Conférence 9/11//2010 UPMC Couplage et stockage de l ...

15/11/2010

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Couplage et stockage de l’énergie électrique

La production décentralisée

Conférence 9/11//2010 UPMC

La production décentralisée.

Ancien Directeur membre fondateur du GREAH

Professeur Brayima Dakyo

Université du HavreGroupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre

GREAH

Responsable de l’équipe thématique « Maîtrise des énergies renouvelables et systèmes » (MERS)

Responsable pédagogique de la licence professionnelle Systèmes à Energies Renouvelables et Alternatives. (SERA)

Membre fondateur responsable scientifique de la PFT de Fécamp

Animateur du réseau régional Haut Normand « Centre de Recherche sur les Energies Renouvelables et Alternatives. (CRERA) 1

II) Réciprocité, disponibilité de l’énergie, rentabilité I) « Développement durable » sous contrainte environnementale

III) Energies renouvelables et production électrique

Plan de l’exposé

IV) Le stockage de l’énergie et disponibilité pour les usages.

V) Les interfaces et convertisseurs énergie-vecteur électricitéLe facteur dual d’échelle temps-fréquence, énergie-puissance Les classes de convertisseurs

Convertisseurs électrique-chimiques et stockage

III) Energies renouvelables et production électrique

Convertisseurs électrique-mécaniques et stockageConvertisseurs électrique-magnétique et stockage

VI) Participations aux services « système » de parcs éoliens

2Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

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La situation mondiale de l’énergie début 2000

Conso annuelle

en 2000

Monde : 140 106 GWh

France : 2,6 106 GWh .

pétrole charbon gaz nucléaire renouv.

Hydraulique 7 %Biomasse 12 %

I) « Développement durable » sous contrainte environnementale

pétrole charbon gaz nucléaire

Consommation mondiale par source d’énergies primaires en 2000

p g

34 % 22 % 19 % 6% 19 %

Emissions gazeuses et sonores : effet de serre, pollution urbaine

pétrole charbon gaz nucléaire

40 ans 220 ans 60 ans 60 ans

Autonomie estimée des réserves d’énergies fossiles et fissiles

Raréfaction inéluctable à moyen terme, source de crises3

Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

Bilan d’ émissions de CO2



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La réduction des émission de Gaz Carbonique


Une meilleure efficacité de la conversiond'énergies primaires.

Une meilleure efficacité du transport de l’énergie et l’introduction de nouveaux vecteurs.

Une meilleure efficacité dans les usages.


Le Rapport Chambolle (Juin 2004)

http://www.recherche.gouv.fr/rapport/


Pour réduire à l'horizon 2050 les émissions de gaz à effet de serre liées à l'activité humaine

Les pays industrialisés, et en particulier la France, devraient réduire leurs émissions par un facteur 3 à 5

Miser sur un mix énergétique combinant nucléaire, fossiles et renouvelables (En France)

« Grenelle de l’environnement » en 20076


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La situation et projection de la production française d’électricité

Scénario énergétique de référence DGEMP-OE(2008)


Ministère de l’Écologie, de l’Énergie, du Développement durable et de l’Aménagement du territoire

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RemplacementEn France

Évolution fictive du parc nucléaire français dans le scénario de référence DGEMP-OE (2008)

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« L’énergie nucléaire et les nouvelles technologies de l’énergie sont


technologies de l énergie sont résolument complémentaires.

Les énergies du futur seront l i ll i t té tplurielles interconnectées et

interdépendantes. »Commissariat à l’Energie Atomique

CEA 9Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

La production décentralisée


Trois démarches structurantes

Produire au plus prêt des utilisations

Jouer sur le mix énergétique

Accroitre le taux de pénétration des énergies

Trois démarches structurantes

Accroitre le taux de pénétration des énergies renouvelables

Nouvelles Technologies de l’énergie Electrique

Nouveaux Paysages de l’énergie Electrique

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400kV/63kV

TransportProduction

Intégration Réseau

1) « Développement durable » sous contrainte environnementale

HTA/BT20kV/400V

HTB/HTA63kV/20kV

400kV/63kV400kV/63kV

HTB/HTA63kV/20kV

HTA/BT20kV/400V

Répartition

Distribution

PEDPED

20kV/400V

Consommation

PED

Source IDEA GIE11


Réseau de transport

Réseau de

Centrale Virtuelle : vers une coopérativeénergétique

GAZ


Réseau de distributio

nProd. Cons.

Supervision/contrôle

Source IDEA GIE


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Résultats de découvertes et d’inventions au cours des

Toutes les formes de réciprocité sont utilisables pour le conditionnement de l’énergie.

siècles.

