Academic literature on the topic 'Système d’énergie hybride'

Une méthodologie d’optimisation et de dimensionnement des systèmes hybrides photovoltaïque/éolien avec batteries de stockage est présentée dans ce papier. Cette méthodologie est basée sur les concepts de la probabilité de perte d’énergie (DPSP) comme critère technique et du coût du kilowattheure minimal comme critère économique. La simulation est effectuée sur une période d’analyse d’une année, en utilisant les données horaires de l’irradiation solaire sur le plan horizontal, de la vitesse du vent et de la température ambiante enregistrées au sein du CDER, (Centre de Développement des Energies Renouvelables). Ces données nous ont permis de calculer la puissance horaire produite conjointement par l’aérogénérateur et le générateur photovoltaïque et ce, sur la même période d’analyse. Un profil de consommation journalier type a été adopté, il est supposé identique pour tous les jours de l’année et correspond au profil de consommation rencontré généralement dans les sites isolés.

L'étude de faisabilité et la conception optimale d'un système énergétique hybride pour fournir de l'énergie électrique à un site éloigné de M'Sila est examinée dans ce papier. Le but de ce document est de concevoir et de simuler un mini-réseau hybride PV/batterie optimal qui fonctionne d'une manière fiable, afin d'assurer une alimentation électrique ininterrompue. En raison de la nature intermittente des ressources renouvelables, un générateur diesel y est ajouté. Afin de réaliser l'étude de faisabilité du système hybride, la conception optimale du système est basée sur un modèle de simulation développé par le logiciel Homer®. Le logiciel est utilisé pour l'évaluation technique, économique et environnementale. Le concept de la probabilité de perte d’énergie (LPSP) est supposé nul (DPSP = 0 % signifie que la charge est toujours satisfaite), avec un coût net actuel total (TNPC) et un coût énergétique (LCOE) minimal. Dans ce contexte, un profil de charge pratique du site est utilisé avec des données météorologiques réelles. Les résultats de l'optimisation catégorisée montrent que, dans le cas d’une consommation de 9.8 kWh/jour, le système hybride PV/DG/Batterie peut être considéré économique dans le cas où le prix du diesel ne fluctue pas. Le système optimal est composé d'un module PV de 3 kW, d'un générateur diesel de 1 kW, d'un convertisseur de 2 kW et de 4 batteries modèle Hoppecke. D'après les résultats obtenues, la configuration est économique avec un coût en capital de 5.656 $, un coût d'exploitation annuel de 431 $/an, un coût net actuel de 11.159 $/an et un coût unitaire d'énergie de 0.244 $/kWh avec une fraction d'énergie renouvelable de 86 % et une réduction plus de 90.79% dans les émissions.

The purpose of this paper is to develop and validate mathematical models of different elements or subsystems of our hybrid power generation system. Each component is modeled as a modular block that can easily be electrically connected to other subsystems. We used the software Matlab®- Simulink R2012a for implementation of our different models. The equations used here are empirical-semi empirical equations and allowed us to model our different components to describe correctly phenomena involved. It was necessary to have data from manufacturer such as polarization curve, surface of an elementary cell, coefficient related to threshold operating parameters, auxiliary consumption parameters and gas stoichiometry. All these allowed us to build under Matlab®-Simulink, photovoltaic panels block, battery pack block, fuel cell block, electrolyzer block and all curves representing different powers produced or consumed and different gases produced or consumed.

En région outre-mer, le développement du réseau électrique est confronté à des contraintes majeures, notamment l’isolement géographique et une forte croissance démographique. Le déploiement de la Station de transfert d’énergie par pompage (STEP) en Martinique, présenté dans cet article, illustre comment ces contextes particuliers permettent la mise en œuvre économique et significative d’infrastructures énergétiques, même à petite échelle. Cette infrastructure hybride, combinant une technologie mature avec de nouveaux moyens innovants, contribuera dès 2024 à répondre aux nombreux défis de développement territorial en Martinique, tels que l’indépendance énergétique, la stabilité et décarbonation du réseau, ainsi que le développement de l’économie agricole locale et la sécurité incendie.

Onze nouvelles molécules organiques de structure donneurs-espaceur-accepteurs (D-π-A) utilisées pour les cellules solaires organiques (OSC) basées sur la thiénopyrazine et le thiophène ont été étudiées par la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) et la théorie de la densité fonctionnelle dépendante de temps DFT (TD-DFT), pour expliquer comment l’ordre de conjugaison influe sur les performances des cellules solaires. Le groupe accepteur d’électrons (ancrage) était composé de 2-cyanoacrylique pour tous les composés, tandis que l’unité donneuse d’électrons était variée et que son influence fut étudiée. Les résultats théoriques ont montré que les calculs TD-DFT, avec une fonction hybride d’échange – corrélation utilisant la méthode d’atténuation de Coulomb (CAM-B3LYP) en conjonction avec un modèle de solvatation à cycle continu polarisable (modèle de continuum polarisable, PCM) combinée avec la base 6-31G(d,p), était raisonnablement capable de prédire les énergies d’excitation, les spectres d’absorption et d’émission des molécules étudiées. Les niveaux d’énergie des orbitales moléculaires frontières (orbitale moléculaire occupée de plus haute énergie (HOMO) et orbitale moléculaire inoccupée de plus basse énergie (LUMO) de ces composés peuvent avoir un effet positif sur le processus d’injection et de régénération d’électrons. La tendance des lacunes calculées HOMO-LUMO se compare bien avec les données spectrales. En outre, les valeurs estimées de photovoltage en circuit ouvert (Voc) pour ces composés ont été présentées. L’étude des propriétés structurelles, électroniques et optiques de ces composés pourrait aider à concevoir des matériaux organiques photovoltaïques fonctionnels plus efficaces.

