Дисертації з теми "Système d’énergie hybride"

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

Les véhicules électriques et hybrides font partie des éléments clés pour résoudre les problèmes de réchauffement de la planète et d'épuisement des ressources en combustibles fossiles dans le domaine du transport. En raison des limites des différents systèmes de stockage et de conversion d’énergie en termes de puissance et d'énergie, les hybridations sont intéressantes pour les véhicules électriques (VE). Dans cette thèse, deux hybridations typiques sont étudiées • un sous-système de stockage d'énergie hybride combinant des batteries et des supercondensateurs (SC) ; • et un sous-système de traction hybride parallèle combinant moteur à combustion interne et entraînement électrique. Ces sources d'énergie et ces conversions combinées doivent être gérées dans le cadre de stratégies de gestion de l'énergie (SGE). Parmi celles-ci, les méthodes basées sur l'optimisation présentent un intérêt en raison de leur approche systématique et de leurs performances élevées. Néanmoins, ces méthodes sont souvent compliquées et demandent beaucoup de temps de calcul, ce qui peut être difficile à réaliser dans des applications réelles.L'objectif de cette thèse est de développer des SGE simples mais efficaces basées sur l'optimisation en temps réel pour un VE et un camion à traction hybride parallèle alimentés par des batteries et des SC (système de stockage hybride). Les complexités du système étudié sont réduites en utilisant la représentation macroscopique énergétique (REM). La REM permet de réaliser des modèles réduits pour la gestion de l'énergie au niveau de la supervision. La théorie du contrôle optimal est ensuite appliquée à ces modèles réduits pour réaliser des SGE en temps réel. Ces stratégies sont basées sur des réductions de modèle appropriées, mais elles sont systématiques et performantes. Les performances des SGE proposées sont vérifiées en simulation par comparaison avec l’optimum théorique (programmation dynamique). De plus, les capacités en temps réel des SGE développées sont validées via des expériences en « hardware-in-the-loop » à puissances réduites. Les résultats confirment les avantages des stratégies proposées développées par l'approche unifiée de la thèse
Electric and hybrid vehicles are among the keys to solve the problems of global warming and exhausted fossil fuel resources in transportation sector. Due to the limits of energy sources and energy converters in terms of power and energy, hybridizations are of interest for future electrified vehicles. Two typical hybridizations are studied in this thesis: • hybrid energy storage subsystem combining batteries and supercapacitors (SCs); and• hybrid traction subsystem combining internal combustion engine and electric drive. Such combined energy sources and converters must be handled by energy management strategies (EMSs). In which, optimization-based methods are of interest due to their high performance. Nonetheless, these methods are often complicated and computation consuming which can be difficult to be realized in real-world applications.The objective of this thesis is to develop simple but effective real-time optimization-based EMSs for an electric car and a parallel hybrid truck supplied by batteries and SCs. The complexities of the studied system are tackled by using Energetic Macroscopic Representation (EMR) which helps to conduct reduced models for energy management at the supervisory level. Optimal control theory is then applied to these reduced models to accomplish real-time EMSs. These strategies are simple due to the suitable model reductions but systematic and high-performance due to the optimization-based methods. The performances of the proposed strategies are verified via simulations by comparing with off-line optimal benchmark deduced by dynamic programming. Moreover, real-time capabilities of these novel EMSs are validated via experiments by using reduced-scale power hardware-in-the-loop simulation. The results confirm the advantages of the proposed strategies developed by the unified approach in the thesis

Cette thèse présente un modèle unique du MASG (Modèle d’Architecture du Smart Grid) en considérant l 'état de l’art des différentes directives de recherche du smart grid. Le système hybride de génération d'énergie active marine-hydrogène a été modélisé pour représenter la couche de composants du MASG. Le système intègre l'électrolyseur à membrane d’échange de proton (à l’échelle de méga watt) et les systèmes de piles à combustible en tant que composants principaux du bilan énergétique. La batterie LiFePO4 est utilisée pour couvrir la dynamique rapide de l'énergie électrique. En outre, la thèse analyse le système de gestion de l'énergie centralisé et décentralisé. Le système multi-agents représente le paradigme du système décentralisé. La plate-forme JADE est utilisée pour développer le système multi-agents, en raison de son domaine d'application général, de ses logiciels à licence libre, de son interface avec MATLAB et de sa calculabilité avec les standards de la Fondation des Agents Physiques Intelligentes. Le système de gestion d'énergie basé sur JADE équilibre l'énergie entre la génération (système de conversion d'énergie marine-courant) et la demande (profil de charge résidentielle) pendant les modes de fonctionnement autonome et connecté au réseau. Le modèle proposé du MASG peut être considéré comme une étude de cas pilote qui permet l'analyse détaillée et les applications des différentes directions de recherche du smart grid
