investigation and optimisation of hybrid electricity storage ...

Wendy De Paoli

Sujets

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• Publié par: Ulla
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Extrait

investigation and optimisation of hybrid electricity storage systems based on compressed air and supercapacitors OTHÈSE N 3628 (2006) PRÉSENTÉE LE 20 OCTOBRE 2006 à LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR Institut des sciences de l'énergie SECTION DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET ÉLECTRONIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Sylvain LEMOFOUET - GATSI Diplôme de Professeur d'Enseignement Technique de Deuxième Grade en génie électrique, ENSET, Université de Douala, Cameroun de nationalité camerounaise acceptée sur proposition du jury: Prof. J. R. Mosig, président du jury Prof. A. Rufer, directeur de thèse Prof. F. Blaabjerg, rapporteur Prof. A. Bouscayrol, rapporteur Prof. D. Favrat, rapporteur Lausanne, EPFL 2006Remerciements Cetravaildethèse,quiaétéréaliséentrelesannées2002et2006auLaboratoire d’Electronique Industrielle (LEI) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lau- sanne (EPFL), a été pour moi une expérience particulièrement enrichissante aussi bien sur le plan professionnel que sur le plan personnel. Les résultats présentés dans ce rapport n’auraient pas été obtenus si je n’avais bénéficié du concours et du soutien multiformes de plusieurs personnes à qui je voudrais ici exprimer ma reconnaissance et ma gratitude. Je remercie sincèrement et particulièrement le Prof. Alfred RUFER, mon directeur de thèse, pour m’avoir accepté comme assistant-doctorant dans son équipe et pour la confiance qu’il a placé en moi en me donnant cette opportu- nité de travailler sur un sujet aussi intéressant. Son soutien total, sa disponi- bilité, son ouverture aux idées nouvelles, ses qualités humaines et sociales ex- ceptionnelles à mon égard personnellement comme à celui de toute l’équipe du LEI, ont créé les conditions favorables et stimulantes pour l’obtention de ces résultats. Je remercie le Prof. Juan MOSIG du Laboratoire d’Electromagnétisme et Acoustique (LEMA) de l’EPFL, pour avoir accepté de présider le jury d’évaluation de cette thèse. Je remercie également le Prof. Daniel FAVRAT du Laboratoire d’Energétique Industrielle (LENI) de l’EPFL, le Prof. Alain BOUSCAYROL du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puis- sance (L2EP) de l’Université de Lille 1 et, le Prof. Frede BLAABJERG de l’Institut des Technologies de l’Energie (IET) de l’Université d’Aalborg, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant de faire partie de ce jury. Ma profonde gratitude va à toute l’équipe du LEI, pour leur soutien et pour cette atmosphère de travail à la fois relaxante et stimulante. Je remercie par- ticulièrement Fabienne VIONNET, Roberto ZOIA et Yves BIRBAUM pour leur appui administratif, informatique et technique respectivement. Je re- iRemerciements mercie Philippe BARRADE pour ses remarques pertinentes et ces discussions fructueuses dans le domaine de Supercondensateurs. Je remercie vivement Fe- lix GRASSER pour la lecture de ce rapport et pour son important soutien, particulièrement dans le domaine de la mécanique. J’adresse également mes remerciements aux anciens collaborateurs du LEI, particulièrement à Martin VEENSTRA, Joseph SONG-MANGUELLE et Jean-Sébastien MARIETHOZ pour leur aide. Je remercie messieurs Roland WETTER et Sylvain ROBERT du Labora- toire des Machines Electriques (LME) pour leur assistance lors des essais de caractérisation de la machine synchrone, qui a eu lieu dans leur unité. Je dit également merci à Monsieur Ivan CYPHELLY qui m’a fait profiter de sa grande expérience dans le domaine hydropneumatique, à travers ses idées originales et ses conseils techniques pertinents. Je remercie infiniment toute ma famille et particulièrement mes parents, pour leurs prières, leurs encouragements et leur soutien inconditionnel tout au long de mes études. Ma profonde gratitude à Natacha, sans l’aide de qui je n’aurais pas pu venir en Suisse pour ces études doctorales. Je voudrais dire toute ma reconnaissance à Josiane mon épouse, pour son soutien indéfectible et son attention particulière pendant ces années difficiles. Je remercie tous mes amis et connaissances, un peu partout dans le monde, pour leur soutien et leurs encouragements constants. Que tous ceux qui, de près ou de loin, directement ou indirectement et de quelque manière que ce soit, ont contribué à la réussite de cette thèse, trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude. iiRésumé Le recours croissant aux énergies renouvelables est une des solutions clef aux problèmes environnementaux et de ressources liés à l’approvisionnement én- ergétique mondial. Du fait de la nature aléatoire et répartie de certaines de ces sources (solaires et éoliennes notamment), le stockage est indispensable à une utilisation efficace et économiquement viable de ces énergies. Le stockage d’énergie par air comprimé (sans adjonction de fuel) s’avère, de part ses nom- breux avantages environnementaux, hautement