Cet article présente le développement d’un nouveau logiciel DimHybride dédié au dimensionnement des systèmes d’énergies hybrides éolien-photovoltaïque en sites isolés. La modélisation des différents constituants du système hybride à savoir, le générateur photovoltaïque (PV), le générateur éolien, ainsi que les batteries de stockage est élaborée, dans le but de prévoir la dynamique des flux énergétiques. Le dimensionnement du système hybride est basé sur une méthode d’optimisation connue sous le nom de LPSP (Loss of Power Supply Probability). Cette dernière utilise une approche technico-économique, selon la probabilité de non-satisfaction de la charge choisie. Afin de valider et démontrer les performances du logiciel DimHybride, qui est développé sous l’environnement Delphi, une analyse comparative est réalisée, en utilisant un scénario de dimensionnement implanté dans le logiciel HOMER.

Le capteur hybride photovoltaïque/thermique (PV/T) convertit l’énergie solaire en chaleur et en électricité. Les avantages de combiner un collecteur thermique et un module PV dans un seul capteur sont l’augmentation de l’efficacité totale de la conversion d’énergie solaire et l’uniformité architecturale dans le cas d’utilisation sur un toit. Les coûts seraient également réduits, comparés aux deux systèmes (photovoltaïque et thermique) séparément installés. Nous présenterons dans cet article, une étude de simulation numérique sur le comportement thermique des capteurs hybrides à travers l’élaboration de la cartographie thermique du capteur hybride photovoltaïque thermique. La combinaison d’un capteur thermique et d’un panneau photovoltaïque dans un seul capteur permet l’augmentation de l’efficacité de la conversion totale de l’énergie solaire. Un effet de synergie peut être obtenu dans une structure associant ces deux dispositifs de façon judicieuse à ceux du système photovoltaïque et thermique séparément installés. Les résultats obtenus permettent de dire que le panneau photovoltaïque est un générateur d’énergie calorifique qui peut être exploité pour chauffer de l’eau, ou pour préchauffer l’espace, ou bien encore l’associer avec une pompe à chaleur pour la climatisation.

Actuellement, le générateur diesel est la solution technique la plus utilisée pour l’électrification des sites isolés. Néanmoins, l’accès à ces sites étant généralement long et difficile, les coûts de maintenance et d’approvisionnement en carburant sont très élevés, ainsi les émissions de gaz à effet de serre qui présentent un grand risque sur l’environnement. En conséquence, nous avons envisagé de coupler – au sein d’un système hybride – un générateur diesel avec une source d’énergie renouvelable (éolien). Cette étude se concentre sur le développement d’un modèle de dimensionnement optimal basé sur une approche itérative pour optimiser le dimensionnement des divers composants du système hybride éolien/diesel/batteries et ce, pour assurer une autonomie totale du système. Le modèle global proposé prend en considération les modèles des différents sous-systèmes constituant le générateur hybride, le modèle de la fiabilité (LPSP) et les modèles du coût de cycle de vie (TNPC), ainsi que le modèle du coût de l’énergie (LUEC). Après l’application du modèle, toutes les configurations ayant une LPSP = 0 % sont retenues. Par la suite, la configuration optimale du système est déterminée sur la base du coût minimal.