This thesis presents a unique model of the SGAM (Smart Grid Architecture Model) with considering the state of the art of the different research directions of the smart grid and. The hybrid marine-hydrogen active power generation system has been modeled to represent the component layer of the SGAM. The system integrates the MW scale PEM electrolyzer and fuel cell systems as the main energy balance components. The LiFePO4 battery is used to cover the fast dynamics of the electrical energy. Moreover, the thesis analyzes the centralized and the decentralized energy management system. The MAS (Multi-Agent Systems) represents the paradigm of the decentralized system. The JADE platform is used to develop the MAS due to its general domain of application, open source and free license software, interface with MATLAB and the computability with the FIPA (Foundation of Intelligent Physical Agent) standards. The JADE based energy management system balances the energy between the generation (marine-current energy conversion system) and the demand side (residential load profile) during the stand-alone and the grid-connected modes of operation. The proposed model of the SGAM can be considered as a pilot case study that enables the detailed analysis and the applications of the different smart grid research directions

La thèse intitulée «Contributions aux systèmes de stockage d’énergie en utilisant des systèmes à partir de sources d’énergie alternatives» propose une étude des technologies de stockage d'énergie en sachant qu'elles sont considérées comme l'une des options qui peuvent faciliter une forte pénétration de sources renouvelables. Dans ce contexte, le travail présenté vise à comprendre les défis liés au stockage de l'énergie et à développer un modèle général d'étude utilisant l'air comprimé comme moyen de stockage d'énergie.La thèse est structurée dans dix chapitres dont les quatre premiers sont consacrés à la présentation potentielle des sources d'énergie renouvelables, à l'évolution du secteur de l'énergie au cours des dernières décennies et aux technologies de stockage d'énergie, notamment sous forme d'air comprimé. Les six autres chapitres concernent les calculs thermodynamiques théoriques dans la mesure où il s'agit d'étudier les performances d'un système de stockage d'énergie hybride et de présenter un modèle mathématique contenant les étapes prises en compte dans la conversion de l'énergie renouvelable en énergie mécanique, stockées dans une forme d'air comprimé et plus tard reconvertis en électricité. De plus, ces chapitres présentent des données expérimentales obtenues sur une installation de laboratoire qui ont contribué à la validation des résultats théoriques obtenus suite à une simulation Matlab, et enfin une étude de cas pour une application à petite échelle, 30 kWh d'énergie stockée, où vise à trouver une configuration optimale. De l'ensemble du système en termes de pression de travail de l'air, analysé sous deux points de vue, technique et économique. La thèse se termine par un chapitre de conclusions générales et nous constatons qu'il reste encore quelques défis à surmonter pour que le stockage de l'énergie sous forme d'air comprimé soit une solution possible d'une perspective économique
The thesis entitled «Contributions to energy storage using hybrid systems from alternative energy sources» proposes a study of the energy storage technologies knowing the fact that these are considered one of the options that can facilitate a high penetration of renewable sources. In this context, the presented work aims to understand challenges in terms of energy storage and to develop a general studying model using compressed air as an energy storage medium.The thesis is structured in ten chapters from which the first four are dedicated to the presentation of the renewable energy sources potential, to the energy sector evolution in the last decades and to the energy storage technologies, especially in the form of compressed air. The other six chapters are dealing with the theoretical thermodynamic calculations as far as that goes in investigating the performances of a hybrid energy storage system and presenting a mathematical model containing the steps taken into account in the renewable energy conversion into mechanical energy, stored in a form of compressed air and later reconverted into electricity. In addition these chapters present experimental data obtained on a laboratory installation which helped in validating the theoretical results obtained following a Matlab simulation, and finally a case study for a small scale application, 30 kWh of energy stored, where is aiming to find an optimal configuration of the whole system in terms of air working pressure, being analyzed from two points of view, technical and economic. The thesis ends with a chapter of general conclusions and indicates that there are still challenges that must be overcome in order to make the energy storage in a form of compressed air a feasible solution from an economic perspective