compatible avec les énergies renouvelables; cependant ses performances énergétiques limitées constituent le principal obstacle à son utilisation. Ce travail de thèse vise à optimiser le stockage pneumatique afin de le rendre plus efficace, principalement pour les applications d’énergies renouvelables. Le stockage pneumatique de l’énergie électrique requiert plusieurs étapes de conversion passant par une forme mécanique intermédiaire. La conversion pneumatique-mécaniqueestdoncd’abordétudiée. Lasuppressiondelarégula- tion de pression est proposée afin éviter les pertes d’énergie liées à cette opéra- tion. En conséquence, la machine volumétrique fonctionne à pression variable et plus élevée. L’analyse de la caractéristique de rendement de ces machines montre l’existence d’une vitesse optimale qui correspond au rendement maxi- mum et qui dépend de la pression. Une stratégie d’optimisation en temps réel du rendement, basée sur le fonctionnement à vitesse variable commandée par le rendement, est proposée. Les résultats expérimentaux confirment l’efficacité de cette stratégie aussi bien avec les machines pneumatiques qu’avec les ma- chines hydrauliques. Les machines hydrauliques offrent en effet de meilleurs rendements de conversion comparativement aux machines pneumatiques, leur utilisation requiert cependant un interfaçage air-huile dont la réalisation a conduit aux deux systèmes de stockage hydropneumatique présentés. Le fonc- tionnement à vitesse variable proposé, a permis d’améliorer le rendement de cycle du système de conversion hydropneumatique expérimental d’environ 4% comparé à celui d’un fonctionnement à vitesse constante. iiiRésumé Afin de garantir la qualité et la flexibilité de puissance du system de stock- age, une topologie hybride qui associe le stockeur hydropneumatique principal à un stockeur auxiliaire à supercondensateurs, est proposée. La stratégie de variation de la puissance de sortie est basée sur un fonctionnement intermit- tent du stockeur principal; le stockeur auxiliaire est alors utilisé pour lisser la puissance résultante à travers la régulation de la tension du bus continu commun. La flexibilité de puissance ainsi obtenue rend le système de stockage compatible avec une large gamme de puissances de charge et de source. L’analyse du rendement montre que les performances du stockeur auxiliaire ont un grand impact sur celles du système global. Le stockeur auxiliaire doit donc avoir un rendement très élevé pour obtenir un rendement global accept- able. Une méthode formelle de dimensionnement du banc de supercondensa- teurs, qui permet de respecter à la fois les contraintes d’énergie et de tension tout en minimisant les coûts, est présentée. Une stratégie de contrôle du con- vertisseur DC-DC multicanaux d’interfaçage du banc, qui permet d’optimiser son rendement à charge partielle, est aussi proposée. Elle est basée sur la vari- ation dynamique du nombre de canaux actifs, commandée par la puissance. Plusieurs autres topologies du système de stockage hybride sont proposées, qui permettent de mieux répondre aux exigences particulières de chaque ap- plication tout en optimisant les performances et le coût. Une évaluation com- parative de coût du stockage est également effectuée, dans le contexte d’une applicationphotovoltaïqueautonome. Ellemontrequ’enplusdesesnombreux avantages environnementaux, le stockage hydropneumatique est économique- ment plus viable que le stockage par batterie au plomb. Mots clef: Energiesrenouvelables,Stockaged’énergie,Hydropneumatique,Su- percondensateurs, Rendement maximal, Flexibilité de puissance. ivAbstract An increasing recourse to renewable energies is one of the key solutions to address the current resource and environmental concerns related to the world energy supply. Because of the distributed and intermittent nature of several of them(Solar,Wind),anefficientandeconomicallyviableexploitationofrenew- able energies relies on the use of energy storage means. Fuel-free compressed air energy storage technologies are highly compatible with renewable energies because of their inherent environmental advantages. However their low en- ergy performances have been the main barrier to their widespread utilization. Pneumatic storage is considered in this thesis with the goal of improving its energetic and power performances so as to make it more efficient and suited for renewable sources support. Storing/generating electrical energy into/from compressed air requires a multiple-step conversion process through an intermediary mechanical energy. Pneumatic-to-mechanical energy conversion is studied first. The suppression of the pressure regulation is proposed to avoid the important energy losses related to this operation. Consequently the volumetric machine must operate at higher and variable pressure. The analysis of the efficiency characteristics of these machines shows the existence of a pressure dependent optimal speed that corresponds to the maximum efficiency. A Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT) strategy, based on efficiency-controlled variable speed oper- ation, is proposed for the real