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Production of marine energy : integration of offshore wind generation into a decentralized energy mix
No full textACette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés sur les problématiques des énergies renouvelables par le laboratoire GREAH. Elle est financée par la communauté de l’agglomération havraise (CODAH). Les taux de fluctuation de la puissance sont réglementés dans des codes de réseaux établis par des gestionnaires de réseau électrique dans le but de minimiser l’impact de ces fluctuations sur la fréquence et la tension du réseau. Comme l’énergie éolienne est de nature fluctuante, nous proposons dans ce rapport des solutions dans le cas où les taux de fluctuations de la production éolienne offshore dépassent ces limites. Parmi ces solutions, la capacité du parc éolien à lisser sa propre puissance ou par intégrations des unités de stockage; dans le premier cas l’utilisation d’une réserve de puissance dans les éoliennes est possible, pour créer cette réserve deux méthodes sont proposées et leurs performances évaluées. Pour deuxième solutions, une méthodologie sera proposée pour déterminer la technologie du stockage. Des propositions pour construire des parcs éoliens offshore avec des technologies en courant continu sont apparues. Pour permettre un couplage répondant et une bonne fiabilité des dispositifs d’électroniques de puissance utilisés dans la conception de ces nouveaux parcs, nous proposons dans ce rapport des convertisseurs adéquats et des stratégies de commandes qui assurent leurs stabilités.The research work performed in this thesis is in the framework of issues related of renewable energies led by GREAH laboratory. The research work has been funded by Le Havre Municipality Assembly (CODAH). The requirements of power fluctuations in the grid are given by the grid code established by the electricity utilities companies in order to mitigate the impact of the wind power fluctuation on frequency and voltage in electrical grid. As wind energy has a fluctuating behavior, solutions have been proposed in this thesis for the situation where the power produced by an offshore wind power plant exceeds the threshold given by the grid code. Among the solutions, we can quote the ability of the wind power plant to smooth its own power production or integrate storage units. In the first case, the use of power reserve in wind turbines is possible and two methods have been proposed, and their performance evaluated. For the second solution, a methodology to find and to choose out the storage technology has been discussed. Proposals to build offshore wind farms with technologies using direct current (DC) have emerged. To get a coupling which fulfills the requirement of good reliability of power electronic devices used for the design of new wind farms, it has been proposed in this thesis adequate converters and control strategies that ensure their stability
Services to the system and management of transient energy interactions in an offshore wind farm
No full textL’intégration massive de la production d’énergie éolienne intermittente au niveau des réseaux électriques pose un problème de stabilité du système électrique. En effet les caractéristiques sont très différentes de celles de sources conventionnelles maîtrisées par les gestionnaires de réseau. Par conséquent, l’injection de cette énergie induit de nouveaux challenges pour les gestionnaires de réseaux électriques. De plus, les conditions de raccordement évoluent et tendent à ce que toutes les sources participent aux services rendus aux systèmes électriques. Les travaux de cette thèse sont focalisés sur la proposition d’une nouvelle stratégie de commande non-linéaire basée sur la commande par « platitude à une boucle » d’un système de conversion d’énergie éolienne. Cette stratégie de contrôle vise la gestion des interactions au point de connexion par la génération et le suivi de trajectoires de références. De par le fait que toutes les variables du système sont liées à la « sortie plate » de ce système, cette commande procure une rapidité de réponse et une bonne maitrise des régimes transitoires. La mise en œuvre de cette nouvelle stratégie de contrôle pour la constitution d’un parc éolien offshore, capable de satisfaire différentes conditions de raccordement a été simulée avec succès. Plus particulièrement, l’évaluation de l’impact de différents défauts du réseau sur les services proposés (Régulation de fréquence et de tension, la tenue aux creux de tension.) a été réalisée.The massive integration of intermittent production of wind energy in electrical networks creates an electrical system stability problem. Indeed, its characteristics are very different from those of conventional sources controlled by Grid managers. Therefore, the injection of this energy makes new challenges for power Grid operators. Moreover, the connection conditions are evolving and go towards the situations that all different sources participate into services of electrical systems. This thesis proposes a new nonlinear control strategy based on a « one loop flatness control » of a wind energy conversion system. This control strategy has aim of energy interactions management at the connection point through generation and tracking of reference trajectories. As all system variables are functions of the « flat output » of the system, this control provides fast response and good control in transient state. The application of this new control strategy into an offshore wind farm which is able to satisfy different connection conditions was simulated successfully. Specifically, effects of various grid faults on the proposed ancillary services (frequency and voltage regulation, and low-voltage ride through capabilities) were performed