Les facteurs d’échelle discriminant: temps-fréquence et énergie-puissance


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Énergie magnétique

Les formes de l’énergie et convertisseurs 15

• Une bonne gestion de l’énergie demanded l i l à l f i d’


donc la mise en place à la fois d’unréseau de distribution et de capacités destockage de l’énergie.

• Le transport de l’énergie est assuré par• Le transport de l énergie est assuré par l’intermédiaire d’un vecteur énergétique


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Pourquoi stocker dans les réseaux électriques et comment?


Caractéristiques générales des systèmes de stockage.

Les échelles de comparaison et de choix.



Exemple de consommation d’un ménage

Adéquation production consommation

Ex. production éolienne (Kariniotakis, Ecrin dec.

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03)Rapport Pmax/Pmoy

de l’ordre de 4 (éolien) à 7 (PV)

StockageProf. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

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Exemple

microcycles

MPPT

Le stockage des énergies intermittentes


pde

stockage par

batteries.

Système PV

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Le stockage des énergies Intermittentes


Technologies à horizon de stockage en fractions

Le stockage des énergies Intermittentes suppose des technologies avec des horizons temporels de stockage variés

Technologies à horizon de stockage en fractions de « secondes » en « minutes » en « heures » et « jours »


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Cycle journalier

fréquences

Moyens de production variés

Caractéristiques:Production puissance importante à évolution lente (nucléaire)Production faible puissance évolution plus rapide (classique) Production complémentaire par stockage (Turbinage, lacs, éclusées..) 22

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Fonctions du stockageaméliorer et sécuriser la gestion du réseau dans un contexte

d’ouverture des marchés, de croissance des systèmes de production non pilotés par la demande


augmenter la pénétration des sources variables et incertaines

Alimentation en électricité plus sure et plus robuste

permettre l’ilotage de consommateurs/producteurs

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g péoliennes, photovoltaïques, houlomotrices…

Développement durable (CO2, indépendance énergétique…)



Puissance : 100 kW à quelques 10 MWDurée : quelques minutes à plusieurs heuresSollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jourQualité de la tension : absence de creux de tension, coupures brèves de

quelques secondes

BESOIN EN STOCKAGE POUR UNE FERME CONNECTEE AU RESEAU

BESOIN EN STOCKAGE POUR UN SITE ISOLE

Puissance : Quelques 100 W à plusieurs kWDurée : quelques secondes à plusieurs heuresSollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jour

(si source d’énergie renouvelable non disponible)

BESOIN EN STOCKAGE POUR APPLICATION MOBILES

24

BESOIN EN STOCKAGE POUR APPLICATION MOBILES

Puissance : quelques W à quelques 100 kWDurée : quelques secondes à plusieurs heuresSollicitation : en continu et/ou plusieurs fois/jour


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STOCKAGE


Quelques rappels


Pe Ps Pe = Psto +Ps + Pertes

∫


Fonction stockage dans les systèmes : indispensable

Psto, Wsto, Pertes

∫ΔΔ −=0

0)(

tt dtPertesPstoWsto

Energie stockée

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Découplage de Ps et Pe sur un horizon de temps ΔT0 qui dépend des qualités du stockage et de sa capacité

Applications de l’énergie :Source, Stockage, Transport, Utilisation

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Première loi : conservation de l’énergie

QWU Δ+Δ=Δ Travail et chaleur


Conversion sans stockage intermédiaire, avec pertes

Convertisseur = Transformateur ou Gyrateur + dissipateur

PePd, Qd

PuConversion avec pertes

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Pe = Pd + Pu

Conservation instantanée ⇒ égalité des puissances :

Convertisseur Transformateur ou Gyrateur + dissipateur

Bilan d’énergie :

21

2

1 21

2

1

2

1WuQddtPudtPddtPe

t

t

t

t

t

t+=+= ∫∫∫

Conversion avec stockage intermédiaire et avec pertes

PePs Ws Pd Q


Ps, Ws, Pd, Q

Pe = Pd + Psto +PuConservation globale :

2121

2

1 21

2

1

2

1

2

1WuWstoQddtPudtPstodtPddtPe

t

t

t

t

t

t

t

t++=++= ∫∫ ∫∫

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Cycle :

cyclecycle cyclecyclecycleWuQddtPudtPddtPe +=+= ∫∫∫

∫ =cycle

dtPsto 0 Wsto (cycle) = 0


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Conversion avec stockage intermédiaire et pertes (suite)

PeP W Pd Q



Psto = Pe - Pd - Pu

Ps, Ws, Pd, QPermet de découpler Pe et Pu ….

