Étude systémique pour l`alimentation hybride - Infoscience

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
acceptée sur proposition du jury:
Prof. J. A. Schiffmann, président du jury
Prof. A. Rufer, directeur de thèse
Prof. A. Bouscayrol, rapporteur
Prof. M. Paolone, rapporteur
Prof. J.-M. Vinassa, rapporteur
Étude systémique pour l'alimentation hybride – application
aux systèmes intermittents
THÈSE NO 5768 (2013)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE LE 12 JUILLET 2013
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ÉLECTRONIQUE INDUSTRIELLE
PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE
Suisse
2013
PAR
Simon DELALAY

RÉSUMÉ
Aujourd’hui, les choix directeurs dans le domaine de l’approvisionnement énergé-
tique reflètent une volonté de se reposer de plus en plus sur les énergies renouvelables.
Cependant, pour la génération électrique, un tel choix n’est pas sans conséquences sur
la gestion des ressources. Le remplacement de sources d’énergies contrôlables par de
sources à comportement stochastique soulève des questions quant à la continuité de
l’approvisionnement. Pour y répondre, une des solutions implique la mise en place de
systèmes de stockage de l’énergie.
A l’image de cet exemple, l’usage d’accumulateurs d’énergie est de plus en plus
courant, ne serait-ce que pour satisfaire nos besoins croissants de mobilité. L’usage de
ces éléments sous-entend aussi des transferts rapides d’énergie entre les sources, par
exemple lors de la recharge de ces derniers.
C’est dans cette thématique que souhaite s’ancrer ce travail, où l’on s’intéresse au
comportement des sources d’énergie à fonctionnement intermittent, souvent associées
aux systèmes de stockage de l’énergie. Ainsi, le développement se focalise dans un
premier temps sur l’échange d’énergie entre deux sources. Les outils nécessaires à la
caractérisation du transfert énergétique sont introduits et le rendement de ce dernier
est mis en évidence.
Pour résoudre les problèmes liés à l’alimentation classique d’une charge intermit-
tente, l’intérêt se porte ensuite sur l’usage de systèmes multi-sources — hybrides. Les
nombreux degrés de liberté proposés par ces derniers sont mis en évidence, et une
classification générique des systèmes hybrides est proposée. En guise d’exemple, le
dimensionnement d’un système hybride électrique est étudié. Lors de ce cas d’applica-
tion, l’accent est mis sur le transfert rapide d’énergie entre deux accumulateurs. Etant
donné la forte sollicitation des accumulateurs, le dimensionnement de ces derniers
s’avère être une étape clé.
Afin de généraliser la problématique de la charge rapide, la dernière partie de ce
travail se focalise sur l’alimentation de systèmes intermittents. Après avoir relevé plu-
sieurs solutions pour l’alimentation de ces derniers, deux systèmes à stockage intermé-
diaire sont retenus pour l’alimentation des systèmes fortement intermittents à basse
fréquence. Ces derniers sont modélisés, leur rendement évalué ; des considérations sur
le dimensionnement des étages de stockage sont formulées. La notion d’amplification
de puissance est introduite ; en effet, grâce à ce dispositif, l’alimentation d’une charge
intermittente à forte puissance peut être réalisée à partir d’une source d’énergie faible
puissance.
Finalement, à titre d’exemple, un système bi-étagé d’alimentation à stockage intermé-
diaire est mis en place afin de valider l’approche. A l’aide de ce dispositif, on souhaite
établir un transfert d’énergie entre une source et une charge a priori incompatibles.
mots-clé : stockage d’énergie, rendement énergétique, systèmes intermittents, sys-
tèmes hybrides, amplification de puissance, transfert rapide d’énergie, charge rapide.
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ABSTRACT
Nowadays most of the decisions in the field of energy supply lead to an increased
use of renewable energy resources. Such decisions imply several consequences for ins-
tance in electrical power generation. Indeed, replacing conventional energy sources by
more stochastic ones has many impacts on the energy ressources managment. Guaran-
teeing an uninterrupted power flow to the consumer tends to be harder due to sudden
changes of the power balance. A response can be found in adding several storage units
within the power grid.
As a matter of fact, energy storage systems have received a growing interest in the
last few years. Consequently, the use of energy storage systems involves and requires
fast energy transfers such as during the charge of a battery.
This latter issue is the key point of the present work whose focus will be set on
intermittent energy sources, which are thightly linked with the use of energy storage
devices. First of all, several tools will be developed in order to characterize the energy
transfer between two energy sources. These ones will highlight efficiency of powering
several kind of loads.
In order to solve the issues related to conventional power supplies, the focus will
be set on systems made of several types of energy sources — or hybrid systems. The
degrees of freedom of such solutions will be underlined and a classification of hybrid
systems will be proposed. In order to illustrate the use of hybrid power supplies, an
example will be studied and its sizing will be emphasized. Within that specific case, a
fast energy transfer will be investigated. Being given the high level of sollicitation of
energy storage units, this energy transfer turns out to be the key point of the develop-
ment.
In order to generalize the comments on the fast energy transfer, the scope will be
set on the power supply of intermittent loads. Several solutions for the power supply
of such loads will be commented. A new approach with embedded storage will be
proposed for powering highly intermittent loads at low frequency. This system will be
investigated and modelled during the last part of this work.
An experimental validation of a two-stage power supply with embedded storage
will be set up. This latter will interface a low power source with a high power load.
Although this connexion seems to be impossible, the experimental set-up will demons-
trate that the two-stage power supply allows interfacing such systems. Finally, a power
amplification ratio will be introduced, which illustrates the capability of the system to
generate a much higher power than its power supply is able to provide.
keywords : energy storage, efficiency, intermittent loads, hybrid systems, power
amplification, fast energy transfer, fast charge.
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