Systemic approach for electrical management dedicated to transport applications using electrochemical storage systems
No full textCe sujet s’inscrit dans la continuité des activités de recherche du laboratoire GREAH sur les problématiques de la gestion optimale d’énergie électrique embarqué à bord des véhicules électriques hybrides. En effet, le couplage de plusieurs sources de natures différentes entraîne des problématiques de dimensionnement, de qualité d’énergie et de la durée de vie des éléments interconnectés. Pour les applications de transport par exemple, les principaux facteurs de ces problématiques reposent sur : - les fluctuations de la puissance demandée par la chaîne de propulsion/ traction, la durée de vie limitée des éléments de stockage d’énergie électrique, l’absence de profil de mission standard réaliste et la nécessité d’optimisation de la consommation énergétique du bord. La méthode adéquate pour l’étude des systèmes multi-sources passe par une approche systémique. Cette approche est nécessaire pour établir des modèles comportementaux des sources et des convertisseurs en vue de l'élaboration des stratégies de gestion optimale des flux énergétiques entre les organes. Le premier objectif de la thèse repose sur le développement des modèles de comportement des batteries et supercondensateurs soumis aux contraintes thermiques et électriques spécifiques aux applications de transport. Le second vise le développement de la stratégie de la gestion d’énergie prenant en compte de l’impact de la température et les fluctuations de puissance demandée par la chaîne de propulsion/ traction (charge).The research work presented in this document is a continuation of the GREAH laboratory research activities on the issues of optimal energy management on board of electric and hybrid electric vehicles. Indeed, the coupling of several electrical energy sources with different characteristics causes several issues like energy sources sizing, energy exchange quality and the lifetime of the interconnected elements. In the case of transport applications, the main factors of these problems are based on the high fluctuations in the power required by the propulsion/traction chain; the limited life expectancy of the electrical energy storage elements; the lack of realistic standard mission profile and the need to optimize the electric vehicles energy consumption. The appropriate method for studying the multi-source systems is by using systemic approach. This approach is necessary to establish behavioral models of energies sources and power converters for the development of optimal energy management strategies. The contribution of this thesis is focused on the investigation and the development of energy management strategies considering the electrical energy sources performances and their state of functioning according to the power fluctuations from the propulsion/traction chain, which presents the load in a touristic vehicle
Interest of the vector and hydrogen storage in the wind farms operation
No full textCe travail a porté sur l’étude de l’intérêt et stockage Hydrogène dans l’exploitation des parcs éoliens. Afin d’apprécier les hypothèses initiales par rapport aux parcs éoliens, aux systèmes de stockage, aux techniques de modélisation, aux outils de simulation et aux indicateurs économiques pouvant permettre de faire une analyse comparative entre les différents systèmes ou scenarios énergétiques, une analyse bibliographique sur plus de 150 documents a été réalisées. Par la suite, un système composé d’un parc éolien, l’électrolyseur, la PAC, et le réseau électrique a été considéré. Afin de valider les modèles développer, six (6) scenarios ont été étudiés. L’éolien couplé au réseau électrique unique(1) ; l’éolien couplé à l’électrolyseur(2) ; l’éolien et le réseau électrique couplés à l’électrolyseur sans contrainte sur le prix de l’électricité du réseau électrique (3); l’éolien et le réseau électrique couplé à l’électrolyseur avec contrainte sur le prix de l’électricité du réseau électrique (4) ; l’éolien associé à la pile à combustible assurent la fourniture d’une puissance constante au réseau électrique et l’excédent de la production éolienne est utilisée pour produire de l’hydrogène(5) et afin l’éolien associé à la pile à combustible assurent la fourniture d’une puissance constante au réseau électrique entre 