Commande et Supervision Energétique d’un Générateur ...
Transcript of Commande et Supervision Energétique d’un Générateur ...
Commande et Supervision EnergCommande et Supervision Energéétique dtique d’’un Gun Géénnéérateur Hybride Actif Eolienrateur Hybride Actif Eolienincluant du Stockage sous forme dincluant du Stockage sous forme d’’HydrogHydrogèène et des Superne et des Super--CondensateursCondensateurs
pour lpour l’’IntIntéégration dans le Systgration dans le Systèème Electrique dme Electrique d’’un Micro Run Micro Rééseauseau
Doctorant: Tao ZHOUDoctorant: Tao ZHOUDirecteur: Bruno FRANCOIS Directeur: Bruno FRANCOIS
Equipe REquipe Rééseaux, L2EPseaux, L2EPEcole Centrale de LilleEcole Centrale de Lille
30 Juin 200930 Juin 2009
PlanPlan
Introduction
2
Générateur éolien
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Générateur actif éolien
Conclusion et perspectives
Eolien associé avec des super-condensateurs
PlanPlan
3
Générateur éolien
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Générateur actif éolien
Conclusion et perspectives
Eolien associé avec des super-condensateurs
Introduction Contexte; Sujet; Solutions; Méthodes
4
-Générateur
G
Stockage
GénérateurG
Charge
Charge
Contexte: Micro réseau - intégration des générateurs décentralisés
Regrouper les producteurs dispersés et les consommateurs locaux- Minimisation des pertes dues au transport de l’électricitéPossibilité de cogénération - Augmentation du rendement de la génération des énergiesFacilité d’utilisation d’un bus de communication- Possibilité d’échange d’informations
Supervision centrale - Réception des informations- Consignes de productionGestion techno-économique - Optimisation de la production électrique- Renforcement de la qualité
et la fiabilité du system électrique
ContexteContexte
Infr
astr
uctu
reG
estio
n
5
Contexte: IntContexte: Intéégration des gration des éénergies renouvelables dans le micro rnergies renouvelables dans le micro rééseauseau
Buts:Réduction de l’émission de CO2
Réduction de la consommation des combustibles fossiles
ProblèmesCondition climatique intermittente et fluctuanteProduction aléatoire et difficilement prévisibleImpacts sur le réseau électriqueDifficulté à réaliser l’adéquation entre la production et la consommation
Solution dSolution dééveloppveloppéée dans cette the dans cette thèèseseGénérateur actif à base d’énergie renouvelable (qui fonctionne comme un alternateur classique)
ContexteContexte
0 100 200 300 400 500 60002468
1012
T e m p s [ s ]
V i t e s s e d u v e n t [ m / s ]
6
Objectif:Objectif:Transformer un gTransformer un géénnéérateur rateur àà base dbase d’é’énergie nergie ééolienne en un golienne en un géénnéérateur actif rateur actif pouvant participer pouvant participer àà la gestion du micro rla gestion du micro rééseauseau
Contraintes:Contraintes:Production Production ééolienne intermittente et fluctuanteolienne intermittente et fluctuantePuissance stable demandPuissance stable demandéée par le micro re par le micro rééseau sur une fenêtre temporelleseau sur une fenêtre temporelle
Solution:Solution:MatMatéérielle rielle SystSystèèmes de stockage dmes de stockage d’é’énergie: nergie:
Equilibrage temps rEquilibrage temps rééel de la puissance ( millisecondes el de la puissance ( millisecondes secondes secondes minutesminutes))Gestion de la disponibilitGestion de la disponibilitéé de lde l’é’énergie (nergie (minutesminutes heures heures joursjours))
Commande Commande Supervision Supervision éénergnergéétiquetiqueFonctions de contrôle additionnelles Fonctions de contrôle additionnelles àà imaginerimaginer
SujetSujet
S u p e r v i sio n é n e r g é t i q u e lo c a le
M a inIn v e r t e r
D C b u s
S u p e r -C a p a c i to r s W in d G e n e r a t o r
7
Système hybride multi sourcesSource d’énergie renouvelable
Générateur éolien
Systèmes de stockageStockage à dynamique rapide par super condensateurs pour l’équilibrage temps réel des puissancesStockage sur le long-terme par Hydrogène (pile à combustible et électrolyseur) pour garantir la disponibilité énergétique
Supervision énergétique localeRépartition interne des flux de puissancesFourniture externe de services « système »: puissance active et réactive; courbe de statisme puissance/fréquence
Cas dCas d’’applicationapplication
8
Outils Modèle moyenGraphe Informationnel Causal (GIC)Représentation Energétique Macroscopique (REM) [Bou 00]Représentation Multi-Niveau (RMN) [Li 08]
Démarche
Real System System modelSystem modeling
Control devices Control implementation
Controlapplication
Controlapplication
Systememulator