Les enjeux planétaires du développement durable et du réchauffement climatique remettent en cause le fonctionnement de nos sociétés. La transition énergétique se traduit notamment par l’augmentation de l’utilisation des énergies renouvelables et constitue ainsi le contexte de nos travaux. Dans le cadre d’un contrat CIFRE avec l’entreprise VALOREM, nous proposons des méthodologies pour le développement et la conception d’installations renouvelables soutenables. L’approche d’Ingénierie Des Modèles mise en place nous permet de garder une démarche scientifique cohérente entre une vue très générale du contexte d’insertion des renouvelables et une vision plus technique et opérationnelle pour le développement d’installations renouvelables. Dans un premier temps, nous avons décrit de manière macroscopique le contexte d’insertion des énergies renouvelables en France, en proposant un cadre conceptuel pour le développement de projet d’aménagement du territoire. Il permet l’analyse des systèmes sociotechniques en transition grâce à une formalisation UML2 d’une part, et une méthode d’évaluation de la durabilité d’un processus d’autre part. Nous avons illustré ce cadre sur deux cas d’étude : le succès du développement de la centrale hydro-éolienne de l’île d’El Hierro dans les Canaries et l’échec du barrage de Sivens dans le Tarn en France. Par comparaison, nous montrons que l’implication des parties prenantes sur l’ensemble du processus de développement est cruciale pour le succès d’un projet. Nous avons ensuite proposé une implémentation logicielle permettant le suivi et le pilotage de projet d’aménagement du territoire en temps réel à l’aide d’outils d’intelligence artificielle. Conscient des limites opérationnelles de notre proposition, nous avons décidé de changer de point de vue pour adopter une vision plus technique sur les énergies renouvelables. La transition énergétique fait évoluer le système électrique français d’un modèle centralisé vers un modèle décentralisé, ce qui amène VALOREM à reconsidérer ses propositions techniques de production d’énergies renouvelables. Entre autre, l’entreprise tend vers l’hybridation de ses centrales et constate le besoin d’un outil de dimensionnement en phase d’avant-projet, afin d’identifier les opportunités d’activités. Nous faisons donc la proposition d’un prototype logiciel qui se veut flexible en termes de modélisation des centrales de production hybrides renouvelables et en termes de définition des objectifs et contraintes à satisfaire. Il est codé en C++ et basé sur des modèles d’optimisation linéaires. Nous illustrons son opérationnalité sur quatre cas d’étude : deux orientés marché électrique et deux en autoconsommation (l’un isolé, l’autre connecté au réseau). Les résultats des études montrent que les coûts de stockage batterie sont trop élevés pour pouvoir envisager l’installation de batteries dans les centrales hybrides renouvelables. Les systèmes en autoconsommation connectés au réseau semblent être plus prometteurs. Enfin, nous terminons par une analyse environnementale de différentes sources de production électrique afin de déterminer celles vers lesquelles la transition énergétique doit être axée. Les résultats montrent que la biomasse, l’éolien et le PV au sol sont les moyens de production les plus propres. La conclusion de la thèse propose une réflexion ascendante en complexité vers l’implication des acteurs dans les modèles de processus de développement territoriaux
Sustainable growth issues and climate change imply to shift our society organisation towards new paradigms. In the energy sector, it is illustrated by an energy transition via renewables. Within this context and the support of the company VALOREM, we propose a methodology for the sustainable development and design of renewable infrastructures. By using a Model Driven Engineering approach, we were able to adopt several viewpoints on renewable energy issues, while keeping a consistent scientific approach. First of all, from a holistic stance, we developed a conceptual framework for land settlement development process. Thanks to its modelling with UML2 and a methodology to assess the sustainability of processes, it can be used to analyse the trajectory of sociotechnical systems. The framework was tested on two case studies: the success of El Hierro hydrowind power plant implementation in Canary Islands and the failure of the Sivens dam project