18h-20h et en dehors de ce créneau, l’éolien et réseau électrique s’associent pour alimenter l’électrolyseur à sa puissance nominale à condition que le prix de l’électricité sur le réseau électrique soit inférieur à un seuil(40 €/MWh)(6). L’étude de ces scenarios a permis de valider les modèles développés et a montré la flexibilité qu’apporte le stockage hydrogène dans l’exploitation des parcs éoliens. En dernière position, une analyse comparative sur la base économique utilisant le LCOE (Levelized Cost Of Energy) a été faite sur ces scenarios et permis de donner des orientations sur le choix à faire face à la situation considérée.This work focused on studying the interest and storage of Hydrogen in the operation of wind farms. In order to assess the initial hypotheses in relation to wind farms, storage systems, modeling techniques, simulation tools and economic indicators that can make it possible to carry out a comparative analysis between the different energy systems or scenarios, a bibliographic analysis on more than 150 documents were produced. Subsequently, a system consisting of a wind farm, the electrolyser, the heat pump, and the electricity grid was considered. In order to validate the models developed, six (6) scenarios were studied. Wind power coupled to the single electricity grid (1); wind power coupled to the electrolyser (2); wind power and the electricity network coupled to the electrolyser without constraint on the price of electricity from the electricity network (3); wind power and the electricity network coupled to the electrolyser with constraints on the price of electricity from the electricity network (4); wind power associated with the fuel cell ensure the supply of constant power to the electricity grid and the excess wind production is used to produce hydrogen (5) and for the wind power associated with the fuel cell ensure the supply of constant power to the electricity network between 6 p.m. and 8 p.m. the electricity network is below a threshold (40 € / MWh) (6). The study of these scenarios made it possible to validate the models developed and showed the flexibility that hydrogen storage brings in the operation of wind farms. Lastly, a comparative analysis on the economic basis using the LCOE (Levelized Cost Of Energy) was carried out on these scenarios and made it possible to give orientations on the choice to face the situation considered
Contribution to the control of a multilevel inverter, intended for renewable energies, in order to reduce the imbalance in electrical networks
No full textLe travail de cette thèse apporte une contribution aux méthodes de réglage de la tension dans les réseaux électriques. Il s’agit de fournir au réseau la puissance active et surtout la puissance réactive nécessaire pour réguler la tension et aboutir à un système équilibré vue du côté source. Ces puissances sont extraites d’une source d’energie renouvelable : une attention particulière a été portée à l’énergie éolienne raccordée au réseau à travers la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) pilotée par des convertisseurs statiques. Le système de contrôle le plus répandu des éoliennes est basé principalement sur la technique d’extraction du maximum de puissance. Cependant, cette technique limite la mise en oeuvre deservices auxiliaires, telle que la participation des éoliennes au réglage de la tension dans le réseau électrique. Pour cela, une nouvelle méthode d’extraction du coefficient de puissance optimal, permettant d’améliorer la participation de la MADA à la régulation de la tension dans le réseau (compensation de la puissance réactive et du déséquilibre), a été développée. Le convertisseur multiniveaux à structure NPC (Neutral Point Clamped) raccordant l’énergie renouvelable au réseau a été étudié. La commande prédictive assurant simulatnément l’amélioration du facteur de puissance, l’équilibrage du réseau électrique et du bus continu du convertisseur NPC a été proposée. Ensuite, l’application de cette commande prédictive a été elargie en lui attribuant plusieurs objectifs : amélioration du facteur de puissance avec équilibrage du réseau, équilibrage du bus continu, minimisation des pertes par commutation et réduction de la tension de mode commun. La minimisation des pertes a été obtenue en proposant une nouvelle stratégie qui consiste à exploiter les datasheets constructeurs donnant l’évolution de l’énergie dissipée durant la commutation en fonction du courant. Ces courbes expérimentales ont été transformées en modèlesmathématiques implémentés dans la commande prédictive. Les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés pour évaluer les performances de la méthode proposée.The work in this research thesis presents a contribution to voltage regulation in electrical networks. By considering adequate active and reactive powers injection into the grid, voltage control and load balancing are provided. These powers are generated from a grid connected renewable energy conversion system : a special attention was paid to the Wind Energy ConversionSystem (WECS) based on