L’objectif principal de ce papier est d’analyser les transferts d’énergie qui ont lieu au sein du système hybride photovoltaïque/groupe électrogène/batteries. Une simulation du comportement énergétique d’un tel système est développé et plusieurs paramètres sont analysés tels que: énergie perdue, consommation de carburant, part du photovoltaïque dans la production globale. L’analyse a montré que les différentes énergies sont plus dépendantes de la taille du champ PV que de la capacité de stockage des batteries et qu’une capacité de stockage supérieure à deux ou trois jours d’autonomie n’est pas nécessaire car une augmentation du stockage au-dessus de cette valeur n’a pas un impact suffisant sur les performances du système hybride. Enfin, une étude économique a été réalisée pour déterminer la configuration optimale du système hybride, c’est-à-dire celle qui conduit au plus faible coût de production.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de conception d’une stratégie de gestion de l’énergie dans un système hybride de génération d'énergie électrique composé d’une pile à combustible (PC) et un module de supercondensateurs (SC). La source hybride fournit une puissance maximale de 1,2 kW et sa conception implique des décisions concernant la sélection de l’architecture du système hybride ainsi que le choix de la topologie et le dimensionnement d’une unité de convertisseurs. La stratégie de gestion vise à satisfaire la demande d’énergie électrique de la charge et favoriser la consommation énergétique efficiente ; sa performance est évaluée en développant un simulateur qui comprend la dynamique des éléments mis en jeu : deux sources et l’unité de convertisseurs. Le générateur hybride est supposé alimenter un profil de consommation correspondant à un véhicule électrique, de ce fait un cycle standard de conduite en ville en échelle est demandé lors des simulations, ce qui permet d’évaluer la performance du générateur hybride et plus spécifiquement de la stratégie de gestion énergétique.Dans une première étape de cette thèse, un simulateur intégral a été construit avec des librairies de Simscape. Le simulateur est constitué des blocs de différents domaines, contenant des modèles fondamentaux des composants du système. Le block de pile à combustible modèle la dynamique d’un système BAHIA® (400 W - 1100 W, 0 A - 70 A nominale) et le block de supercondensateur modèle les cycles charge-décharge d’un module Maxwell de 400 F et 16 V. Un onduleur de tension pont complet avec convertisseur élévateur conditionne l’énergie délivrée par la pile à combustible et un convertisseur bidirectionnel (buck-boost) est connecté au module de supercondensateurs afin de conditionner les cycles de charge-décharge. L’unité des convertisseurs a été dimensionné, puis, un modèle moyen de petits signaux a été formulé afin de décrire la dynamique de ces dispositifs. Les différents composants ont été intégrés dans l’environnement Simulink. Dans une deuxième étape, la stratégie de gestion énergétique a été conçue en considérant les caractéristiques et performances des sources ; le résultat est une stratégie de trois niveaux hiérarchiques, dont l’aspect principal es la définition des lois de commande locales et globale. Dans une troisième étape, le système complet est évalué en termes du niveau d’utilisation des sources, du domaine d’opération de la pile à combustible, et de l’accomplissement des objectifs des commandes locales et global, qui engagent notamment le SOC des supercondensateurs et la régulation de la tension du générateur hybride
Energy generation from fossil fuels combustion is predicted to have severe future impacts in the world’s economy and ecology. Fuel cells and supercapacitors are an alternative power source, environmentally friendly.This dissertation presents a regulation architecture developed to coordinate a hybrid renewable source for typical solicitations of electric vehicles in a scaled operating range of 1 kW. The hybrid system is composed of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell module, a supercapacitors bank and their respective power conditioning units. In order to optimize the overall operation, the proposed strategy is organized into three hierarchical levels, and the power demand for each energy source is determined in real time with a basis on a frequency distribution and a cutoff frequency, defined in accordance with the dynamical capabilities of the sources.Even if numerous researches have been reported on the subject, few studies have taken into account the proper dynamics of each source in order to optimize the global performance of the hybrid power supply.The goal of this work is to implement a complete simulator integrating not only dynamical models of each energy source, but also dynamical models of the power conditioning units. The control strategy consists of nested loops, arranged in three functional levels of hierarchy. The central idea is to find the optimal set point for each energy source, according to their own physical properties. Contrary to the existing control strategies, this strategy dynamically calculates the appropriate power demand for each energy source. Due to the complexity of the system, cascade control loops are proposed, organized into blocks, according to the system functionality and dynamics.A functional simulation is obtained, where the system ensures the adequate supercapacitor state of charge and soft current demands to keep the fuel cell working in its safe operating region. Thus, lower fuel consumption and rapid response to load demands are guaranteed to improve efficiency.Results demonstrate that the control strategy allows the regulation of the DC bus voltage under UDDS and ECE-15 driving cycles as load profiles. The fuel cell works within its maximum efficiency region, without falling in the degradation zone. In addition, the supercapacitor state of charge remains within the recommended range

Le sujet de thèse aborde la quantification du flux de puissance parcourant les différents systèmes de conversion d'énergie statiques et dynamiques pour aboutir aux éléments de stockage de nature chimique / électrostatique / mécanique lors d'un freinage hybride récupératif brusque issu d’un véhicule électrique à traction avant. Le véhicule électrique est équipé de deux ensembles intégrés moteur-roues indépendants. Le côté commande des convertisseurs et des machines électriques sera aussi traité. La problématique concernera les cas de freinage régénératif brusque imposant des contraintes électriques et mécaniques élevées aux éléments de conversion d'énergie et de stockage. L'outil de simulation adopté est le logiciel Matlab/Simulink®. Un modèle assez fin du véhicule électrique utilisé sera développé afin de pouvoir simuler le comportement du véhicule conformément à la distribution des forces de freinage délivrée par le système de répartition et de quantification des forces de freinage. Une étude de la cinématique et de la dynamique du véhicule selon les différents états de route sera aussi examiné. Cette étude sera utilisée à posteriori dans la formulation des lois de distribution des forces de freinage. Les moteurs utilisés sont de type synchrones à aimants permanents intérieurs. L'objectif est d'assurer un couple électrique de freinage élevé à hautes vitesses de conduite du véhicule. A cette fin, la commande optimale de ces moteurs sera basée sur une nouvelle méthode de génération des courants de références assumant ainsi un couple régénératif élevé et donc une amélioration de l'énergie récupérée. Le système de stockage sera mixte et comportera une batterie Li-Ion et des cellules de supercondensateurs afin de réduire les contraintes sur la batterie et prolonger ainsi sa durée de vie. La structure de puissance de ce système sera analysée ainsi que le système de commande proposé du hacheur à 3 niveaux interfaçant l'ultracapacité avec le bus DC. Une résistance de freinage commandée par un régulateur pseudo-cascade sera aussi intégrée afin de réduire, si nécessaire, les contraintes sur la batterie. L'évaluation et la répartition des forces de freinage sur les quatre roues du véhicule en fonction de l'état de la route sont des éléments clés pour la stabilité du véhicule lors du freinage. La méthode de distribution et de quantification des forces de freinage proposée devra maintenir cette stabilité, répondre aux normes internationales et tirer profit de la présence des moteur-roues à l'avant du véhicule afin de maximiser l'énergie récupérée. Les travaux ont été étendus pour inclure une étude comparative avec un système de stockage contenant un élément de stockage à énergie cinétique comme source d'énergie secondaire pour un véhicule en opération de freinage et de traction. La thèse est le point de départ d'une collaboration de recherche entre l'IFSTTAR /Satie et le département de Génie Electrique du Cnam - Liban, centre associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris - France)
The thesis will address the quantification of power flow going through the different energy static and dynamic conversion systems to attain the chemical / electrostatic / mechanical storage elements during a hybrid regenerative brutal braking of a front-wheel driven electric vehicle. The electric vehicle is equipped by two integrated wheel-motors independent sets. The control of the converters and electrical machines is also treated. The problematic concerns the brutal regenerative braking case imposing high electrical and mechanical constraints on energy conversion and storage elements. The simulation tool adopted is Matlab/Simulink®. A detailed model of the used electric vehicle has been developed in order to be able to simulate the vehicle behavior with respect to the braking forces distribution delivered by the repartition and quantification of braking forces system. A study of the kinematics and dynamics of the vehicle according to different road types will be also considered. This study will be used retrospectively in the formulation of the braking forces distribution laws. The motors used are interior permanent magnet synchronous type. The objective is to ensure high electrical braking torque at high driving speeds of the vehicle. To this end, the optimal control of these motors will be based on a new current references generation method assuming then a high regenerative torque and therefore an improvement in the recovered energy. The hybrid storage system includes a Li-Ion battery and supercapacitors cells to reduce stress on the battery and to extend its life. The power structure of the system will be analyzed as well as the 3-level DC/DC converter interfacing the ultracapacitor with the DC bus proposed control system. A braking resistor controlled by a pseudo- cascaded controller will also be integrated to reduce, if necessary, the constraints on the battery. The evaluation and distribution of braking forces on the four wheels depending on road conditions are key elements for the stability of the vehicle during braking. The method of distribution and quantification of braking forces proposed should maintain this stability , meet international standards and take advantage of the presence of wheel motors in the front of the vehicle to maximize the energy recovered. The work has been extended to include a comparative study with a system containing a kinetic energy storage element as a secondary energy source for a braking and traction vehicle operation. The thesis is the starting point of a research collaboration between IFSTTAR / Satie and the Electrical Engineering Department of Cnam- Liban, associated center of the Conservatoire National des Arts et Métiers ( CNAM ), Paris, France

