Intégration des supercondensateurs dans les systèmes
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Intégration des supercondensateurs dans les systèmes de génération d'énergie électrique B. Davat, F. Meibody-Tabar, S. Raël, S. Pierfederici, J.-P. Martin, B. Nahidmobarakeh, M. Hinaje GREEN - Nancy Université - CNRS (UMR 7037) ! L'équipe "Sources hybrides" en bref • Modélisation des composants de génération ou de stockage Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – supercondensateurs à couche double électrique – pile à combustible PEM – accumulateur lithium-ion • Contrôle des sources hybrides continues – régulateurs non-linéaires robustes à grande bande passante (synthèse, modélisation) – stabilité des bus distribués continus (spécifications d'impédances, stratégies de contrôle global) – contrôle des flux d'énergie sans commutations d'algorithmes • Structures de conversion spécifiques – conversion statique basse tension – filtrage actif des ondulations HF et BF de courant (brevet) • Vieillissement et diagnostic – harmoniques de courant et vieillissement – identification en ligne L'équipe "Sources hybrides" en bref • Effectifs Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – 2 professeurs – 5 maîtres de conférences – 8 doctorants • Thèses et HDR – 7 thèses – 2 habilitations à diriger des recherches • Bibliographie – ouvrages scientifiques (ou chapitres) : 1 – revues internationales : 19 – brevets : 3 – congrès internationaux à comité de lecture : 37 – congrès nationaux à comité de lecture : 11 – rapports de contrats : 14 L'équipe "Sources hybrides" en bref • Projets Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – SPACT (labellisé réseau technologique Pile à Combustible) – CPER 2000-2006 – EPACOP (labellisé réseau technologique Pile à Combustible) – SPACT80 (labellisé réseau PaCo) – PACBI (ANR) – LIFEMIT (PREDIT, labellisé pôle MTA) – CPER 2007-2013 • Partenariat institutionnel – Fédération Jacques Villermaux, Région Lorraine, FCLab – INRETS, CEA, DGA – KMUTNB (Thaïlande) • Partenariat industriel – ALPHEA, SADEL – GDF, Saft, SAFRAN, SNCF, Helion, FRANCE TELECOM Modélisation des supercondensateurs 0.35 Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI variation de tension (V) 0.3 V0 = 0,0 V V0 = 0,5 V V0 = 1,0 V 0.25 0.2 0.15 V0 = 1,5 V V0 = 2,0 V 0.1 0.05 V0 : état de charge initial 0 -1 0 1 2 3 4 5 temps (s) 6 7 8 9 Réponse d'un composant 2700 F à un créneau de courant (100 A, 5 s) ☞ capacité non linéaire ☞ effet de ligne dans les "temps courts" ☞ phénomène de redistribution dans les "temps longs" Modélisation des supercondensateurs R2 R1 Rn ligne de transmission à capacité non linéaire Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI C2 Cn résistance totale : R capacité totale : C 2 2.5 expérience simulation 1.5 tension (V) tension (V) 2 expérience simulation 1.5 1 0.5 0.5 0 1 0 200 400 600 temps (s) Charge à 10 A 800 1000 0 0 20 40 60 temps (s) 80 100 Décharge à 100 A Belhachemi (F.), Raël (S.), Davat (B.), “A physical based model of power electric double-Layer supercapacitors”, IEEE-IAS 2000. Equilibrage en tension (brevet Saft / GREEN 2002) ☞ 6 fonctions de dérivation ☞ 2 signaux logiques de gestion de fin de charge ☞ 2 signaux logiques de gestion de sécurité Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI Hybridation supercapacitive : principes et objectifs Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI ☞ Associer deux technologies de générateurs différentes – source principale : technologie à forte énergie spécifique puissance moyenne de l'application – tampon auxiliaire : technologie à forte puissance spécifique puissance crête de l'application, gestion des transitoires ☞ Réduire la masse et l'encombrement, augmenter le rendement – dimensionnements moyen et crête dissociés – fonctionnement de la source principale à son nominal – récupération ☞ Accroître la dynamique de la source principale Exemple de l'association PAC / SCAP Problématique CONTRÔLE Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI PAC convertisseur élévateur Régulations iFC iSC vBUS vSC Contraintes iSCMAX vSCMIN vSCMAX iFCMAX (diFC/dt)MAX SCAP convertisseur "2Q" Exemple de l'association PAC / SCAP Limitation de la pile en di/dt flux de gaz adaptés à 50 A Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI flux de gaz adaptés à IFC tension pile (2,5 V/div) tension pile (2,5 V/div) courant pile (10 A/div) courant pile (10 A/div) temps (200 ms/div) temps (200 ms/div) Réponse d'un système pile à un échelon de courant (5 A 40 A) ☞ alimentation en air transitoirement insuffisante durée de vie du stack altérée nécessité de limiter les variations du courant moyen de pile Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle standard par machine d'états Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI ☞ Etats du système – Régime normal : 0 < PCH < PFCMAX régulation de VBUS par la source principale charge de l'organe de stockage – Régime de pointe : PCH > PFCMAX régulation de VBUS par l'organe de stockage (décharge) PFC = PFCMAX – Régime de récupération : PCH < 0 régulation de VBUS par l'organe de stockage (charge) PFC = 0 ☞ Transitions entre états – commandées par la valeur de PCH – électronique de puissance bruit de découpage risque de "chattering" (transitions intempestives) Exemple de l'association