Emulatorconstruction
Comparison
Control algorithm
Controldesign
MMééthodesthodes
PlanPlan
Introduction
9
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Générateur actif éolien
Conclusion et perspectives
Eolien associé avec des super-condensateurs
Générateur éolienModélisation; Commande hiérarchique; Asservissement des grandeurs physiques; Contrôle des puissances
10
Système étudiéGénérateur éolien à vitesse variable connecté au réseau
Modélisation (par REM)objectif: faire apparaitre les chaînes d’actions et les grandeurs contrôlables
GGéénnéérateur Eolien: Modrateur Eolien: Modéélisationlisation
turbine Shaft & gearbox
Electrical machine 3
AC
DC
C
3-phase rectifier N°2
Control syst
Dc bus 3
DC
AC
em
3-phase inverter N°1 line filters Grid with transformer
Wind
vwind Ttur ΩmΩ tur
TmFp Tgear
wind turbine inertia gearbox
Ω tur β
ac esdq isdq i
mac usdq isdq u
Electrical machine 3
ireimac
mrec udurec
3-phase rectifier
ec
dc
udc
iinv
3-DC bus
udc
idc
dc uin
ilminv
-phase inverter
nv
il
il
ugr
r line filter
Grid
rid
r grid
Vitesse de rotation de la turbine Puissance primaireCourant de la connexion au réseau Puissance envoyée
11
Organisation hiérarchique de la commande [Hau 99]Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique
DC Bus
Rectifier N°2 AC/DC W
ECS
Inverter N°1DC/AC
Electrical Grid
Wind Generator
Mode Control Unit (M.C.U.) for the long-term energy management
Microgrid requirements
Mea
s
Contrôle desmodes de marche
-5V, +15V
S.C.U. 2
[0,1]
S.C.U. 1
[0,1]nica
tion
-5V, +15V
Contrôle desConvertisseurs
A.C.U. WG
Tgear_ref
A.C.U. GC
il_ref d co
mm
un
Syste
m
Contrôle desGrandeurs d’état
Power Control Unit (P.C.U.) for the instantaneous power balancing
urem
ent a
nd
Power references & operating mode
Cont
rol
Contrôle despuissances
Chaîne de commande
Supervisionénergétique
local
12
Contrôle et asservissement des grandeurs physiques (par REM)Objectifs
Couple de la turbine (Tgear_ref)Courant de la connexion au réseau (Il) Tension du bus continu (Udc)
Méthode de conception des trois fonctions de commandePar inversion des chaînes d’action visualisées sur la REM
Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique
udc_ref idc_ref
Wind
vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ω tur imac
mrec Ω tur Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
wind turbine inertia gearbox electrical machine 3-phase rectifier
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
3-phase inverter line filter grid DC bus
udc
idc
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref
esdq ~
uinv_ref il_ref
13
Objectif établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesMéthodes par calcul direct ou inverse des puissances
Contrôle des puissances
Wind
vwind Ttur Ω mac esdq isdq irec imac
mrec Ω tur TmacFp usdq udc isdq Tgear urec
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
udc
idc
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref uinv_ref
il ref udc_ref
idc_ref
Ω tur
Control scheme
System modeling
esdq ~
pwg ref pg_ref Int2c Int1c
_ f
Int0e pdc_ref
Power control
pg pwg Int2 Int1 Int0
pdcPower
calculationEolien Bus continu Réseau
14
Objectif maximiser la puissance éolienne extraiteéquilibrer en temps réel les puissances
Méthodes par bilan de puissance
Répartition des puissances
Wind
vwind Ttur Ω mac esdq isdq irec imac
mrec Ω tur Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
udc
idc
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref uinv_ref
il ref udc_ref
idc_ref
Ω tur
Control scheme
System modeling
esdq ~
pwg ref pg_ref Int2c Int1c
_ f
Int0e pdc_ref
Power control
Pow1 Power flow
Wind Power
Strategy
Power sharing
pg pwg Int2 Int1 Int0
pdc Power
calculation
Eolien Bus continu Réseau
qg_ref Pow1e
15
Objectif maximiser la puissance éolienne extraiteéquilibrer en temps réel les puissances
Méthodes par bilan de puissance
Répartition des puissances
Wind
vwind Ttur Ω mac esdq isdq irec imac
mrec Ω tur TmacFp usdq udc isdq Tgear urec
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
udc
idc
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref Tgear_ref uinv_ref
il ref udc_ref
idc_ref
Ω tur
Control scheme
System modeling
esdq ~
pwg ref pg_ref Int2c Int1c
_ f
Int0e pdc_ref
Power control
Pow1 Power flow
Wind Power
Strategy
Power sharing
pg pwg Int2 Int1 Int0
pdcPower
calculation
Eolien Bus continu Réseau
qg_ref Pow1e
Représentation équivalente par schéma bloc
16
Organisation de la commande hiOrganisation de la commande hiéérarchiquerarchique
qgc_ref
idc_r ef
pw g_ref
Tgear_r ef il _ref
qg _ref pdc_ref
G rid power control
pg _ref
Power Control Unit (P .C.U.)