in the south of France. Their comparison shows that implication of stakeholders at all stages of the development process is crucial for the success of the project. We further propose to implement the conceptual framework as a software tool for the monitoring of land settlement project in real time, with the help of artificial intelligence concepts. However, this proposition was deemed not in line with Valorem’s priorities and we decided to focus on a technical instantiation of the framework for Hybride Renewable Energy Systems (HRES), which design and operation are part of VALOREM’s activity. As, the energy transition implies to change the electrical system model from a centralized to a decentralized one, there exists a need for a grassroots sizing tool for identifying new HRES opportunities. A software prototype for the grassroot optimal design of HRES was developed, offering flexibility in terms of modelling, setting constraints and defining objective functions. It is coded in C++ and based on linear programming model. We showed its relevance on four HRES case studies: two related to electricity market and two for self-supply of energy (one isolated and the other grid-connected). The results show that battery costs are too high to be profitable in HRES and that grid-connected systems seems to be a good alternative. Finally, we carried out an environmental impact assessment of several sources of electricity production to find out which are the “cleaner” ones. The results show that biomass, wind turbines and ground PV are those that should be considered for a sustainable energy transition. In the conclusion, we step back to a more complex viewpoint and develop perspectives to model human interactions within territory development process

Le stockage de l'énergie électrique est aujourd'hui en plein essor car il semble être l'une des conditions nécessaires pour soutenir le développement des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux électriques. Il est en concurrence, entre autres, avec des sources de flexibilité historiques telles que les stations de pompage ou les centrales électriques à gaz. Les travaux de cette thèse consistent en l'hybridation de deux sources, à savoir le stockage de l'énergie sous forme électrique (batterie lithium-ion) et un cycle combiné (centrale de cogénération gaz-vapeur), afin d'améliorer la stabilité des réseaux et l'exploitabilité de la centrale. Les principaux objectifs sont de préciser les spécifications du système (fonctions, technologie de stockage, pré-dimensionnement), de créer un modèle de batterie lithium-ion configurable à partir des données du fabricant et de définir la stratégie de contrôle de l'hybride. La méthodologie de pré-dimensionnement s'inspire à la fois des travaux similaires réalisés par Gauthier Delille, et de l'expérience de General Electric, constructeur de cycles combinés, pour orienter ces systèmes vers des solutions adaptées. Au cours de la phase de dimensionnement détaillé, les travaux ont abouti à la création d'un modèle de batterie lithium-ion orienté "système" qui peut être mis en œuvre dans le logiciel temps réel de GE. Ce modèle, validé par des tests dans le laboratoire GREEN, obtient une précision correcte d'environ 95% (sur la tension et l'énergie des cellules). Enfin, la gestion de l'énergie de ce système hybride est réalisée en intégrant un nouveau contrôleur dans la centrale électrique qui fournit les instructions aux systèmes de stockage en traitant à la fois les données internes de la centrale et celles mesurées aux bornes du stockage. Le choix a été orienté vers des commandes simples (statisme, PI, etc.) couplées à un algorithme de logique floue. Celui-ci a été configuré en utilisant l'optimisation génétique sur des données provenant d'une centrale électrique existante. Malgré plusieurs contacts encourageants avec des clients potentiels qui se sont montrés intéressés par un tel système, aucun prototype n'a pu être construit
The storage of electrical energy is now booming as it seems to be one of the necessary conditions to support the development of intermittent renewable energies in electrical networks. It competes, among other things, with historical sources of flexibility such as pumping stations or gas-fired power plants. The work of this thesis consists in the hybridization of two sources, namely the storage of energy in electrical form (lithium-ion battery) and a combined cycle (gas-steam cogeneration plant), in order to improve the stability of the networks and the operability of the plant. The main objectives are to specify the system specifications (functions, storage technology, pre-sizing), to create a configurable lithium-ion battery model based on the manufacturer's data and to define the control strategy for the hybrid. The pre-sizing methodology draws on both the similar work done by Gauthier Delille and the experience of General Electric, a manufacturer of combined cycles, to guide these systems towards suitable solutions. During the