicle2Vehicle (V2V) ; L'alimentation d'un immeuble par une flotte automobile : « Vehicle2Building (V2B) ». On désigne généralement l'ensemble de ces modes de fonctionnement par « Vehicle2Everything (V2x) ». L'enjeu est d'étendre les cas d'utilisation du chargeur réversible à un ensemble le plus grand possible des situations V2x, notamment lorsque plusieurs véhicules ensemble aident à maintenir stable un réseau faible, et/ou déséquilibré et/ou pollué harmoniquement, et/ou subissant des évènements transitoires, et/ou îloté. Pour cela, le chargeur doit être doté de lois de commande dédiées à chaque situation, robustes aux variations du système. Dans ce cadre, le L2EP défend les techniques de commande en « Grid-Forming » comme une solution universelle à toutes situations, à condition cependant d'être réadaptées au cas du chargeur automobile réversible pour les applications V2x. Dans ce travail de thèse, on vise étudier des techniques de commande en grid-forming qui permettent notamment de : - Limiter automatiquement le courant en cas d'évènements transitoires sur le réseau (sauts de phase ou de tension), sans que le convertisseur n'ait à entrer en mode de défaut et à se déconnecter. Du point de vue des innovations pour la commande en grid-forming, cette limitation en courant pour davantage de résilience aux aléas sur le réseau constitue une des difficultés majeures, surtout si le chargeur est conçu avec une très faible inductance de raccordement comme ceux que conçoit Valeo. - Fonctionner sur réseaux déséquilibrés et pollués harmoniquement : Des techniques de commande en grid-forming sur réseaux déséquilibrés sont en cours de développement au L2EP pour d'autres contexte. On souhaite ici vérifier leur comportement sur le chargeur et les adapter au besoin. - Analyser, voire étendre la marge de stabilité en petits signaux, sur réseaux des plus « faibles » aux plus « forts ». Ici, le problème est lié à l'utilisation du chargeur, raccordable en tous points du réseau. Du point de vue de l'automaticien, le problème consiste à proposer une loi de commande robuste malgré des conditions d'utilisation non mesurables.

To achieve carbon neutrality, the transition of the energy system towards a 100% renewable mix is necessary. However, the massive integration of renewable energy sources into the grid poses significant stability challenges to the electrical system. To address these challenges, it is essential to add energy storage capabilities to the grid. Currently, such storage means are almost nonexistent. In this context, grid operators are encouraging the automotive industry to utilize the future electric vehicle fleet as a distributed energy storage resource on the distribution grid. However, to harness the energy available in the batteries of vehicles connected to the electrical grid, it is necessary to develop reversible chargers, capable of controlling energy flow: either from the grid to the battery for charging or from the battery to the grid to contribute to its stability. For these reasons, Valeo is developing a new generation of automotive battery chargers, which are not only more powerful for faster battery charging but also reversible. From the perspective of the electrical grid, there are several use cases for reversible chargers. On one hand, they can be connected to single-phase or three-phase grids at various power levels, known as ''Vehicle2Grid (V2G).'' On the other hand, they can operate independently from the grid to create a ''micro-grid,'' with various variants including supplying a single load (''Vehicle2Load (V2L)''), powering a set of household appliances (''Vehicle2Home (V2H)''), recharging one vehicle from another (''Vehicle2Vehicle (V2V)''), and supplying power to a building through a fleet of vehicles (''Vehicle2Building (V2B)''). Collectively, these operational modes are often referred to as ''Vehicle2Everything (V2x).'' The challenge is to expand the use cases of reversible chargers to a wide range of V2x scenarios, especially when multiple vehicles collectively contribute to stabilizing a weak, unbalanced, harmonically polluted, transient-affected, or islanded grid. To achieve this, the charger must be equipped with control algorithms tailored to each situation, which are robust to variations in the system. In this context, L2EP advocates ''Grid-Forming'' control techniques as a universal solution for all situations, provided they are adapted to the case of reversible automotive chargers for V2x applications. In this thesis work, the aim is to study Grid-Forming control techniques, including the ability to: - Automatically limit current during transient events on the grid (such as phase or voltage jumps) without the converter having to enter a fault mode and disconnect. From the perspective of innovations in Grid-Forming control, current limitation for increased resilience to grid disturbances is one of the major challenges, especially when the charger is designed with very low connection inductance, as is the case with Valeo's chargers. - Operate on unbalanced and harmonically polluted grids: Grid-Forming control techniques for unbalanced grids are currently under development at L2EP for other contexts. Here, the goal is to assess their behavior on the charger and adapt them as needed. - Analyze and potentially extend the stability margin in small-signal scenarios, from the weakest to the strongest grids. In this case, the challenge is related to the charger's use, which can be connected at any point in the grid. From an automation perspective, the problem involves proposing a robust control law despite unmeasurable usage conditions.