Ω gear
)
udc ) ugrid )
udc_ref
Automatic Control Unit (A.C.U) uinv_ref
minv_ref
Switching Control Unit (S.C.U.)
Sin v Sin v_ ref
S.C.U.1
ur ec_ref
mrec_r ef
Srec t
Srec_ ref
S.C.U.2
Tmac_ref PI + -
Corre ctor
Clos ed loop
mgear 1
i l
)
ugrid )
udc )
udc
) udc
)
Line Current Control
Field Oriented Control
Power control Power sharing Wi nd power
strategies + -
Operating mode
Con
trôl
e de
s co
nver
tisse
urs
Con
trôl
e de
s gr
ande
urs d
’éta
tC
ontr
ôle
des
puiss
ance
s
PlanPlan
Introduction
17
Générateur éolien
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Générateur actif éolien
Conclusion et perspectives
Eolien + Super-condensateursModélisation; Commande hiérarchique; Contrôle et asservissement des grandeurs physiques; Supervision de la répartition des puissances
18
Objectif Lisser la puissance éolienne transitée au réseau
Modélisation faire apparaitre les chaines d’actions et les grandeurs contrôlables
Générateur éolien associé avec des super-condensateurs
DC
AC
AC
DC
HPS Control system
turbine Shaft & gearbox
Electrical machine 3-phase rectifier N°2 line filters Dc bus 3-phase inverter N°1 Grid with transformer
DC
DC
super-capacitors choke filter dc chopper N°3
Wind
vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ωshaft imac
mrec Ωshaft Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
wind turbine inertia gearbox Electrical machine 3-phase rectifier N°2
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
3-phase inverter N°1 line filter grid dc coupling
udc
idc
isour
udc
dc bus
SC
filter inductor chopper N°3 usc
um_sc udc
im_sc isc
isc msc
super-capacitor
Courant des super-condensateurs Psc
19
Commande hiérarchique
Wind
vvent Ttur Ω mac esdq isdq irec Ω tur imac
mrec Ω tur Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
wind turbine inertia gearbox Electrical machine rectifier N°2
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
inverter N°1 line filter grid dc bus
udc
idc
isour
udc
SC
choke filter chopper N°3 capacitor usc
um_sc udc
im_sc isc
isc
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref
Tgear_ref
uinv_ref
il_ref udc_ref
idc_ref um_sc_ref isc_ref
Super-capacitor
msc
esdq ~
Contrôle et asservissement (par REM)Méthode: par inversion des chaînes d’action
Commande hiCommande hiéérarchiquerarchique
Contrôle de convertisseur
Contrôle et asservissement des grandeurs physiques
ifc_ref+ –
)
ifc
Corrector
PI um_fc_ref mfc_ref
)
udc
+ +
) ufc
20
Contrôle des puissancesContrôle des puissancesCalcul des 3 références pour le contrôle des puissances (par RMN)
Objectif établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesMéthodes par calcul direct ou inverse des puissances
Tgear_ref il_ref isc_ref tur
idc_ref & control
pg pwg
Int2 Int0 Int1
pdc
Int3
psc Power
calculation
pwg_ref pg_ref qg_ref
Int2c Int0e Int1c
psc_ref Int3c
pdc_ref
Power control
q
Tgear isc Ω tur usc
idc udc
il ugrid Modeling
& control
21
Modélisation des flux de puissancesMéthodes par bilan de puissance (par RMN)
Tgear_ref il_ref isc_ref tur
idc_ref & control
pg pwg
Int2 Int0 Int1
pdc
Int3
psc Power
calculation
pwg_ref pg_ref qg_ref
Int2c Int0e Int1c
psc_ref Int3c
pdc_ref
Power control
q
pg pwg Pow1
Wind generator Grid connection Super-capacitors DC bus
Pow2 psour Power flow
g_ f
Power balancing strategies Power sharing
qgc_ref pgc_ref
Tgear isc Ω tur usc
idc udc
il ugrid Modeling
& control
22
Commande hiCommande hiéérarchiquerarchiqueCommande hiérarchique représentée par schéma bloc
Con
trôl
e de
s co
nver
tisse
urs
Ass
ervi
ssem
ent
des g
rand
eurs
Rép
artit
ion
des p
uiss
ance
s
pwg_ref pg_ref qg_refpsc_ref pdc_ref
Power balancing strategies Power
sharing qgc_ref pgc_ref
23
Objectifs de la répartition des puissancesComment calculer la puissance à échanger avec les SC (psc_ref) et la puissance envoyée au réseau (pg_ref)à partir de la puissance pour le réglage du bus continu (pdc_ref) et la puissance demandée par le microréseau (pgc_ref) ?