Doubly-Fed Induction Generator (DFIG).The typical control strategy for WECS is the maximum power coefficient tracking method. However, this method limits desirable ancillary power services, such as the participation of wind turbines in voltage regulation in the power grid. Therefore, a new method that derives the optimal power coefficient enhancing the participation of WTS in voltage regulation in the network (reactive and unbalanced power compensation), has been developed. The multilevel NPC (Neutral Point Clamped) converter, used for grid interface connection of renewable energy sources systems, has been studied. A predictive control method for the three-level NPC converter, capable of simultaneously compensating the problems of : DC link capacitors voltage balancing, load balancing and power factor correction in the power system, has been proposed. Then, the application of this predictive control was extended to simultaneously achieve multiple objectives: load balancing with power factor correction in the network, DC link capacitors voltage balancing, switching losses minimization and common mode voltage reduction. The switching losses minimization was obtained by proposing a new strategy which consists on exploiting the manufacturer datasheets that gives the evolution of the switching loss energy in function of the circulating current. The experimental curves of the datasheet are expressed in a mathematical model implemented in the predictive control. Simulation and experimental results are presented to evaluate the performance of the proposed method
Etude et realisation de dispositifs a commande numerique pour l'alimentation d'une machine synchrone a aimants permanents par generateur photovoltaieque : strategies de commande pour le pompage au fil du soleil
No full textCNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueSIGLEFRFranc
Modular Converters for Renewable Marine Energy Applications : Electrical Energy Management Considering Degraded Modes of Power Interfaces.
No full textLe travail présenté dans cette thèse apporte une contribution à l’amélioration de la fiabilité des systèmes de production d’énergie éolienne avec une focalisation sur le type et la fiabilité des convertisseurs de puissance utilisés dans ces systèmes.Le choix des composants configurant le système éolien est primordial pour l’amélioration de la fiabilité. De point de vue fiabilité, deux aspects sont particulièrement importants dans la conception de système éolien, le premier est la machine électrique et le système d’entrainement adopté, le deuxième est la topologie de convertisseur et leurs capacités à fonctionner en mode dégradé. Dans ce présent rapport, une étude détaillée pour le choix des composants et spécifiquement le choix de la génératrice ainsi que le convertisseur de puissance et l’impact de ce choix sur fiabilité de système éolien.Un système éolien est proposé dans ce travail, il est basé sur l’association de machine synchrone et un convertisseur multi-niveaux Vienna, deux méthodes de contrôle basées sur les correcteurs PI et RST sont développée pour ce système. Une pile à combustible est utilisée en tant que élément de stockage pour le système éolien.La détection des défauts en vue de permettre le fonctionnement en mode dégradé est une opération essentielle contribuant à l’amélioration de la fiabilité. Deux méthodes de détections de défaut de circuit-ouvert dans les interrupteurs des convertisseurs multi-niveaux Vienna et NPC sont présentées dans ce rapport.The work presented in this thesis contributes to the improvement of the reliability of wind power generation systems with a focus on the type and reliability of the power converters used in these systems.The choice of the components used in the wind power system is crucial for the improvement of the reliability. From a reliability point of view, two aspects are particularly important in the design of wind power systems: the choice of electric machine and drive, and the converter topology's ability to operate under degraded conditions. In this report, a detailed study on component selection and specifically the choice of generator as well as the power converter and the impact of this choice on wind system reliability.A wind power system is proposed in this work, it is based on the association of synchronous machine and a multi-level converter Vienna, two control methods based on PI and RST correctors are developed for this system. A fuel cell is used as a storage element for the wind power system.Fault detection to enable degraded mode operation is an essential step in improving reliability. Two methods of open-circuit fault detection in switches of Vienna and NPC multilevel converters are presented in this report
Multi-physical characterization of electrochemical and electrostatic storage elements dedicated to multi-source systems : Systemic approach for the dynamic management of electrical energy
