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PRÉSENTATION
Systèmes Hybrides de Génération :Application aux Energies Renouvelables
Benoît BIDOGGIA
“L.M.P.” Laboratoire de Microélectronique de Puissance – Tours“P.E.L.” Power Electronics Laboratory – Padova
1Introduction
Systèmes HybridesIntroduction
PRÉSENTATION
Benoît BIDOGGIA, doctorant
Laboratoire de Microélectronique de PuissanceUniversité François Rabelais, Tours
Laurent VENTURAThierry LEQUEU
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI)Università degli Studi di Padova, Padova, Italie
Simone BUSOGiorgio SPIAZZI
3/35
Systèmes HybridesIntroduction
GÉNÉRATION DISTRIBUÉE ET ISOLÉE
Génération de moyenne puissanceMoyenne (et petite) puissance (1 – 20 kW)Croissante dans le panorama électrique mondial
pays dévéloppéspays en voie de développement
Génération distribuéeGénération connectée au réseau
Génération isoléeGénération pas connectée au réseau
4/35
Systèmes HybridesIntroduction
STRUCTURE DES SYSTÈMES DE GÉNÉRATION
Source(s)PVÉolien…
Charge(s)Charge(s) en ACCharge(s) en DC…
Élément(s) de stockageBatteriesHydrogèneRéseau…
5/35
Systèmes HybridesIntroduction
SYSTÈMES HYBRIDES
DéfinitionSystèmes caractérisés par
Plusieurs sources différentesPlusieurs charges différentesPlusieurs éléments de stockagePlusieurs formes d’énergie (électrique, thermique)
➥ Systèmes très variés
DiffusionCompensation du caractère aléatoire des sources renouvelabesRendement énergétique global plus élevé
6/35
Systèmes HybridesIntroduction
MODÈLE DE BASE D’UNE INSTALLATION HYBRIDE
CouplageConvertisseurs statiques électriques
VariétéImpossibilité de concevoir un seul convertisseur universelModularité
Modèle de baseTrouver le plus petit ensemble de convertisseurs nécessairesInterconnexion des différents éléments
7/35
Systèmes HybridesIntroduction
BATTERY SUPERCAP
GGG
GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR
LOAD DUMP
FUEL CELL
2H2 + O2
H2
GRIDELECTROLYZER
SO
UR
CE
LO
AD
ST
OR
AG
E
ELECTRIC DC BUS
THERMAL BUS
Figure 1.1. Bus pour le transfert de l’énergie électrique et thermique
8/35
Systèmes HybridesIntroduction
BATTERY SUPERCAP
GGG
GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR
LOAD DUMP
FUEL CELL
2H2 + O2
H2
GRIDELECTROLYZER
SO
UR
CE
LO
AD
ST
OR
AG
E
THERMAL BUS
ELECTRIC DC BUS
Figure 1.2. Sources d’énergie
9/35
Systèmes HybridesIntroduction
BATTERY SUPERCAP
GGG
GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR
LOAD DUMP
FUEL CELL
2H2 + O2
H2
GRIDELECTROLYZER
SO
UR
CE
LO
AD
ST
OR
AG
E
ELECTRIC DC BUS
THERMAL BUS
Figure 1.3. Charges
10/35
Systèmes HybridesIntroduction
GGG
GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR
LOAD DUMP
SO
UR
CE
LO
AD
ST
OR
AG
E
FUEL CELL
2H2 + O2
ELECTROLYZER SUPERCAPBATTERYGRID
H2
ELECTRIC DC BUS
THERMAL BUS
Figure 1.4. Éléments de stockage
11/35
Systèmes HybridesIntroduction
PARTICULARITÉ
Stockage d’énergie électrique par hydrogènePile à combustibleElectrolyseurRécipients
Hydrogène sous pressionHydrures…
Intéressant pour stockage longue durée
12/35
Systèmes Hybrides
BATTERY
THERMAL BUS
SUPERCAP
GGG
GENERATORHYDRAULICGRIDWINDSOLAR
LOAD DUMP
FUEL CELL
2H2 + O2
H2
GRIDELECTROLYZER
SO
UR
CE
LO
AD
ST
OR
AG
E
ELECTRIC DC BUS
Figure 1.5. Stockage par hydrogène
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2Exemples de Topologies de Systèmes Hybrides
Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE, INSTALLATION ISOLÉE
Fréquemment rencontréePays développés : alternative au réseauPays en voie de développement : électrification rurale
F. Valenciaga, P.F. Puleston« Supervisor Control for a Stand-Alone Hybrid GenerationSystem Using Wind and Photovoltaic Energy »IEEE Transactions on Energy Conversion, June 2005
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.1. Solaire-éolien, stockage à batteries, installation isolée
16/35
Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE, RÉSEAU
StockageParticularité : réseau et batteries
justifiée uniquement pour renforcement d’un réseau faible
CaractéristiquesÉolienne : 1,5 kW ; PV : 2,5 kWBatteries : 44 kWh ; onduleur : 4 kWBus : 24 VDC
F. Giraud, Z.M. Salameh« Steady-State Performance of a Grid-Connected Rooftop HybridWind-Photovoltaic Power System with Battery Storage »IEEE Transactions on Energy Conversion, March 2001
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.2. Solaire-éolien, batteries de stockage, réseau
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
UPS PHOTOVOLTAÏQUE
CaractéristiqueBanc de batteries réduitIntérêt économique par rapport à UPS traditionnel
CaractéristiquesPanneaux PV : 3,7 kWOnduleur : 8 kVA
