Contribution à la gestion d'énergie dans les systèmes hybrides multi-sources multi-charges, Contribution to the energy management in multi sources/multi loads hybride system

Alireza Payman

Description

Sous la direction de Farid Meibody-Tabar, Serge Pierfederici
Thèse soutenue le 15 juillet 2009: INPL
Ce mémoire propose une stratégie de contrôle sans commutation d’algorithme pour un système hybride constituée d’une pile à combustible comme source principale et d’un pack de supercondensateurs comme source auxiliaire. Trois structures de système hybride ont été étudiées. Après avoir évoqué les différentes structures des systèmes hybrides électriques et des techniques utilisées pour les contrôler, deux approches sont traitées. La première est basée sur la notion de platitude permettant d’assurer la gestion des flots d’énergie dans une source hybride et plus généralement dans un système multi sources/multi charges. La stratégie proposée repose sur la génération d’un modèle d’ordre réduit du système et la gestion des flots d’énergie via des trajectoires de référence de certaines grandeurs énergétiques du système. L’impact de ce mode de contrôle sur le dimensionnement des éléments passifs (inductances, condensateurs) de la source hybride a été expliqué. Dans la deuxième stratégie, l’énergie totale stockée dans les hacheurs est prise en compte dans l’élaboration de la commande du système multi sources/multi charges en utilisant une linéarisation entrée/sortie sur les convertisseurs des charges. Un observateur non linéaire a été proposé pour estimer la variation de la caractéristique statique de pile à combustible et permet de garantir un fonctionnement optimal du système hybride. Les architectures de puissance et les modes de commande proposés ont été validés par des résultats simulés et/ou expérimentaux
-Pile à combustible
-Supercondensateur
-Platitude
-Système hybride
-Multi source/multi charge
-Convertisseur continu/continu
-Observateur
-Linéarisation entrée/sortie
This work deals with a nonlinear control strategy of an electrical hybrid system which is composed of a fuel cell as the main source and a supercapacitor bank as the auxiliary source. Any algorithm commutation is not used in the proposed control strategy whereas the system works in different operating modes. After a review of various structures of the electrical hybrid systems and different control methods of these systems, two new approaches are developed. The first one is flatness-based method to ensure the energy management in the proposed hybrid systems and generally in a multi source / multi loads system. The proposed strategy is based on generation of a reduced-order model of the system. The energy management is carried out through the reference trajectories of the stored electrostatic energy of the system. The effect of the proposed control method on design of the system components (inductors and capacitors) is explained. In the second approach, the total energy stored in the choppers is taken into account to control the load converters of a multi-source/multi load system by use of the input/output linearization method. A nonlinear observer is proposed to estimate the variation of voltage-power output characteristic of the fuel cell which leads to an optimal performance of the hybrid system. The simulation and experimental results prove validity of the proposed control strategy
-Fuel cell
-Input/output linearization
-Observer
-DC/DC converter
-Flatness
-Supercapacitor
-Hybrid system
-Multi source/multi load
Source: http://www.theses.fr/2009INPL038N/document

Sujets

• Pile à combustible
• Supercondensateur
• Problème de la platitude
• Système hybride
• Observateur

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 221
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

AVERTISSEMENT



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Institut National Polytechnique de Lorraine
École Doctorale « Informatique – Automatique – Électrotechnique – Mathématiques »
Département de Formation Doctorale « Électrotechnique – Électronique »
________________________________________________________________


THÈSE
Présentée à
L’Institut National Polytechnique de Lorraine
En vue de l’obtention du titre de
DOCTEUR de l’I.N.P.L.
Spécialité : Génie Électrique


Par :
Alireza PAYMAN
Ingénieur de "Université de Téhéran, Téhéran, IRAN"


Contribution à la Gestion de l’Energie dans les Systèmes
Hybrides Multi-sources Multi-charges



Soutenue publiquement le 15 juillet 2009 devant la commission d’Examen


Membres du Jury :

Président : ROBOAM Xavier

Rapporteurs : MACHMOUM Mohamed
MONMASSON Eric

Examinateurs : DAVAT Bernard
MEIBODY-TABAR Farid
PIERFEDERICI Serge




Thèse préparée au Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy


















































AVANT-PROPOS

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Groupe de Recherche en
Electrotechnique et Electronique de Nancy (GREEN). Le laboratoire est implanté sur les sites de
l’Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique et de l’Université Henri Poincaré.