Le travail de cette thèse s’inscrit dans une thématique qui concerne le dimensionnement optimal et la gestion d’énergie résiliente aux défauts d’un système multi-sources (hybride) pour l’alimentation d’un véhicule électrique. Dans notre cas, le système de stockage est composé d’une pile à combustible comme source principale et une source secondaire à base d’une batterie Li-ion. L’étude réalisée sur le dimensionnement montre l’intérêt de l’hybridation par rapport à un système mono-source batterie seule ou bien pile à combustible seule. L’intérêt de cette hybridation en termes de masse, de volume et de coût devient de plus en plus important en augmentant l’autonomie du véhicule. Après avoir dimensionné la source hybride pour une autonomie de 700 km, on s’est intéressé à l’influence de la technologie de la batterie et les méthodes de gestion sur les performances de la source (le volume, la masse, le cout, les contraintes électriques appliquées sur les composants et la consommation d’hydrogène du système PàC/Batterie). La partie dimensionnement est suivie par le développement d’une stratégie de gestion d’énergie originale basée sur la prise en compte de l’état de charge de la batterie (SOC) pour adapter les limites de fonctionnement de la pile à combustible. Les résultats obtenus avec cette méthode sont comparés avec deux autres stratégies de gestion d’énergie en ligne à savoir, la méthode de découpage fréquentiel et l’utilisation d’un superviseur floue. La stratégie développée a donné des bons résultats expérimentaux en termes de contraintes vues par les cellules et de consommation d’hydrogène. Malgré un bon dimensionnement de la source embarquée et une bonne optimisation de la méthode de gestion d’énergie, le système n’est pas à l’abri du défaut et peut être le siège de plusieurs défauts qui peuvent apparaitre au niveau de capteurs de tension et de courant. Afin d’assurer la continuité de service du système hybride en présence de ces défauts, une stratégie de commande tolérante aux fautes a été développée afin de garantir la stabilité de système hybride PàC/Batterie et assurer des performances acceptables en mode dégradé
The work of this thesis is part of a theme that concerns the optimal sizing and energy management resilient to the faults of a multi-source system (hybrid) for the power supply of an electric vehicle. In our case, the storage system consists of a fuel cell as the main source and a secondary source based on a Li-ion battery. The study carried out on the sizing shows the interest of the hybridization compared to a mono-source single battery or fuel cell only system. The interest of this hybridization in terms of weight, volume and cost becomes more and more important by increasing the autonomy of the vehicle. After scaling the hybrid source for a 700 km drive range, we investigated the influence of battery technology and management methods on the performance of the source (volume, mass, cost, electrical stress applied to the components and the hydrogen consumption of the Fuel Cell / Battery system).The sizing part is followed by the development of an original energy management strategy based on the state of charge of the battery (SOC) to adapt the operating limits of the fuel cell. The results obtained with this method are compared with two other online energy management strategies namely, the frequency division method and the use of a fuzzy supervisor. The strategy developed gave good experimental results in terms of constraints seen by cells and hydrogen consumption. Despite a good sizing of the on-board source and a good optimization of the energy management method, the system is not immune from the fault and can be the seat of several faults that can appear at voltage sensors. and current. In order to ensure the service continuity of the hybrid system in the presence of these faults, a fault-tolerant control strategy has been developed in order to guarantee the stability of the hybrid Fuel Cell/ Battery system and to ensure acceptable performance in degraded mode