detailed dimensioning phase, the work led to the creation of a "system-oriented" lithium-ion battery model that can be implemented in GE's real-time software. This model, validated by tests in the GREEN laboratory, achieves a correct accuracy of about 95% (on cell voltage and energy). Finally, the energy management of this hybrid system is achieved by integrating a new controller in the power plant that provides instructions to the storage systems by processing both the internal data of the power plant and the data measured at the storage terminals. The choice was oriented towards simple commands (droop, PI, etc.) coupled with a fuzzy logic algorithm. This was configured using genetic optimization on data from an existing power plant. Despite several encouraging contacts with potential customers who showed interest in such a system, no prototype could be built

Un micro-réseau est un exemple prometteur d’évolution d’architecture de réseau qui consiste à regrouper les différents producteurs et consommateurs autour d'un réseau moyenne tension. Ce système hybride multi-source est donc composé d'au moins une unité de production décentralisée conventionnelle et éventuellement d'une unité de stockage et d’une unité de production basée sur des énergies renouvelables. L’utilisation de cette structure permet de réaliser une minimisation immédiate des pertes liées au transport de l’énergie, une fiabilité accrue de la fourniture et une possibilité de fournir une énergie d’une haute qualité. Dans ce mémoire, nous étudions un micro réseau reposant sur l’utilisation d’une turbine à gaz, d’une centrale photovoltaïque et d’une unité de stockage à base de supercondensateurs. Toutes ces sources sont couplées au micro réseau par des convertisseurs électroniques de puissance et sont interconnectées au gestionnaire central du micro-réseau. Des supervisions locales et une supervision centrale sont utilisées pour ce micro-réseau étudié afin de réaliser une optimisation de son fonctionnement. Par conséquence, la première partie de ce mémoire est consacrée à la formalisation d’une méthode permettant la conception systématique des supervisions locales et des dispositifs de commande des unités de production et de stockage. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la gestion proprement dite de l’ensemble de ces moyens de production et de stockage en vue d’optimiser les services fournis aux micro-réseaux. Des résultats de la simulation et de l’expérimentation valident notre conception de la supervision du micro-réseau
A microgrid is a promising future network architecture which is coupling the various generators and consumers in a distribution network. This hybrid multi-source system is composed of at least one conventional generation unit and possibly a storage unit and/or a production unit based on renewable energies. Using this structure allows an immediate minimization of the losses by the energy transport, a greater reliability of power delivery and an ability to provide a high power quality energy. In this paper, we study a microgrid based on the use of a micro gas turbine, a photovoltaic array and supercapacitors. All these sources are coupled to the microgrid by power electronic converters and are interconnected to a microgrid central controller. Some local controllers and the microgrid central controller are used for the studied microgrid to achieve its operation optimization. Therefore, the first part of this thesis is devoted to establish a formalism method for a systematic design of local controllers. The second part of this thesis is devoted to the management of all these production and storage units, in order to optimize the microgrid operating. Simulation and testing results validate our design of the microgrid controllers

La gestion de la distribution de l’énergie électrique dans un système multi-source (véhicule hybride électrique) est primordiale. Elle permet d’augmenter les performances du système en minimisant la consommation de combustible utilisée par la source principale, tout en respectant la demande et les différentes contraintes de fonctionnement de la chaîne énergétique et de sécurité du système. Dans cette thèse, dans le cas où le profil de mission est connu, une approche combinatoire est proposée en modélisant le problème de gestion d’énergie sous la forme d’un problème d’optimisation avec satisfaction des contraintes. Celui-ci est résolu par une méthode exacte issue de la recherche opérationnelle, conduisant à des solutions optimales en des temps de calcul fortement réduits en comparaison avec ceux obtenus par l’application de la programmation dynamique ou la commande optimale. Pour éprouver la sensibilité aux perturbations, une étude de robustesse est menée sur la base de l’analyse de la solution de pire-cas d’un scénario sur des profils de mission d’un véhicule. Les cas pratiques d’utilisation imposent de ne connaître la demande du moteur électrique qu’à l’instant présent, selon le mode de conduite du chauffeur. Afin de gérer l’énergie du véhicule en temps réel, un algorithme en ligne, basé sur une approche de type floue, est développé. Pour mesurer la qualité de la solution floue obtenue, une étude de performance est réalisée (recherche de l’optimum global), en ayant recours à une optimisation hors-ligne sur des profils de mission de référence, basée sur une modélisation non linéaire du problème de gestion d’énergie. Les résultats obtenus ont permis de valider la qualité de la solution floue résultante