Cette thèse est le résultat de l’engagement de plusieurs personnes qui m'ont accompagné dans ce
passionnant parcours. Je voudrais profiter de leur exprimer toute ma gratitude et ma reconnaissance.

Je tiens tout d’abord à remercier sincèrement mon Directeur de thèse, le Professeur Farid
MEIBODY – TABAR et mon codirecteur de thèse, le Professeur Serge PIERFEDERICI pour
avoir dirigé mes travaux de recherche ainsi que pour leurs disponibilités, leur patience et leurs
précieux conseils.

J’exprime ma profonde gratitude à Monsieur X. ROBOAM, le Directeur de recherche de CNRS,
pour l'honneur qu'il m'a fait en acceptant de présider le jury.

Je tiens à remercier également Messieurs M. MACHMOUM, Professeur à l’Université de
Nantes, et E. MONMASSON, Professeur de l’Université de Cergy-Pontosie, pour l'intérêt qu'ils
ont bien voulu porter à ce travail, en acceptant d'en être les rapporteurs. Je remercie aussi Monsieur
B. DAVAT, Professeur à l’INPL, pour l'honneur qu'il m'a fait d’avoir accepté de siéger dans ce jury
et pour ses précieux conseils.

Je suis reconnaissant à Monsieur D. ARAB-KHABOURI, mon professeur à l’IUST en IRAN,
qui m’a donné l’opportunité d’une candidature au diplôme de doctorat.

J’ai sincèrement apprécié durant ces années la chaleureuse ambiance entretenue par les
doctorants du laboratoire que je remercie vivement. Je tiens à saisir cette occasion pour remercier
les membres du laboratoire GREEN, les enseignant-chercheurs ainsi que les personnels
administratifs et techniques.

Finalement je me permis de remercier mes parents, Azameh NASROLLAH-ZADE et Yousef
PAYMAN, et mes frères, Mohammadreza et Hamidreza pour leur soutien, leur patience et leur
tolérance.













































A mes parents :


Madame Azameh NASROLLAH-ZADE
Monsieur Yousef PAYMAN,

et mes frères :

Mohammadreza et Hamidreza
____________________________________________________________________________ Table des matières
Table des matières
Table des matières.............................................................................................................................. i

Introduction Générale........................................................................................................................1

Chapitre 1 : Généralités sur les sources hybrides : source et élément stockage
électrochimique, hybridation, architectures et des commandes associées.........5
1.1 Introduction.......................................................................................................................................................5
1.2 La pile à combustible ........................................................................................................................................5
1.2.1 Principes de fonctionnement .....................................................................................................................6
1.2.2 Différentes technologies de piles à combustible .......................................................................................7
1.2.2.1 Pile alcaline (AFC) .....................................................................................................................8
1.2.2.2 Pile à membrane à électrolyte polymère (PEMFC) .....................................................................8
1.2.2.3 Pile à méthanol direct (DMFC) ...................................................................................................9
1.2.2.4 Pile à acide phosphorique (PAFC)...............................................................................................9
1.2.2.5 Pile à carbonate fondu (MCFC).........9
1.2.2.6 Pile à oxyde solide (SOFC) .......................................................................................................10
1.2.3 Caractéristique tension-courant des piles à combustible .........................................................................10
1.2.3.1 Pertes d’activation ....................................................................................................................10
1.2.3.2 Pertes ohmiques .......................................................................................................11
1.2.3.3 Pertes de concentration .............................................................................................................12
1.3 Les batteries et accumulateurs électrochimiques.............................................................................................12
1.4 Supercondensateur ..........................................................................................................................................16
1.4.1 Principe de fonctionnement .....................................................................................................................16
1.4.2 Modélisation des supercondensateurs à couche double électrique...........................................................18
1.4.2.1 Modèle théorique ......................................................................................................................18
1.4.2.2 Modèle énergétique à deux branches ........................................................................................18
1.4.2.3 Modèle énergétique distribué ....................................................................................................19
1.5 Comparaison et application des dispositifs électrochimiques .........................................................................20
1.6 Hybridation des dispositifs électrochimiques..................................................................................................23
1.6.1 Concept d’hybridation ..............................................................