PAC / SCAP Solutions anti-chattering Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI ☞ Filtrage – altération de la dynamique de système – efficacité partielle ☞ Transitions hystérétiques – réglage des largeurs de bande – risque d'états aberrants ☞ Transitions continues (gérées par une fonction) ☞ Transitions naturelles (non commandées) – pas de machine d'états pas de commutation d'algorithme de contrôle pas de chattering Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : principes ☞ Principe 1 : Utiliser les SC comme source d'énergie pour réguler VBUS Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI VBUSREF conversion VBUS => EBUS + _ VBUS filtrage PSCREF correcteur PI conversion VBUS => EBUS VSCMIN VSCMAX fonction de limitation VSC filtrage PSCREF ISCREF régulation courant SCAP Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : principes ☞ Principe 2 : Utiliser la pile comme simple charge régénératrice Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI VSCREF + _ VSC correcteur P limitation d'amplitude filtrage régulation courant PAC IFCREF limitation de pente Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : réalisation ☞ Système pile à combustible PEM du GREEN Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – alimentation en gaz : H2 - air – nombre de cellules : 23 – puissance nominale : 500 W (électrique) – courant nominal : 40 A Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : réalisation ☞ Organe de stockage supercapacitif Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – dispositif élémentaire : SC3500 (Saft) – nombre d'éléments : 12 (en série) – tension nominale : 30 V – courant nominal : 400 A Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : réalisation ☞ Charge Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI – convertisseur "2Q" contrôlé en courant – MCC (50 V , 188 A , 7500 W) régulée en vitesse – génératrice continue débitant dans une résistance ☞ Paramètres de contrôle – référence de tension de bus – courant maximum de pile – limitation de pente de IFC – tension supercapacitive maximum – tension supercapacitive minimum – tension supercapacitive de référence : VBUSREF = 42 V : IFCMAX = 40 A : |dIFC/dt|MAX = 4 A.s-1 : VSCMAX = 30 V : VSCMIN = 15 V : VSCREF = 25 V Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : validation Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI 0 10 20 30 temps (s) 40 50 0 10 20 30 temps (s) 40 Démarrage du moteur à 600 tr/min ☞ transitoire de puissance géré par les supercondensateurs ☞ croissance lente du courant de pile ☞ tension de bus régulée à 42 V pas de régime appauvri en air 50 Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : validation Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI 0 10 20 30 temps (s) 40 50 0 10 20 30 temps (s) Arrêt du moteur ☞ récupération de l'énergie de freinage (courant SCAP négatif) ☞ charge des supercondensateurs à 25 V ☞ tension de bus régulée à 42 V 40 50 Exemple de l'association PAC / SCAP Contrôle sans commutation d'algorithme : validation Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI Créneau de charge ☞ puissance absorbée : 1,5 kW (3 fois la puissance nominale de la pile) ☞ courant de pile limité à 40 A ☞ charge des supercondensateurs après le créneau ☞ tension de bus régulée à 42 V Thounthong (P.), Raël (S.), Davat (B.), “Utilizing fuel cell and supercapacitors for automotive hybrid electrical system”, IEEE-APEC 2005. Vers une généralisation de la démarche : PACBI Modélisation des convertisseurs utilisés dans une source hybride d’énergie Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI Grandeur de commande pour chaque convertisseur : la puissance injectée P ou Ps suivant la nature du convertisseur Grandeur de sortie pour chaque convertisseur : l’énergie électrostatique ou l’énergie totale stockée dans le convertisseur Le système formé par l’association de tous ces convertisseurs pour réaliser une source hybride d’énergie peut (sous certaines conditions) être considéré comme un système plat Vers une généralisation de la démarche : PACBI ! Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI "#$ Vers une généralisation de la démarche : PACBI % Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI ! -! - & ! ' ! ! & ! . !/ ! 1) *) +) () *) +) , , 0 ! ' ! ' ! ! *) ( +) , Vers une généralisation de la démarche : PACBI Photos du banc de test avant et après intégration dans la borne Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI Vers une généralisation de la démarche : PACBI Comportement des convertisseurs de charge lors du démarrage Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI ! 23 ! 1*3 ! *,3 Vers une généralisation de la démarche : PACBI Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI Comportement de la PAC lors du démarrage des convertisseurs de charge Vers une généralisation de la démarche : PACBI 4 ! ! ! ! ! 5 *26 8! ! ! 7. ! Equipe "Sources hybrides" Modélisation Equilibrage Hybridation PACBI # ! ! %$ " # ! ! " $" # # & Gestion des différents mode de fonctionnement sans commutation d’algorithmes A. Payman, S. Pierfederici, D. Arab-Khaburi, F. Meibody-Tabar, Flatness Based Control of a Hybrid System Using a Supercapacitor as an Energy-Storage Device and a Fuel Cell as the Main Power Source, IEEE IECON, Paris, France, 7-10 nov.2006.