L’utilisation de paliers magnétiques est de plus en plus fréquente étant donné les avantages que cette technologie apporte. En effet, ces derniers permettent de léviter un objet rotatif grâce à un champ magnétique. Un roulement à billes peut être substitué par un palier magnétique. Cette substitution permet de réduire les entretiens, diminuer les pertes par friction et augmenter la durée de vie du système. Des applications nécessitant d’hautes vitesses de rotation et des pertes réduites constituent des situations exemplaires de l’utilisation de cette technologie. Un palier magnétique est une technologie avec de nombreux avantages et certains inconvénients. Par exemple, un palier magnétique hybride est un système naturellement instable et la force d’attraction magnétique est une équation fortement non-linéaire en fonction du courant et de l’entrefer. Ces caractéristiques démontrent qu’une loi de commande est nécessaire afin de stabiliser le palier magnétique. De plus, la loi de commande doit être précise et rapide. Les principales applications d’un palier magnétique incluent une rotation de l’objet en lévitation. Ceci nécessite une erreur en régime permanent nulle et une commande ajustable rapidement afin d’assurer une stabilité en tout temps. Ce mémoire traite de la validation expérimentale d’une loi de commande linéaire sur un palier magnétique sans rotation jumelant des aimants permanents et des électroaimants. Dans la littérature actuelle, la plupart des études portent sur les paliers magnétiques actifs, c’est-à-dire qui ne comportent que des électroaimants. L’ajout d’aimants permanents diminue la consommation énergétique du palier magnétique mais augmente la complexité de la loi de commande. Le présent mémoire démontre qu’il est possible de stabiliser un palier magnétique hybride homopolaire en utilisant une loi de commande linéaire tel le PID (proportionnel, intégral, dérivé). Cette étude apporte des nouvelles données à la littérature, en validant à l’aide d’un montage expérimental la loi de commande conçue et simulée à partir de MATLAB[indice supérieur MC].

Les travaux proposés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des systèmes embarqués au travers du développement de nouvelles chaines hybrides de conversion d’énergie ; celle-ci se fondant sur de nouvelles motorisations et combinaison de sources d’énergies complémentaires. Ces systèmes présentent de nombreux degrés de liberté, tant vis-à-vis des paramètres de ses constituants, que des réglages des lois de contrôle qui leurs sont associées. L’optimisation (technico-économique) pertinente de ces chaines de conversion complexes repose donc sur l’aptitude des méthodes de recherche d’intégrer simultanément les paramètres macroscopiques des composants ainsi que leurs contraintes technologiques, les conditions aléatoires imposées par l’environnement sur un cycle de fonctionnement et enfin les algorithmes de contrôle de bas niveau comme la gestion énergétique globale. Les performances de ces systèmes reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes multi-physiques liées à leur environnement réel, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes permettant d’intégrer et d’associer efficacement leurs constituants. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visent à développer des outils et des méthodes permettant l’optimisation des architectures de puissance et de leurs constituants, en intégrant dès la première phase de conception les notions de contrôle-commande et de gestion énergétique. Ils se déploieront sur l'étude d’une chaîne de conversion hybride électrifiée fondée sur une l’association pile à combustible / batterie.Pour ce faire, une approche globale de conception est proposée, utilisant une stratégie bi-niveau qui considère le problème de la gestion d’énergie directement à l'intérieur du problème de dimensionnement et intègre d’une manière progressive au même niveau plusieurs critères de performance: consommation d’énergie, fiabilité et encombrement. L’approche en question adopte alors deux boucles d'optimisation imbriquées: la boucle externe, basée sur les performances de la PSO (Particle Swarm Optimization), s’occupe du dimensionnement, tandis que la boucle interne agit sur la gestion d’énergie, utilisant la rapidité de la commande optimale. Cela offre un champ d’exploration plus vaste qu’une approche conventionnelle et permet d’atteindre les meilleures performances d’optimisation des sources d’énergie embarquées (minimiser la consommation, respecter les contraintes de fonctionnement de chaque constituant ainsi que les durées de vie cibles, satisfaire les exigences de la charge) avec une convergence rapide ainsi que de bonnes robustesse et précision. Outre ce couplage fort entre dimensionnement et gestion d’énergie, il s’agit de prendre en compte le caractère incertain de l’utilisation en proposant une optimisation robuste du dimensionnement final. Cela nécessite une stratégie de gestion énergétique en temps réel. Ainsi, une extension de l’approche de conception est proposée pour le fonctionnement temps réel utilisant une interaction entre reconnaissance du mode de conduite et contrainte énergétique basée sur l’apprentissage, permettant ainsi de garantir une meilleure intégration de l’approche développée
The research work proposed in this thesis falls within the context of embedded systems electrification with the development of a new hybrid power conversion chain, with new energy sources and powertrains. These systems offer many degrees of freedom regarding both the devices parameters and the tuning values of the associated control laws. The relevant (technico-economic) optimization of these complex power chains relies on the ability of the best-set algorithm to combine simultaneously the main parameters and the technological constraints of each component, the uncertain environmental conditions faced during areal use and finally the control algorithms as well as the global energy management. Their performances are based on the capacity of the design approaches to consider the real environment multiphysic constraints, the adequacy of the technologies, the topologies and the control laws, allowing to integrate and to associate effectively their constituents. In this context, this research work aims at developing tools and methods allowing the optimization of the power architectures and their components (hybrid energy conversion) by integrating in the design process the control-command and the energy management aspects. They consider a use case based on hybrid Fuel cell / Battery power system.For this purpose, a new nested methodology for complex system is been suggested. It enables to tackle large search spaces and considers different performance indexes (energy saving, reliability and volume). It simultaneously tunes and designs the energy management and component sizing by optimizing the main powertrain parameters while respecting the specifications. Technically, it uses two nested loops, combining the particle swarm optimization (PSO) technique’s performance and the rapid optimal control algorithm. This strategy addresses vast search spaces, achieves faster convergence to the global optimal integer design solution, and provides a good accuracy and robustness. In order to consider the randomness feature of real driving cycle (stochastic characteristic), a real time energy management strategy (EMS) was introduced based on an extension of the design approach, which increases its availability. By using machine-learning technique, an estimation of the current driving mode is developed and permits to guide the online energy management system