RRéépartition des puissancespartition des puissances
Deux stratégies pour le contrôle du bus continuEn utilisant le micro réseau électrique
Stratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)pg_ref est calculée avec pdc_ref, psc_ref peut être utilisée pour pgc_ref
En utilisant le stockageStratégie de répartition des puissances (power dispatching)
psc_ref est calculée avec pdc_ref, pg_ref peut être utilisée pour pgc_ref
Grid followingPower dispatching24
Principe : Utiliser le bilan de puissance pour calculer les puissances de référenceConcept
Bus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source
Tgear_ref il_ref
pg
pwg_ref
Int2 Int0 Int1
pg_ref qg_ref
Int2c Int0c Int1c
Wind energy generation system Grid connection system
pdc
psc_ref
Int3
Int3c
psc
Super-capacitor power conversion t
DC bus
Tgear
isc_ref
isc Ω tur usc
idc_ref
idc udc
il ugrid
pdc_ref
Pow2 psour
MPPT Strategy
pwg Pow1
Pow1e Pow2e
Pow2c
pwg ~
psc
)
psour ~
qgc_ref
pgc_ref Pow1c psour_ref pwg ~
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
11èèrere stratstratéégie: sgie: s’’appuyant sur le rappuyant sur le rééseau (seau (gridgrid followingfollowing))
25
Représentation par schéma-bloc
Tgear_ref il_ref
pg
pwg_ref
Int2 Int0 Int1
pg_ref qg_ref
Int2c Int0c Int1c
Wind energy generation system Grid connection system
pdc
psc_ref
Int3
Int3c
psc
Super-capacitor power conversion t
DC bus
Tgear
isc_ref
isc Ω tur usc
idc_ref
idc udc
il ugrid
pdc_ref
Pow2 psour
MPPT Strategy
pwg Pow1
Pow1e Pow2e
Pow2c
pwg ~
psc
)
psour ~
qgc_ref
pgc_ref Pow1cpsour_ref pwg ~
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
11èèrere stratstratéégie: sgie: s’’appuyant sur le rappuyant sur le rééseau (seau (gridgrid followingfollowing))
26
Principe : Utiliser le bilan de puissance pour calculer les puissances de référence Concept
Bus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau
Tgear_ref il_ref
pg
pwg_ref
Int2 Int0 Int1
pg_ref qg_ref
Int2c Int0c Int1c
Wind energy generation system Grid connection system
pdc
psc_ref
Int3
Int3c
psc
Super-capacitor power conversion t
DC bus
Tgear
isc_ref
isc Ω tur usc
idc_ref
idc udc
il ugrid
pdc_ref
Pow2 psour
MPPT Strategy
pwg Pow1
Pow1c Pow2c qgc_ref
pgc_ref
pwg ~
) psour_ref
pg_ref
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
22èèmeme stratstratéégie: rgie: réépartition de puissance (power dispatching)partition de puissance (power dispatching)
27
Tgear_ref il_ref
pg
pwg_ref
Int2 Int0 Int1
pg_ref qg_ref
Int2c Int0c Int1c
Wind energy generation system Grid connection system
pdc
psc_ref
Int3
Int3c
psc
Super-capacitor power conversion t
DC bus
Tgear
isc_ref
isc Ω tur usc
idc_ref
idc udc
il ugrid
pdc_ref
Pow2 psour
MPPT Strategy
pwg Pow1
Pow1c Pow2c qgc_ref
pgc_ref
pwg ~
) psour_ref pg_ref
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
Représentation par schéma-bloc
22èèmeme stratstratéégie: rgie: réépartition de puissance (power dispatching)partition de puissance (power dispatching)
28
Implémentation expérimentale
Tests ExpTests Expéérimentauxrimentaux
Emulateur depuissance éolienne
(1.2kW)
Système de stockagepar super-condensateurs
(9 kW.min)
TransformateurTriphasé pour la
connexion au réseau
DSpace 1103 pour la commande du système
Coffret des convertisseursélectroniques de puissance
avec le bus continu
Interface de commande
par ordinateur
29
Interface de commande via l’écran d’ordinateur
Tests ExpTests Expéérimentauxrimentaux
Sécu
rité
Con
signe
sSt
ocka
ge
Flux
de
puis
sanc
es
30
Comparaison expérimentale des deux stratégies
0 20 40 60 80 100 120 time (s)
Stratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)
Stratégie de répartition de puissance (power dispatching)
Wind power pwg (W)
Grid active power pg (W)
Super-capacitor power psc (W)
0 20 40 60 80 100 120 time (s)
Grid active power pg (W)
Super-capacitor power psc (W)
Super-capacitor voltage usc (V)
PlanPlan
Introduction
31