Psto > 0 ⇔ chargePsto < 0 ⇔ décharge

et We et Wu sur un horizon Δt0 inférieur au temps de cycle

29

00

ttWstodtPsto ΔΔ∫ =

Trois paramètres : Psto max et Wsto max et Δt0

… et We et Wu sur un horizon Δt0 inférieur au temps de cycle

Energie stockée


Stockage thermiqueStockage mécanique potentiel

Stockage mécanique cinétique

Principes et Technologies de stockage

Convertisseurs électrique-mécaniques

V) Les interfaces et convertisseurs énergie-vecteur électricité

Stockage mécanique cinétique

Stockage électrique

Stockage magnétique

Stockage en supercondensateurs

Convertisseurs électrique-magnétiques

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Convertisseurs électrique-chimiquesStockage en accumulateur

Piles à combustible

Mixtes : redox-flow, piles métal-air


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Système à stockage thermique

Refroidisseur Turbine

Compresseur

Récupérateur

Réfractaires chauffés

él t i t


Refroidisseur Turbine haute

températurede chaleurélectriquement

31Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

200 kWh/m3

Rendement : environ 60 % Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 10 à 100 MW

Gaz chauds 1400°CÀ l’étude,pas encore de réalisation.Potentiel économique et géographique attractif

Gravitaire hydraulique

Retenue d'eau supérieure

Ensemble Pompes et Turbines


Retenue d'eau inférieure

Conduite forcée

3 Exemple : Grand-Maison

32Données et dessins Jacques RUER, SAIPEM

1 kWh/m3 pour une chute de 360 mRendement : 65 à 75 %Capacité : 1 à qq 100 GWhPuissance : 100 à 1000 MW

Exemple : Grand Maison935 m de dénivelée, 170 Mm3

400 GWh

12 groupes 150 MW

1400 MW en pompage

1800 MW en turbinage

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W = m g hPompage - turbinage entre deux réservoirs d’eau d’altitudes différentes


Barrages de Grand ‘Maison : 935 m de dénivelé, 170 Mm3

1800 MW, 400 GWh , rendement 70%

Plusieurs MWh, rendement 70 à 85%

(12 groupes de 150 MW dont 8 réversibles)

33

La mer peut constituer le réservoir inférieur ou même sous-terrainJapan in 1999 (Yanbaru, 30 MW).

Le plus répandu des stockages à grande échelle, Monde 90 GW, 3% de la capacité globale de production


Air comprimé en « bouteille »



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Air compriméCompressed Air Energy Storage (CAES)•sous-terrain 50 à 70 bars•réservoirs 300 à 700 bars

Stockage MECANIQUEpotentiel de pression

Usage indirect : une turbine à gaz consomme 60% pour la compression de l’air.L’air est comprimé et stocké dans des mines de sel en période desurproduction. La turbo-génératrice à gaz est alimentée directement en air

Usage direct : performances ?Cycle thermodynamique ?

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p g gcomprimé et consomme ainsi 40% de moins pour une même énergie produite.

En 1978, première unité commerciale de 290 MW à Hundorf, Germany .

En 1991 110 MW, Alabama coût $591/kW. Mise en marche :14 minutes.

La plus grande, 2700 MW prévue à Norton, Ohio.

Volants d’inertie associé à une machine électrique grande vitesse



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Stockage MECANIQUE cinétique

Volant d’inertie associé à une machine électrique grande vitesse

W = 1/2 J ω2

σKWEnergie volumique

Quelques Wh à 100 Wh/kg

maxσKV

=

ρσ maxK

MW

=

Energie volumique

Energie massique

Energie :Puissance : 100 W à plusieurs MWRendement : 80/98 %

Matériaux résistants et légers

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Temps de réponse : fractions de secondesTemps de décharge : quelques secondes à 1 heureLongue durée de vie Applications dans des sites industriels : Lissage de charge, traitement des harmoniques…

dVEBdW r ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 2

0

2

εεPoynting

Champ électromagnétique dans l’espace - temps


r⎟⎠

⎜⎝ 0μμ

∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Volumer

r

dVEBdW 20

0

2

εεμμ

Magnétique Electrique

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g q

Conversions réciproques à rendement théorique unitaire(ondes électromagnétiques)

Bobines d’inductances Condensateurs


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Electrique

εr élevé, diélectrique

∫=Volume

r dVEdW 20 εε

Capacité W = 1/2 C V2


Champs électriques élevés Limitation : champ de claquage(3 000 000 V/m maxi en air sec)

Condensateurs électrostatiques : tensions élevées à quelques kV mais très peu intéressants en énergie massique