Ces travaux de thèse, financés par la Région Haute Normandie à travers l'Université du Havre et le laboratoire GREAH, rentrent dans le cadre des activités de recherches développées au laboratoire GREAH depuis plusieurs décennies en matière d'intégration des sources d'énergies renouvelables dans les systèmes de production électrique et de stockage d'énergie. Le système hybride étudié est constitué d'une éolienne, d'un générateur diesel, de panneaux photovoltaïques, d'un banc de supercondensateurs et d'un banc de batteries acide-plomb le tout alimentant un site insulaire donné (consommateurs). L'éolienne et les panneaux photovoltaïques sont régulés à leur puissance maximale afin d'augmenter la part des énergies renouvelables. Les fluctuations de l'énergie éolienne sont reparties entre les supercondensateurs et les batteries selon la dynamique de chaque source. La présence des supercondensateurs réduit le nombre des cycles de charges et de décharges de la batterie, améliorant ainsi sa durée de vie tout en réduisant sa taille. En effet, les batteries constituent le maillon faible du système hybride. Pour cela, nous proposons une méthode d'estimation de sa durée de vie. Le générateur diesel est interfacé par des convertisseurs d'électronique de puissance afin de réguler la tension du bus continu tout en compensant le déficit d'énergie. Les fluctuations induites par le courant éolien étant absorbées par les sources de stockage, le générateur diesel compense uniquement les puissances de basses fréquences compatibles avec sa dynamique. Ceci améliore les performances du moteur diesel, réduit la consommation en fuel et les coûts de maintenance tout en augmentant sa durée de vie. Les lois de contrôle des convertisseurs et de gestion du transfert de l'énergie sont élaborées à partir d'une étude des caractéristiques technologiques des différents constituants du système. Une modélisation et un dimensionnement du système physique nous permet de mieux organiser la mise en œuvre expérimentale et la réalisation des convertisseurs d'électronique de puissance avec leurs dispositifs d'acquisition et de commande. Au cours des expérimentations, les différentes sources sont insérées dans le système de manière évolutive afin de mettre en évidence les contraintes et les interactions introduites par chaque source interconnectée. Ceci nous permet aussi de développer les solutions adaptées à chaque situation afin de continuer les expérimentations de manière efficiente. En effet, l'insertion d'une nouvelle source perturbe généralement la stabilité du système et nécessite souvent un réajustement des paramètres des régulateurs du système global. Les analyses des résultats expérimentaux mettent en évidence l'efficacité de la stratégie proposée pour la gestion de l'énergie et le contrôle des convertisseurs
This work is funded by the "Region Haute Normandie", the University of Le Havre and the GREAH laboratory, within the scope of research activities developed in the decades by GREAH laboratory on integration of renewable energy sources in systems of power generation and energy storage. The hybrid system considered consists of a wind generator, a diesel generator, photovoltaic panels, ultracapacitors and lead acid batteries for supplying the autonomous site (consumers). The wind power generator and photovoltaic panels are regulated at their maximum power to increase the penetration ratio of the renewable energy. The wind power fluctuations are dispatched between ultracapacitors and batteries according to the dynamics of each source. The using of ultracapacitors reduces the number of the battery cycles of charges and discharges, thereby improving its life and reduces its size. Because of the battery is the weak link of the system, we introduce a method to estimate its lifetime. The diesel generator is interfaced with the power electronics in aims to regulate the DC-bus voltage while compensating the difference between the load demand and the average value of the wind power. Fluctuations induced by the wind power generator are being absorbed by the storage devices. The diesel generator compensates only low frequencies energy compatible with its dynamics. This method can improve the performance of the diesel engine and can reduce the fuel consumption. The control laws of power converters and the energy transfer management methods are developed from a study of the technological characteristics of different components of the system. The modelling and sizing of the physical system is conducted in aim to perform the experimental implementation. The power electronic converters and the acquiring system (and measuring) are realised in the laboratory. During the experiments, different sources are inserted into the system in an evolutionary way to highlight the constraints and interactions introduced by each interconnected source. This also allows us to develop solutions tailored to each situation and to continue the experiments efficiently. Indeed, the insertion of a new source generally disrupts the stability of the system and often requires a readjustment of the parameters of the overall system regulation. Analyses of experimental results show the effectiveness of the strategy proposed for the energy management and the control of power converters