Générateur éolien
Générateur actif éolien
Conclusion et perspectives
Eolien associé avec des super-condensateurs
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)Principe de fonctionnement; Modélisation; Validation expérimentale des modèles; Emulateurs temps réel
32
Entrée H2O
H+
H2
H2O O2
Sortie O2 Sortie H2
Sortie H2
e– e–
← e– (+) Anode Cathode (–)
Membrane
Electrodes
e–← Water electrolysis
Principe de fonctionnement (technologies PEM) [Lar 00]
Caractéristique électrique d’une celluleComposant à faible tensionTrès non-linéaireBesoin d’identifier les modèlespour concevoir l’émulateur temps réel
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Sortie H2O
H+
H2
H2O O2
Entrée O2 Entrée H2
Entrée H2
e– e–
→ e– (+) (–)
Membrane
Electrodes
e–→ Fuel cell
33
Modélisation (technologies PEM) [Lar 00]
fcfcfccellfc VEVR ∆−=_3_ :
−++
=∆
fc
fcfcfcfc
fc
fcfcfcfc j
jBjr
jj
AVRlim__0
4_ 1lnln:
fc
fcfcfc S
ijR =:5_
cellfcfcfc VnuR =:8_
ModModéélisation simplifilisation simplifiééee
elelcellelel EVVR −=∆ _3_ :
−++
=∆
el
elelelel
el
elelelel j
jBjrjjAVR
lim__04_ 1lnln:
elelelel jSiR =:5_
elel
elcellel un
VR 1: _8_ =
Matériels étudiésSystème Electrolyseur (CETH Genhy 500W)
34
Validation des modValidation des modèèlesles
Matériels étudiésSystème Pile à Combustible (Ballard Nexa 1200W)
35
Validation des modValidation des modèèlesles
Comparaison entre les résultats mesuréset des modèles propose
Electrolyseur (EL)Pile à combustible (PAC)
36
Paramètres identifiés pour PAC (65°C & 1bar)
Paramètres identifiés pour EL (45°C & 7bar)
Validation des modValidation des modèèlesles
Tension de la pile à combustible (V)
28
31
34
37
40
43
46
0 5 10 15 20 25 30 35
Experimental curve
Modeling curve
Courant de la pile à combustible (A)
9101112131415161718
0 10 20 30 40
Experimental CurveModelingl Curve
Tension de l’électrolyseur (V)
Courant de l’électrolyseur (A)
37
Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelelConstruction des émulateurs
Sources équivalentes
Conceptions
Power Conditioning ufc
ifc
Fuel cell
Ls
us
im_s
ufc
Power electronic stage
PC
Interfacing card (ADC and DAC) DSP card
Measurement card
Driving card
Control stage
Chopper
DC voltage
source um v
Cs
ifc ufc ms_ref
ifc
Power Conditioning
Power Conditioning uel
iel
Electrolyseur
Ls
us
im_s
uel
Power electronic stage
S
D
PC
Interfacing card (ADC and DAC) DSP card
Measurementcard
Driving card
Control stage
Power Conditioning
Chopper
Reversible dc power source
elu) eli)
iel
um_el
ms_ref
v
Construction des émulateursImplémentations
38
Emulateur de la pile à combustible
Chopper DSPace 1102 for the fuel cell modeling
&control equations
Feed back control for the power stage
Diode Choke
Capacitor
Emulateur de l’électrolyseur
DiodeDSPace1102 for the electrolyzer modeling &control equations
Feed back control for the power stage
Chopper
Choke
Source DCalimentation
stabilisée
Source DCréversible
Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelel
Interface de commande par l’écran d’ordinateur
39
Emulateurs temps rEmulateurs temps rééelel
Relevé des courbes expérimentales par l’oscilloscope
Control Panel (Electrolyzer emulator)
Em ulator voltage (V) Offset = 30V
Emulated hydrogen consumption rate
(1V=7.8x10-3m ole/s)
Emulator power (1V = 1W)
Emulator current (1V = 1A)
Fuel cell emulator
Emulator voltage (V) Offset = 10V
Emulated hydrogen production rate
(1V=7.8x10-3mole/s )
Emulator power (1V = 1W)
Emulator current (1V = 1A)
Electrolyzer emulator
Control Panel (Fuel cell emulator)
PlanPlan
Introduction
40
Générateur éolien
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Conclusion et perspectives
Eolien associé avec des super-condensateurs
Générateur actif éolienModélisation; Commande hiérarchique; Contrôle et asservissement des grandeurs physiques; Supervision de la répartition des puissances; Contrôle des modes de marche; Rendement du système
41
GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Modolien: Modéélisationlisation
Wind
vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ωshaft imac
mrec Ωshaft Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
wind turbine inertia gearbox Electrical machine 3-phase rectifier N°2
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
3-phase inverter N°1 line filter grid dc coupling
udc
idc
isour
udc
dc bus
SC
inductorchopper N°3 usc
um_scudc
im_sc isc
isc
super-capacitor
PAC
inductor chopper N°4 ufc
um_fc udc
im_fc ifc
ifc
fuel cell stack
EL
capacitor chopper N°5 iel
iLel udc
im_el uel
uel
Electrolyzer stack inductor
um_el
iLel
udc
iH2
isto udc
msc mfc
mel
Modélisation (par REM)Chaines d’actionGrandeurs à contrôler
Super-condensateursLisser la puissance éoliennetransité au réseau
Hydrogène (PAC et EL)Garantir la disponibilitéénergétique du système
Tension EL
Courant PAC
Wind
vvent Ttur Ωmac esdq isdq irec Ωshaft imac
mrec Ωshaft Tmac Fp usdq udc isdq Tgear urec
wind turbine inertia gearbox Electrical machine 3-phase rectifier N°2
Grid
udc
iinv
uinv
il
il
ugrid minv
3-phase inverter N°1 line filter grid dc coupling
udc
idc
isour
udc
dc bus
urec_ref usdq_ref isdq_ref Tmac_ref
Tgear_ref
uinv_ref
il_ref
udc_ref
idc_ref
SC
inductor chopper N°3 usc
um_sc udc
im_sc isc
isc
um_sc_ref isc_ref
super-capacitor
FC
inductor chopper N°4 ufc
um_fc udc
im_fc ifc
ifc
um_fc_ref ifc_ref
fuel cell stack
EL
capacitor chopper N°5 iel
iLel udc
im_el uel
uel
iLel_ref
uel_ref
Electrolyzer stack inductor
um_el
iLel
udc
iH2
isto udc
um_el_ref
msc mfc
mel
esdq ~
42
Structure de commande hiérarchiqueCommande hiCommande hiéérarchiquerarchique
Contrôle et asservissement (REM)
Contrôle des convertisseur
Asservissement des grandeurs physiques
43
Structure de commande hiérarchiqueGGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Commande hiolien: Commande hiéérarchiquerarchique
Contrôle des convertisseur
Asservissement des grandeurs physiques
Contrôle et asservissement
Int3 Int1
psc Power
calculation Int4 Int2 Int0 Int5
pfc pdc pg pwg pel
44
il_ref isc_ref
isc usc
il ugrid
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
Tgear Ω tur
Modeling & control idc_ref
idc udc
uel_ref
uel iel
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c Power control
pfc_ref
Int4c
pwg_ref
Int2c
pdc_ref
Int0e
pel_ref
Int5c
psc_ref
Contrôle des puissancesContrôle des puissancesCalcul des 5 références pour le contrôle des puissances (par RMN)Méthode:
Calcul des puissances, établir les liens entre les grandeurs physiques et les puissancesDétermination des références par calcul direct ou inversion des équations
45
Commande hiérarchique représentée par schéma bloc
Con
trôl
e de
s co
nver
tisse
urs
Ass
ervi
ssem
ent d
es
gran
deur
sR
épar
titio
nde
s pui
ssan
ces
RRéépartition des puissancespartition des puissances
Int3 Int1
psc Power
calculation Int4 Int2 Int0 Int5
pfc pdc pg pwg pel
46
il_ref isc_ref
isc usc
il ugrid
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
Tgear Ω tur
Modeling & control idc_ref
idc udc
uel_ref
uel iel
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c Power control
pfc_ref
Int4c
pwg_ref
Int2c
pdc_ref
Int0e
pel_ref
Int5c
psc_ref Power sharing
Power balancing strategies qgc_ref pgc_ref
Power flow
pg
pwg
Pow3 Pow4 Pow1 Pow2 pel pH2 psto psour
Modélisation des flux de puissancesMéthodes par bilan de puissance (par RMN)
Pow2
Pow1Pow3Pow4
GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Rolien: Réépartition des puissancespartition des puissancesObjectifs de la répartition des puissances
Comment calculer :_ la puissance à échanger avec les SC (Psc_ref),_ la puissance générée par la PAC (Pfc_ref),_ la puissance consommée par l’Electrolyseur (Pel_ref),_ la puissance envoyée au réseau (Pg_ref),
à partir de _ la puissance pour le réglage du bus continu (Pdc_ref) et
_ la puissance demandée par le micro réseau (Pgc_ref) ?