D. Menniti, A. Pinnarelli, N. Sorrentino« Gruppi di continuità integrati con sistemi fotovoltaici »Rivista ufficiale dell’AEIT, Ottobre 2005
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.3. UPS photovoltaïque
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
SOLAIRE-ÉOLIEN, BATTERIES DE STOCKAGE ET HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE
StockageBatteries : courte duréeHydrogène : longue durée
CaractéristiquesÉolienne : 10 kW ; panneaux PV : 1 kWElectrolyseur et FC : 5 kWBatteries : 42 kWh
K. Agbossou, M. Kolhe, J. Hamelin, T.K. Bose« Performance of a Stand-Alone Renewable Energy SystemBased on Energy Storage as Hydrogen »IEEE Transactions on Energy Conversion, September 2004
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.4. Solaire-éolien, batteries de stockage et hydrogène, installation isolée
22/35
Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
SOLAIRE-ÉOLIEN, STOCKAGE À HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE
StockageUniquement par hydrogèneStabilité du système assurée par charge de dump et électrolyseur
CaractéristiquesÉolienne : 1 kW; Panneaux PV : 120 WElectrolyseur et FC : 3 kWBatteries : 1,35 kWh (pour comparaison)
D.B. Nelson, M.H. Nehrir, C. Wang« Unit Sizing and Cost Analysis of Stand-Alone HybridWind/PV/Fuel Cell Power Generation Systems »Renewable Energy, August 2005
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.5. Solaire-éolien, stockage à hydrogène, installation isolée
24/35
Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
ÉOLIEN, STOCKAGE À HYDROGÈNE ET PAR SUPERCONDENSATEURS, INSTALLATION ISOLÉE
StockageSupercondensateurs : très court termeHydrogène : long terme
ParticularitéCogénération
M.J. Khan, M.T. Iqbal« Dynamic Modeling and Simulation of a SmallWind-Fuel Cell Hybrid Energy System »Renewable Energy, 30, 2005
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
THERMAL BUS
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.6. Éolien, stockage à hydrogène et par supercondensateurs, installation isolée
26/35
Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
ÉOLIEN-DIESEL, STOCKAGE À HYDROGÈNE, INSTALLATION ISOLÉE
StockageHydrogène uniquement
ParticularitésBus électrique alternatifGroupe électrogène (systèmes avec une seule source)
T. Senjyu, T. Nakaji, K. Uezato, T. Funabashi« A Hybrid Power System Using Alternative EnergyFacilities in Isolated Island »IEEE Transactions on Energy Conversion, June 2005
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC AC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.7. Éolien-diesel, stockage à hydrogène, installation isolée
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
UPS PHOTOVOLTAÏQUE-DIESEL
CaractéristiquesDouble bus électrique : alternatif et continuZones à réseau de distribution faible (Inde)PV : 2,5 kWAvantage : diminuer pollution du diesel
C.V. Nayar, M. Ashari, W.W.L. Keertipala« A Grid-Interactive Photovoltaic Uninterruptible Power Supply SystemUsing Battery Storage and a Back-Up Diesel Generator »IEEE Transactions on Energy Conversion, September 2000
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
G G
H2
GRID
GRID
DUMP SUPERCAP
ELECTRIC AC BUS
LINK
ELECTRIC DC BUS
Figure 2.8. UPS photovoltaïque-diesel
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Systèmes HybridesExemples de Topologies de Systèmes Hybrides
SOLAIRE-ÉOLIEN-DIESEL, CONNECTÉ AU RÉSEAU
CaractéristiquesDouble mode de fonctionnement
connecté au réseauisolé
Cogénération
W.D. Kellogg, M.H. Nehrir, G. Venkataramanan, V. Gerez« Generation Unit Sizing and Cost Analysis for Stand-aloneWind, Photovoltaic, and Hybrid Wind/PV Systems »IEEE Transactions on Energy Conversion, March 1998
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Systèmes Hybrides
G 2H2 + O2
LOAD BATTERY
SOLAR FUEL CELL
ELECTROLYZER
WIND HYDRAULIC GENERATOR
THERMAL BUS
G G
H2
GRID
GRID
ELECTRIC DC BUS
DUMP SUPERCAP
Figure 2.9. Solaire-éolien-diesel, connecté au réseau
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3Conclusion
Systèmes HybridesConclusion
CONCLUSION
Analyse des divers systèmes présents en littératureSchéma (modèle) général de système hybrideTypes différents de convertisseurs nécessaires
AC/DC – DC/DCunidirectionnel – bidirectionneldifférents niveaux de tensions et courantssystèmes de contrôle différents
Développements actuels et futursRéalisation d’un convertisseur pour FCContrôles du convertisseur et de la FC intégrés
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Systèmes HybridesConclusion
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