No full textCe travail de thèse s’inscrit dans la continuité des activités de recherche du laboratoire GREAH sur les problématiques de la gestion d’énergie électrique et de l’amélioration de la qualité énergétique des systèmes de production aux énergies renouvelables. En effet, le couplage de plusieurs sources de natures différentes entraîne des problématiques de dimensionnement, de qualité d’énergie et de la durée de vie des éléments interconnectés. La démarche scientifique repose sur la caractérisation de l'évolution des résistances et des capacités des cellules de batteries LFP/supercondensateurs en fonction des contraintes électriques et thermiques, suivi de la modélisation du vieillissement accéléré des cellules. Nous proposons dans ce mémoire de thèse des améliorations de la réponse dynamique d’un bateau fluvial à propulsion électrique par l’hybridation des batteries LFP et des supercondensateurs. Nous proposons également une approche électrothermique pour la caractérisation et la modélisation multi-physique du vieillissement des batteries et supercondensateurs en utilisant des contraintes combinées de la température et de la fréquence des ondulations du courant de charge/décharge des cellules. Les données expérimentales collectées ont permis d'établir des modèles des supercondensateurs et des batteries dédiés aux systèmes multi-sources incluant des sources d’énergie renouvelable (éoliens et hydroliens). Les modèles développés se révèlent très précis par rapport aux résultats expérimentaux. Ils permettent une bonne description du phénomène de vieillissement des batteries LFP/supercondensateurs dû aux opérations de charge/décharge avec un courant continu fluctuant combiné à une température variable.This thesis work is a continuation of the research activities of the GREAH laboratory on the issues of the management of electrical energy and improving the energy quality of production systems for renewable energy. Indeed, the coupling of several different nature sources entails the problems of dimension, quality of energy and the lifetime of the interconnected elements. The scientific approach is based on the characterization of the evolution of the resistances and capacitances of the batteries/supercapacitors cells according to the electrical and thermal constraints, followed by the modeling of accelerated cells aging. In this thesis, we propose improvements to the dynamic response of an electric propulsion fluvial boat by using the hybrid system of lithium-batteries and supercapacitors. We also propose an electrothermal approach for the multi-physical characterization and modeling of the batteries and supercapacitors aging, using combined constraints of the temperature and frequency of the DC current ripples. The experimental data has been collected to establish models of batteries and supercapacitors dedicated to multi-source systems including renewable energy sources (wind and tidal turbines). The results of the developed models shown high accuracy compared with experimental results. These models illustrated a good description of the aging phenomenon of batteries/ supercapacitors due to charging/discharging operations with a fluctuating continuous current combined with a variable temperature
Optimal management of electrical energy from renewable energy sources dedicated to isolated sites
No full textLes travaux de thèse s’inscrivent dans les problématiques des travaux de recherche de l’équipe thématique : Maitrise des Energies Renouvelables et systèmes de Stockage (MERS) du laboratoire GREAH-EA3220. Ils englobent le dimensionnement des éléments constitutifs du système et la gestion optimale de l’énergie électrique pour un système hybride (Diesel à vitesse variable, Eolien, PV et Batteries) dédié aux sites isolés. Les sources de production d'énergie alimentent des charges par le biais de convertisseurs multi-niveaux d’électronique de puissance. Le groupe électrogène comportant un moteur diesel à vitesse variable est considéré comme la principale source d’énergie utilisée pour contrôler la tension continue du point de couplage. Ce type de groupe électrogène est choisi pour optimiser la consommation du carburant. Il est sollicité pour délivrer une puissance électrique compatible avec le régime du moteur qui supporte mal les variations fréquentes et rapides. Les sources d’énergie renouvelables dont on cherche à augmenter la part d’énergie pour satisfaire la demande sont pilotées de manière à extraire instantanément le maximum de puissances disponible par les ressources (ensoleillement, vent). Celles-ci imposent ainsi leurs dynamiques et leurs intermittences au point de couplage. Le pack des batteries sert à compenser les fluctuations rapides de l’énergie provenant des sources d’énergie renouvelables par rapport à une évolution plus lente prise en charge par le groupe électrogène. La gestion des interactions au sein du système électrique hybride résultant est assurée au moyen de convertisseurs statiques multi-niveaux (AC / DC, DC / DC et DC / AC). Une approche de gestion d’énergie électrique fondée sur la répartition fréquentielle des perturbations induites au point de couplage par les sources renouvelables. Une plateforme expérimentale à échelle réduite (1/22) a