Résumé : Depuis la fin du XXème siècle, l’augmentation du prix du pétrole brut et les problématiques environnementales poussent l’industrie automobile à développer des technologies plus économes en carburant et générant moins d’émissions de gaz à effet de serre. Parmi ces technologies, les véhicules électriques hybrides constituent une solution viable et performante. En alliant un moteur électrique et un moteur à combustion, ces véhicules possèdent un fort potentiel de réduction de la consommation de carburant sans sacrifier son autonomie. La présence de deux moteurs et de deux sources d’énergie requiert un contrôleur, appelé système de gestion d’énergie, responsable de la commande simultanée des deux moteurs. Les performances du véhicule en matière de consommation dépendent en partie de la conception de ce contrôleur. Les véhicules électriques hybrides rechargeables, plus récents que leur équivalent non rechargeable, se distinguent par l’ajout d’un chargeur interne permettant la recharge de la batterie pendant l’arrêt du véhicule et par conséquent la décharge de celle-ci au cours d’un trajet. Cette particularité ajoute un degré de complexité pour ce qui est de la conception du système de gestion d’énergie. Dans cette thèse, nous proposons un modèle complet du véhicule dédié à la conception du contrôleur. Nous étudions ensuite la dépendance de la commande optimale des deux moteurs par rapport au profil de vitesse suivi au cours d’un trajet ainsi qu’à la quantité d’énergie électrique disponible au début d’un trajet. Cela nous amène à proposer une technique d’auto-apprentissage visant l’amélioration de la stratégie de gestion d’énergie en exploitant un certain nombre de données enregistrées sur les trajets antérieurs. La technique proposée permet l’adaptation de la stratégie de contrôle vis-à-vis du trajet en cours en se basant sur une pseudo-prédiction de la totalité du profil de vitesse. Nous évaluerons les performances de la technique proposée en matière de consommation de carburant en la comparant avec une stratégie optimale bénéficiant de la connaissance exacte du profil de vitesse ainsi qu’avec une stratégie de base utilisée couramment dans l’industrie. // Abstract : Since the end of the XXth century, the increase in crude oil price and the environmental concerns lead the automotive industry to develop technologies that can improve fuel savings and decrease greenhouse gases emissions. Among these technologies, the hybrid electric vehicles stand as a reliable and efficient solution. By combining an electrical motor and an internal combustion engine, these vehicles can bring a noticeable improvement in terms of fuel consumption without sacrificing the vehicle autonomy. The two motors and the two energy storage systems require a control unit, called energy management system, which is responsible for the command decision of both motors. The vehicle performances in terms of fuel consumption greatly depend on this control unit. The plug-in hybrid electric vehicles are a more recent technology compared to their non plug-in counterparts. They have an extra internal battery charger that allows the battery to be charged during OFF state, implying a possible discharge during a trip. This particularity adds complexity when it comes to the design of the energy management system. In this thesis, a complete vehicle model is proposed and used for the design of the controller. A study is then carried out to show the dependence between the optimal control of the motors and the speed profile followed during a trip as well as the available electrical energy at the beginning of a trip. According to this study, a self-learning optimization technique that aims at improving the energy management strategy by exploiting some driving data recorded on previous trips is proposed. The technique allows the adaptation of the control strategy to the current trip based on a pseudo-prediction of the total speed profile. Fuel consumption performances for the proposed technique will be evaluated by comparing it with an optimal control strategy that benefits from the exact a priori knowledge of the speed profile as well as a basic strategy commonly used in industry.

Le travail présenté est axé sur l’étude de l’architecture d’un système électrique hybride (SEH) constitué de différentes sources. Dans un premier temps, nous avons étudié une configuration constituée de sources, photovoltaïque, éolienne, pile à combustible de type PEM et de systèmes de stockage, batteries, électrolyseur et réservoir d’hydrogène. Puis dans un second temps, nous avons conservé de la configuration présentée uniquement le stockage par hydrogène afin d’assurer l’autonomie électrique d’une zone rurale aux Comores. Le couplage de ces différentes sources a pour but d’améliorer les performances, la disponibilité du réseau électrique résultant, la fourniture d’électricité sur des périodes beaucoup plus longues et surtout la satisfaction des besoins en utilisant chaque source de façon raisonnée. Nous avons d’abord effectué une étude détaillée des principaux composants de notre système. Ensuite, nous avons établi les modèles mathématiques qui décrivent le comportement des différentes parties de notre système d’énergie hybride, modèles utiles pour la modélisation de l’ensemble. Les systèmes PV et éolien sont contrôlés par l’application d’une commande MPPT pour maximiser la puissance délivrée. Dans la première configuration, le processus de charge/décharge de la batterie contribue à la stabilisation de la tension du bus continu. La pile à combustible est utilisée pour rendre le système plus durable. Elle contribue également à la stabilisation de la tension du bus continu, en cas de trop forte décharge des batteries. Nous montrons ensuite que l’utilisation d’un filtre d’harmonique constitue une technique efficace pour réduire le taux de distorsion harmonique. Ce qui montre que le système proposé est bien compensé aux niveaux des harmoniques et du réactif quel que soit le mode de fonctionnement, normal ou déséquilibré. Les résultats de simulation présentés ont illustré le fonctionnement des différents composants du SEH en régimes transitoires et permanents. La solution proposée, analysée avec le logiciel HOMER, permet d’envisager une solution aux problèmes d’alimentation d’une zone rurale située aux Comores ou dans des endroits soufrant de surcharge ou même d’affaiblissement de la tension en ayant uniquement recours au stockage de dihydrogène
The presented work focuses on the study of the architecture of a hybrid electric system (HES) made of different sources. First, we studied a configuration consisting of photovoltaic, wind, PEM fuel cell as sources and batteries, electrolyser and hydrogen tank as storage elements. Then in a second phase, only hydrogen storage is considered to ensure the electrical autonomy of a rural area in Comoros. The coupling of these different sources aims to improve the performance, the availability of the resulting electrical network, the supply of electricity over much longer periods and, above all, the satisfaction of the uses by operating each source in a reasoned way. First, we have analysed the main components of our system. Then, we established the mathematical models that describe the behaviour of the different parts of our hybrid energy system which is here the formalism used for the modelling. The modelling and simulation of the PV and wind systems use a MPPT control to maximize the delivered power. In the first configuration, the battery charge/discharge process is controlled to stabilize the DC bus voltage. The fuel cell makes the system more durable. It also helps to stabilize the DC bus voltage, in case of too much battery discharge. Thus, the use of a harmonic filter reduces the rate of harmonic distortion. Harmonics are compensated as well than the reactive current component in normal or unbalanced operating conditions. The presented simulation results have illustrated the behaviour of the different components of the HES in transient and steady states. Finally, the proposed system, analysed with the help of HOMER, would be able to provide a solution to the demand of a rural area in the Comoros or in any place suffering of a weak grid by using only hydrogen storage