Deux stratégies pour le contrôle du bus continu (comme précédemment)
Une stratégie de répartition des flux de puissance avec les stockages respectant ladynamique lente de la filière H2
Pow4c
pH2_refpsto_ref pfc_ref
pel_ref Selector
Pow3c’
Low pass filter & slope limiter
Pow3c
+
_ psc_ref
pH2 ~
Pow3Pow4
pwg_ref pg_ref qg_ref psto_ref pdc_ref
Power balancing strategies Power
sharing qgc_ref pgc_ref
48
Grid followingPower dispatching
GGéénnéérateur actif rateur actif ééolien: Rolien: Réépartition des puissancespartition des puissancesDeux stratégies pour le contrôle du bus continu
En utilisant le micro réseau électriqueStratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)
Pg_ref est calculée avec Pdc_ref, Psto_ref peut être utilisée pour Pgc_ref
En utilisant le stockageStratégie de répartition des puissances (power dispatching)
Psto_ref est calculée avec Pdc_ref, Pg_ref peut être utilisée pour Pgc_ref
49
il_ref
Int3 Int1
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c
Wind generator Grid
psc
Fuel cells DC bus
isc_ref
isc usc
il ugrid
pfc_ref
Int4
Int4c
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
pwg_ref
Int2
Int2c
Tgear Ω tur
pdc_ref
Int0
Int0e
idc_ref
idc udc
Super-capacitors Electrolyzers
pel_ref
Int5
Int5c
uel_ref
uel iel
pg
pwg
Pow1
pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2Pow3 Pow4
Pow1e Pow2e Pow3e Pow4e
psc_ref
Pow1c Pow2c Pow3c
Pow4c
psour
pwg ~
psto pH2
Pow3c’
qgc_ref
pgc_ref
MPPT Strategy psc
) pel
)
psour_ref psto_ref
pH2_ref
pfc
)
Power flow
Power calculation
Power control
Power sharing
Modeling & control
~ ~ ~
ConceptBus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source
11èèrere stratstratéégie: sgie: s’’appuyant sur le rappuyant sur le rééseau (seau (gridgrid followingfollowing))
50
il_ref
Int3 Int1
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c
Wind generator Grid
psc
Fuel cells DC bus
isc_ref
isc usc
il ugrid
pfc_ref
Int4
Int4c
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
pwg_ref
Int2
Int2c
Tgear Ω tur
pdc_ref
Int0
Int0e
idc_ref
idc udc
Super-capacitors Electrolyzers
pel_ref
Int5
Int5c
uel_ref
uel iel
pg
pwg
Pow1
pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2 Pow3 Pow4
Pow1e Pow2e Pow3e Pow4e
psc_ref
Pow1c Pow2c Pow3c
Pow4c
psour
pwg ~
psto pH2
Pow3c’
qgc_ref
pgc_ref
MPPT Strategy psc
) pel
)
psour_ref psto_ref
pH2_ref
pfc
)
Power flow
Power calculation
Power control
Power sharing
Modeling & control
~ ~ ~
ConceptBus continu Puissance réseau Consigne externe Puissance source
11èèrere stratstratéégie: sgie: s’’appuyant sur le rappuyant sur le rééseau (seau (gridgrid followingfollowing))
il_ref
Int3 Int1
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c
Wind generator Grid
psc
Fuel cells DC bus
isc_ref
isc usc
il ugrid
pfc_ref
Int4
Int4c
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
pwg_ref
Int2
Int2c
Tgear Ω tur
pdc_ref
Int0
Int0e
idc_ref
idc udc
Super-capacitors Electrolyzers
pel_ref
Int5
Int5c
uel_ref
uel iel
pg
pwg
Pow1
pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2 Pow3 Pow4
Pow4e
psc_ref
Pow1c Pow2c Pow3c
Pow4c
pwg ~ pH2
Pow3c’
qgc_ref
pgc_ref
MPPT Strategy
pfc
)
pel
) psour_ref psto_ref
pH2_ref
pg_ref
)
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
~
51
ConceptBus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau
22èèmeme stratstratéégie: rgie: réépartition de puissance (power dispatching)partition de puissance (power dispatching)
il_ref
Int3 Int1
pg_ref qg_ref
Int3c Int1c
Wind generator Grid
psc
Fuel cells DC bus
isc_ref
isc usc
il ugrid
pfc_ref
Int4
Int4c
ifc_ref
ifc ufc
Tgear_ref
pwg_ref
Int2
Int2c
Tgear Ω tur
pdc_ref
Int0
Int0e
idc_ref
idc udc
Super-capacitors Electrolyzers
pel_ref
Int5
Int5c
uel_ref
uel iel
pg
pwg
Pow1
pfc pdc pel pH2 psto psour Pow2 Pow3 Pow4
Pow4e
psc_ref
Pow1c Pow2c Pow3c
Pow4c
pwg ~ pH2
Pow3c’
qgc_ref
pgc_ref
MPPT Strategy
pfc
)
pel
) psour_ref psto_ref
pH2_ref
pg_ref
)
Power flow
Power calculation
Power control Power
sharing
Modeling & control
~
52
ConceptBus continu Puissance source Consigne externe Puissance réseau
22èèmeme stratstratéégie: rgie: réépartition de puissance (power dispatching)partition de puissance (power dispatching)
53
Implémentation expérimentale
Tests expTests expéérimentauxrimentaux