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Condensateurs électrochimiques :acqueux 1 V max, organique 3,5 V max

….. mais double couche d’Helmoltz,

supercondensateursProf. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC



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Stockage MAGNETIQUE

dVBdWWVolume rVolume∫∫ ==

μμ0

2

wm = 110 B2 Wh/m3


Champs magnétiques élevés

μr petit, proche de 1, air ou vide Courants élevés

Supraconductivité

SMES : Superconducting Magnetic Electric StorageDeux types :• BTc, très basses températures < - 250 C (opérationnel mais lourd)

Ht h t t é t > 150 C ( t li id à 180 C)

41

• Htc, hautes températures > - 150 C (azote liquide à - 180 C)

Limitation : avec le vide pas de saturation, mais les champs élevés déstabilisent l’état supra, Bmax ≈ 12 T

Avec 10T, 11 kWh/m3 (essence : 10 kWh/kg ou 8 kWh/l)


Inductances supraconductrices SMES


42

www.amsuper.org


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Convertisseurs électrique-chimiques et stockageRelations entre principes et aspects structurels

Exemples d’installationsLes accumulateurs


Les piles à combustible

Les piles métal air

Les accumulateurs redox flow

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Les supercondensateurs

Propriétés communes : stuctures, basse tension, modularité…...


Les accumulateurs et piles électrochimiques permettent


de disposer d’une réserve d’énergie électriqueautonome.

Le problème de ces éléments énergétiques est deréussir à les maintenir en état le plus longtempspossiblepossible.

Ils subissent une altération de leurs performancesau cours du temps et des utilisations.


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ces temps impactent

l

50

le rendement


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vis à vis de l’utilisation c’est à dire la mission



Couplage énergie-puissance, théorie de Ragone

Source d’énergie et de puissanceSource d’énergie électriqueInvoque une durée du « même ordre de grandeur » que celleInvoque une durée du « même ordre de grandeur » que celle de la (les) mission(s) typique(s) que doit accomplir le système.

La pile à combustible associée à son combustibleLe groupe électrogène et son carburantLe générateur solaire associé à l’énergie solaireLe générateur éolien associé à l’énergie des ventsL’accumulateur (acide plomb, lithium-ions …)

Source de puissance électrique

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p qInvoque une durée « courte » devant celle de la (les) mission(s) typique(s) que doit accomplir le système.

Un super condensateurUn volant d’inertie

Un accumulateur

Des architectures hybrides permettent de découpler ces deux aspects

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Un problème crucial pour de nombreux systèmes autonomes

véhicule électrique,véhicule thermique, Energie

massique1000

Wh/kgPAC

Essence :

Hydrogène :30 000 Wh/kg

Le stockage et la génération embarqués de l’énergie électrique

aéronefs, satellites, applications portables

massique

50

100Li-ion

NI-MH

Ni-Cd

Pile à combustibleEssence :10 000 Wh/kg

Plan de Ragone

Quelle disponibilité de l’énergie électrique au regard de la mission ?

Plusieurs aspects :- autonomie- puissance- jauge d’énergie- durée de vie

Puissance massique1 10

30

50,1

kW/kg

Pb-Ac

Super-condensateurs

Roued’inertie

Des propriétés « temporelles » différentes


58

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30


Etude du cas d’un système Hybride « éolien-diesel » 59

800

900

1000 Diesel engine currentWind Turbine CurrentLoad current


400

500

600

700

800

curre

nts(

A)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

100

200

300

Time (s)

60

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Micro cycles subies par la batterie

61


Exemple d’un couplage multi-sources avec volant d’inertie 62

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Principe de la commande63Prof. B. Dakyo conférence 09/11/2010 UPMC

Batteries Flywheel(0.5kgm2)

Capacitor (35mF)

Capacity(Ah)

53 10 0.0283


(Ah)

AvantDurée de vie 1 an

Pour les batteries

AprèsDurée de vie 4 ans

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MODES DE COUPLAGE ET


PARTICIPATION AUX SERVICES « SYSTÈME » DE

PARCS ÉOLIENS


Intégration de l’énergie éolienne dans les réseaux électriques


Architecture du réseau électrique

Fonctionnement du système d’énergie

électriq eélectrique

Impacts de l’intégration de GED dans les

réseaux électriques

« Production »ou « Génération » « d’Energie Dispersée » (PED ou GED)

Source principale: Thèse A. Teninge

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Architecture des réseaux électriques

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Architecture des réseaux électriques


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Fonctionnement du système d’énergie électrique

Ré l hié hi é d l f é


• Réglage hiérarchisé de la fréquence– Réglage primaire de fréquence : RPF– Réglage secondaire de fréquence : RSF– Réglage tertiaire de fréquence : RTF