Managing the distribution of electrical energy in a multi-source system (hybrid electric vehicle) is paramount. It increases the system performance by minimizing the fuel used by the primary source, while respecting demand, the differents operating constraints of the energy chain and system security. In this thesis, where the mission profile is known, a combinatorial approach is proposed by modeling the problem of energy management as an optimization problem with constraint satisfaction. The problem is solved using an exact method from operations research, leading to optimal solutions with reduced computation time in comparison with those obtained by applying dynamic programming or optimal control strategies. To test the perturbation sensitivity, robustness study is conducted, based on the analysis of the worst-case solution of the worst scenario, which can be achieved on the vehicle mission profile. In practical cases, the vehicle demand is unknown, and we have only the information about the instantaneous demand, which depends on driving style of the driver. In order to manage on line the energy of the vehicle, an on-line algorithm, based on a fuzzy approach is developed. To measure the quality of the fuzzy solution obtained, a performance study is carried out (finding the optimum solution), using an off-line optimization under reference mission profiles, based on non-linear modeling of the power management problem. The results were used to validate the quality of the resulting fuzzy solution

Garantir le confort thermique des bâtiments est directement lié à la consommation d'énergie. Dans les zones tropicales, les systèmes de refroidissement représentent l'un des postes les plus gourmands en énergie. Afin de réduire la consommation d'énergie mondiale, il est primordial d'améliorer l'efficacité de ces systèmes ou bien de développer de nouvelles méthodes de production de froid. Une installation de refroidissement solaire basé sur le cycle à absorption est une alternative pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'électricité. Contrairement aux systèmes classiques de refroidissement à compression mécanique, la production de froid par absorption est un système complexe composé de plusieurs composants comme des panneaux solaires, un ballon de stockage, une tour de refroidissement et une machine à absorption. Outre le dimensionnement des composants, ce système complexe nécessite des actions de contrôle pour être efficace parce que la coordination entre le stockage d'eau chaude, la production et la consommation du froid est nécessaire. Le but de cette thèse est de proposer une structure producteur-consommateur d'énergie basée sur la commande prédictive (MPC). Le système de refroidissement par absorption solaire est considéré comme faisant partie de ce système de production-consommation d'énergie, le système de stockage d'eau chaude est le producteur et la machine à absorption qui distribue de l'eau froide au bâtiment est l'un des consommateurs. Pour que la structure de commande soit modulaire, la coordination entre les sous-systèmes est réalisée en utilisant une approche de partitionnement où des contrôleurs prédictifs locaux sont conçus pour chacun des sous-systèmes. Les contrôleurs des consommateurs calculent un ensemble de profils de demande d'énergie. Ces profils sont ensuite envoyés au contrôleur du producteur qui sélectionne le profil qui minimise le coût global. Dans une première partie, l'approche proposée est testée sur un modèle linéaire simplifié composé d'un producteur et plusieurs consommateurs. Dans une deuxième partie, un cas plus complexe est étudié. Un modèle simplifié d'un système de refroidissement à absorption est évaluée en utilisant l'outil de simulation TRNSYS. Le modèle de production n'est plus linéaire, il est décrit par un modèle non linéaire hybride qui augmente la complexité du problème d'optimisation. Les résultats des simulations montrent que la sous-optimalité induite par la méthode est faible. De plus, la performance de l'approche atteint les objectifs de commande tout en respectant les contraintes