L’objectif est de développer un algorithme de gestion énergétique d’un parc de production comprenant de la production distribuée sous forme de micro turbines à gaz et de générateurs PV pilotables dits «actifs » en vue de minimiser le coût économique et environnemental. Les principes généraux de la production d’électricité à base d’énergie renouvelable et non renouvelable sont d’abord présentés et le fonctionnement actuel des réseaux électriques est rappelé pour situer les innovations attendues dans les futurs réseaux dits intelligents. Ensuite, un algorithme de suivi du point de puissance maximale et de puissance limitée dans un générateur actif PV est présenté. La modélisation des micro-turbines à gaz est aussi présentée. La contribution principale concerne la conception d’une planification opérationnelle des moyens de production la veille pour le lendemain à partir de prédictions de la charge et de la production PV en utilisant une programmation dynamique adaptée. La méthode proposée prédétermine le profil de production des générateurs de manière à réaliser une optimisation globale d’une fonction objective pour un réseau électrique urbain. Pour l’exploitation, un algorithme d’ajustement est proposé et intervient toutes les ½ heures de manière à prendre en compte les déviations par rapport aux prédictions en utilisant un réseau de communication. Un micro réseau urbain est utilisé pour tester les algorithmes de gestion implantés dans un superviseur interfacé à un simulateur temps réel. Des comparaisons dans des situations identiques avec différentes fonctions objectives sont réalisées ainsi que des évaluations économiques et environnementales à l’aide d’indicateurs
The presented research works aim to develop an energy management system for a cluster of distributed micro gas turbines and controllable PV generators called «active generators». The general principles of electricity generation from renewable and non-renewable energy sources are first presented. The operation of actual electric grids is also recalled in order to highlight the challenges and expected innovations in future Smart Grids. Then, the integration of a novel method for maximum and limited power point tracking in a PV-based active generator is presented. The modeling of micro-gas turbines in a microgrid energy management system is also presented. The main contribution of this thesis concerns the design of an operational planning of generators one day ahead by the means of a dynamic programming-based algorithm, taking into account the PV power production and the consumption forecasts. The proposed method calculates the production planning of generators by performing a global optimization of an objective function. An adjustment algorithm is proposed and executed every ½ hours through a communication network in order to take into account the uncertainty in forecasted values. An urban microgrid is used for testing the developed algorithms through Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) with hardware-in-the-loop and real-time simulations. Comparisons of the microgrid operation in identical situations with different objective functions are performed, as well as evaluations of economic and environmental indicators

Depuis l'essor des ordinateurs et des capacités de calcul, la conception des composants du génie électrique repose largement sur des simulations informatiques et sur des calculs numériques. Dans les systèmes complexes, où de nombreux composants interagissent pour le bon fonctionnement du système, le dimensionnement optimal du composant dépend nécessairement de son environnement systémique. La conception de celui-ci est fortement liée au fonctionnement du système global. La conception intégré du composant dans son environnement systémique permet ainsi de repousser les limites de l'efficacité énergétique, pour des systèmes plus performants et moins consommateurs. En support à ce contexte méthodologique, nous proposons de dimensionner par optimisation un moteur électrique pour un véhicule hybride dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique globale du véhicule. Dans ce travail, nous avons modélisé le moteur électrique par un schéma réluctant, et nous proposons deux approches méthodologiques différentes du même problème. Les points clés de notre approches sont : la prise en compte de l'environnement du moteur, du cycle de fonctionnement et de la gestion de l'énergie du système
Since the development of computers and calculation capacities, the design of electrical components in electrical engineering is widely based on computing simulations and on numeral calculations. In complex systems, where numerous components interact for the working of the system, the optimal sizing of the component deeply depends on its systemic environment. The design of each component is strongly linked to the functioning of the global system. Therefore, the joint design of the component into its systemic environment allows to improve the efficiency of the system. In this methodological context, we optimize an electric machine for a hybrid vehicle. The aim of this work is to improve the global efficiency of the vehicle. In this work, we build a magnetic circuit model, and we propose two approaches for solving the optimization problem. The key points of this work are : the consideration of the environment of the electrical machine, the driving cycle and the energy management of the system

Ce chapitre présente SESAM, une plate-forme complète pour le prototypage de systèmes cyberphysiques modernes. SESAM accélère et facilite le prototypage par l’adoption d’une approche hybride, composée de sous-systèmes provenant de divers domaines et niveaux d’abstraction. Il introduit également un ensemble d’outils de vérification aidant à l’évaluation de la fiabilité et la consommation d’énergie des systèmes.