Composants émulés:Générateur de puissance éoliennePile à combustibleElectrolyseur
Composant réels:Convertisseur électroniques de puissanceBus continuConnexion au réseauSuper-condensateursCarte de commande numérique
54
Sécu
rité
Con
signe
sSt
ocka
ge
Flux
de
puis
sanc
es
Interface de commande par écran d’ordinateur
Tests expTests expéérimentaux rimentaux
Résultats expérimentauxStratégie s’appuyant sur le réseau (grid following)
55
Wind power pwg (W)
Fuel cell power pfc (W)
Electrolyzer power pel (W)
Super-capacitor power psc (W)
0 20 40 60 80 100 120 time (s) 0 20 40 60 80 100 120 time (s)
Tests expTests expéérimentaux rimentaux
Grid active power pg (W)
Super-capacitor voltage usc (V)
Résultats expérimentauxStratégie de répartition de puissance (power dispatching)
56
Wind power pwg (W)
Fuel cell power pfc (W)
Electrolyzer power pel (W)
Super-capacitor power psc (W)
0 20 40 60 80 100 120 time (s) 0 20 40 60 80 100 120 time (s)
Grid active power pg (W)
Super-capacitor voltage usc (V)
Tests expTests expéérimentaux rimentaux
57
Mode normalTous les systèmes de stockagesont disponibles
Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marcheMicro réseau supposé
Consigne de puissanceimposée à chaque unitéde production pour chaquepériode de 30 minutes
Générateur actif éolienDifférents modes de marche suivant l’état de stockage
2max_
2
max_ sc
sc
sc
scsc u
uE
ELevel ==
58
Définition des niveaux de stockage
max_2
2
max_2
22
H
H
H
HH P
PE
ELevel ==
Définition des états de stockage
Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marche
59
Définition des modes de marche
Contrôle des modes de marcheContrôle des modes de marche
Super-capacitor voltage usc (V)
0 50 100 150 200 250 time (s)
Super-capacitor power psc (W)
Electrolyzer power pel (W)
60
psc_ref
pel_ref
pgc_ref
pwg_ref
Pow4c
Selector pH2_ref
pfc_rated
pel_rated
pwg_rated
0
pfc_ref
pg_ref
M=ModeNF
Mode Switching
psc_ref
pel_ref
pgc_ref
pwg_ref
Pow4c
Selector pH2_ref
pfc_rated
pel_rated
pwg_rated
0
pfc_ref
pg_ref
M=ModeNE
Mode Switching
Super-capacitor voltage usc (V)
0 50 100 150 200 250 time (s)
Super-capacitor power psc (W)
Fuel cell power pfc(W)
Mode « SC chargé »
Mode « SC déchargé »
Mode de marche dMode de marche déégradgradéé des superdes super--condensateurscondensateurs
PlanPlan
Introduction
61
Générateur éolien
Stockage sur le long terme (Pile à combustible et Electrolyseur)
Générateur actif éolien
Eolien associé avec des super-condensateurs
Conclusion et perspectives
62
Conclusion
Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
Système hybride multi sourceEolien Source primaire à base d’énergie renouvelableSuper-condensateurs stockage à dynamique rapide pour équilibrer en temps réels les flux de puissancePile à combustible + Electrolyseur Stockage sur le long termepour garantir une disponibilité énergétique
Travaux de recherche effectuésModélisation et Conception de commandeConception des stratégies de répartition des puissancesProposition des stratégies de gestion énergétiqueImplémentation expérimentale d’un banc d’essai
Objectif généralDévelopper un générateur actif éolien pouvant participer à la gestion d’un micro réseau (Pref, Qref)
63
Contributions
Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
l’utilisation et l’adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et pour la conception de leur commande;
la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le coût du développement du prototype expérimental;
la proposition et la validation de deux stratégies de répartition des puissances pour le control du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau;
la proposition de stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour assurer la disponibilité énergétique du générateur actif éolien.
64
Perspectives
Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
Implémentation à grand puissanceSous hautes tensions et forts courantsNouvelles contraintes de dimensionnement et de sécurité
Implémentation avec les vrais systèmes de pile à combustible et d’électrolyseurContraintes réelles non-électriquesPassage du prototype laboratoire au produit industriel
Evaluation techno-économiqueAvec le dimensionnement optimisé du systèmeAvec la prise en compte de l’impact environnementalPermettant la comparaison des différentes solutions.
65