• Réglage hiérarchisé de la tension : réseauRéglage hiérarchisé de la tension : réseau de transport– Réglage primaire de tension : RPT– Réglage secondaire de tension : RST– Réglage tertiaire de tension : RTT 69

VI) Participations aux services « système » de parcs éoliensRéglage primaire de fréquence : RPF

Intégration d’un statisme dans une boucle de régulation de vitesse

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Réglage secondaire de fréquence : RSF & Réglage tertiaire de fréquence : RTF


Réglage hiérarchisé de fréquence : emploi des différentes réserves suite à un défaut



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Compensation locale d’énergie réactive

• Moyens de compensation classiquesL i d t


– Les inductances– Les condensateurs– Les compensateurs synchrones– Les transformateurs avec prises réglables

en charge• Systèmes FACTS (Flexible alternative

Current Transmission Systems)


Les moyens de compensation par compensateur statique


Le SVC (Static Var Compensator)Le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)


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Les moyens de compensation par compensateur statique


Structure de FACTS avec convertisseurs : STATCOM et UPFC

UPFC (Unified Power Flow Controller)


Impacts de l’intégration de GED dans les réseaux électriques


• Impacts sur la tension– Problèmes de tension liés à l’insertion de

GED– Solutions pour le réglage de tension dans les

réseaux de distributionréseaux de distribution


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On peut remarquer ici que cephénomène ne se retrouve passur le réseau de transportsur le réseau de transportpuisque dans ce cas la réactanceest très supérieure à la résistance: Lω >> R.

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Les Systèmes éoliens : principes de fonctionnement


• Éolienne à base de MAS

• Éolienne à base de MASDA

• Éolienne à base de MS



Structure MAS

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Éolienne à base de MASDA



Éolienne à base de MS


Structure MS


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Participation au réglage de tension?


Système électrique modélisé pour l’étude de l’utilisation de la puissance réactive


Tenue aux variations de fréquence.


Contraintes de tenue aux variations de fréquence


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Références, sites et documents électroniques

Mostafa El MOKADEM thèse université du Havre 28 septembre 2006 Modélisation et simulation d’un systèmehybride pour un site isolé Problématique liée aux fluctuations et variations d’énergie au point de couplage

MULTON Bernard (1) ; ROBOAM Xavier (2) ; DAKYO Brayima (3) ; NICHITA Cristian (3) ; GERGAUD Olivier (4) ;BEN AHMED Hamid (5) ;Aérogénérateurs électriques Techniques de l'ingénieur. Génie électrique ISSN 0992-5449 2004, vol. D7, noD3960 [Note(s): D3960.1-D3960.2] (57 ref.)

Stephan Astier « Des machines à aimants permanents aux systèmes énergétiques autonomes. Systémique,électricité et développement durable Mémoire d’HDR ENSEEIHT INPToulouse 9 Juillet 2003

hybride pour un site isolé. Problématique liée aux fluctuations et variations d énergie au point de couplage.

Dakyo, B.; El Mokadem, M.; Nichita, C.; Koczara, W. A new method to define power andenergy share in a DC link Hybrid wind-diesel powered system by means of storage and dual timefrequencyapproach. Power Electronics and Applications, 2007 European Conference on Volume , Issue , 2-5 Sept. 2007Page(s):1 – 8 Digital Object Identifier 10.1109/EPE.2007.4417723M.A. Tankari, B. Dakyo, C. Nichita, “Improved Sizing method of Storage Units for Hybrid Wind-diesel PoweredSystem”, Conf. IEEE EUROCON, Pologne 2007.

FAUVARQUE J. F « Stockage Electrochimique de l’énergie électrique » Cycle: Énergie: quelles nouvelles techniques? Lyon, 15 novembre 2007 site www.efferve-sciences.ec-Iyon.fr

Camara, M; Gualous, H; Gustin, F; Berthon, A; Dakyo, B DC/DC Converters Design for Supercapacitors andBattery Power Management in Hybrid Vehicle Applications-Polynomial Control Strategy IEEE transactions onIndutrial Electronics à paraitre Digital Object Identifier: 10.1109/TIE.2009.2025283Alexandre Teninge « Participation aux services système de parcs éoliens mixtes : application en millieuinsulaire » Thèse G2ELAB INP Grenoble 4 décembre 2009www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2008/06/storage-boosts-the-power-of-renewable-energy-52716www.cea.fr/content/download/3159/.../136a138couffin.pdf


Production décentralisée

Couplage et stockage de l’énergie électrique

Merci pour votre attention!

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