été développée pour valider expérimentalement les approches théoriques et les simulations. Les résultats de simulations obtenus dans l’environnement logiciel Matlab/Simulink/SimPowerSystems et ceux issus du dispositif expérimental réalisé et piloté par dSPACE-1104 prouvent l’adéquation des méthodes de contrôle proposées.The thesis works are part of the research work of the thematic team: Mastery of Renewable Energies and Storage Systems (MERS) of the GREAH-EA3220 laboratory. They include the dimensioning of the constituent elements of the system and the optimal management of electrical energy for a hybrid system (Variable speed Diesel, Wind, PV and Batteries) dedicated to isolated sites. Power sources supply loads through multi-level converters of power electronics. The generator set with a variable speed diesel engine is considered to be the main source of energy used to control the DC voltage at the coupling point. This type of generator is chosen to optimize fuel consumption. It is used to deliver an electrical power compatible with the engine speed which does not tolerate frequent and rapid variations. Renewable energy sources whose share of energy is sought to meet demand are managed so as to instantly extract the maximum power available from resources (sunshine, wind). These thus impose their dynamics and their intermittences at the coupling point. The battery pack is used to compensate for rapid fluctuations in energy from renewable energy sources compared to a slower evolution supported by the generator. Interactions within the resulting hybrid electrical system are managed by means of multi-level static converters (AC / DC, DC / DC and DC / AC). An electrical energy management approach based on the frequency distribution of disturbances induced at the coupling point by renewable sources. An experimental platform on a reduced scale (1/22) has been developed to experimentally validate theoretical approaches and simulations. The results of simulations obtained in the Matlab / Simulink / SimPowerSystems software environment and those from the experimental device produced and piloted by dSPACE-1104 prove the adequacy of the proposed control methods
Coupling large photovoltaic power plants to unstable public grids : case study of Burkina Faso power system
No full textLes travaux effectués dans cette thèse portent sur les problématiques de couplage de centrales photovoltaïques sur les réseaux de distribution haute tension africains. Ces réseaux sont pour la plupart caractérisés par leur instabilité, leur faible maillage et leur faible puissance installée. Une première partie traite des caractéristiques des centrales photovoltaïques connectées au réseau Haute Tension et leurs interactions avec ce dernier. Une deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation des systèmes électriques (réseaux électriques, systèmes photovoltaïques etc.). Une approche de modélisation du générateur photovoltaïque pour des centrales de grande puissance a été proposée. Un cluster PV de 500 kWc a été proposé et simulé et ses performances évaluées. Les dispositifs de commande utilisés dans le cluster proposé prennent en compte les contraintes techniques nécessaires au transfert optimal de puissance et de la qualité de la tension entre le générateur PV et le réseau électrique. En application, une centrale PV de 20 MWc a été modélisée et simulée. L’impact de sa connexion sur le réseau national du Burkina a été évalué sur le plan de la stabilité en tension tant en fonctionnement normal qu’en situation de dysfonctionnement. L’approche de la stratégie de raccordement des centrales PV et l’impact de la modularité de ces dernières ont été aussi analysés.The research work performed in this thesis focuses on the problems of coupling photovoltaic power plants to the African high-voltage distribution environments. African power systems are mostly characterized by a high degree of instability, low meshed and low power installed networks. The first part of this work deals with photovoltaic power plants connected to the high-voltage grid, its general behaviors and its interactions with the grid. The second part is devoted to the modeling of electrical power systems included photovoltaic systems. A modeling approach of a photovoltaic generator for large power plant was proposed. A photovoltaic cluster of 500 kWp system is proposed and simulated, and its performance evaluated. The design of the control systems used in the proposed cluster has taken into account the technical requirements needed for optimal power transfer and good quality of the voltage at the point of common coupling. Furthermore, a 20 MWp power plant connected to the national grid of Burkina Faso has been modeled and simulated, and their interactions have been evaluated in terms of voltage steady-state stability both in normal operation and in the dysfunction state. The approach to the strategy in terms of connecting PV power plants, and the impact of using modular photovoltaic power plants has also been analyzed
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