To guarantee thermal comfort in buildings is directly related to energy consumption. In tropical climates, cooling systems for buildings represent one of the largest energy consumers. Therefore, as energy consumption is a major concern around the world, it is important to improve the systems efficiency or seeking new methods of cooling production. A solar cooling installation based on the absorption cycle is an alternative to mitigate greenhouse gas emissions and electricity consumption. In contrast to conventional vapor-compression based cooling systems, the absorption cooling production involves a complex system composed of several components as collector panel, storage tank, cooling tower and absorption chiller. Besides the sizing of the components, this complex system requires control actions to be efficient as a coordination between hot water storage, cooling water production and consumption is necessary. The aim of this research is to propose a management approach for a production-consumption energy system based on Model Predictive Control (MPC). The solar absorption cooling system is seen as part of this production-consumption energy system where the hot water storage system is the producer and the chiller-building system is one of the consumers. In order to provide modularity to the control structure, the coordination between the subsystems is achieved by using a partitioning approach where local predictive controllers are developed for each of the subsystems. The consumer controllers compute a set of energy demand profiles sent to the producer controller which selects the profile that better minimize the global optimization cost. In a first part, the proposed approach is tested on a simplified linear model composed of one producer and several consumers. In a second part, a more complex case is studied. A simplified model of an absorption cooling system is evaluated using the simulation tool TRNSYS. The producer model is no longer linear, instead it is described by a nonlinear hybrid model which increases the complexity of the optimization problem. The simulations results show that the suboptimality induced by the method is low and the control strategy fulfills the objectives and constraints while giving good performances

Dans le contexte de la montée des préoccupations écologiques, le développement de véhicules de transports routiers s’oriente vers le développement de véhicules moins polluants à entraînement électrique comme les Véhicules Électriques Hybrides (VEHs) et les Véhicules tout Électriques (VEs). Avec l’augmentation des puissances requises et la réduction de l’espace disponible, la gestion thermique devient une préoccupation de plus en plus importante lors du développement des composants embarqués comme les moteurs/générateurs électriques, onduleurs, batteries et faisceaux électriques. Parmi eux, le faisceau électrique de puissance qui est typiquement composé de câbles électriques, de connecteurs et de boîtes de distribution de puissance ne peut être conçu de manière appropriée qu’à la suite d’une analyse thermique, électrique, chimique et mécanique approfondie.Cette thèse est écrite pour contribuer à l’optimisation de la conception électrothermique de faisceaux de câbles par des simulations afin de réduire la quantité de tests expérimentaux nécessaires pour leur développement. Des modèles théoriques pour la prédiction du comportement électrique et thermique de câbles électriques et des faisceaux de câbles sont passés en revue et adaptés aux exigences automobiles. La validation est accomplie en comparant les résultats de simulation avec ceux d’analyses élément finie (FEA) et de données de mesure. Une partie majeure de cette thèse aborde la simulation thermique de câbles électriques de longueur infinie suspendus dans l’air, prenant en compte les dépendances en température des résistances de conducteurs et la non-linéarité du coefficient de transfert thermique total à la surface du câble. L’influence des courants de blindage et de courants arbitraires dans les conducteurs sur la montée en température des câbles électriques est considérée dans des circuits thermiques équivalents et illustré par des exemples pratiques
In the context of growing ecological concerns, the development of road transport vehicles moves itself toward the development of less polluting vehicles with electric drives such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs) and full Electric Vehicles (EVs). With rising power requirements and reducing available space, thermal management is becoming an increasingly important concern during development of on-board vehicle components such as electric motor(s)/generator(s), power inverter(s), battery pack(s) and cable harnesses. Among them, the cable harness which is typically composed of electrical cables, connectors and power distribution boxes can only be designed properly after a detailed thermal, electrical, chemical and mechanical analysis.This thesis is written to contribute to the optimization of the electro-thermal design of cable harnesses through simulations and reduce the amount of experimental testing needed during their development. Theoretical models for the prediction of the electrical and thermal behavior of electric cables and cable harnesses are reviewed and adapted for automotive requirements. Validation is accomplished by comparing simulation results with Finite Element Analysis (FEA) and measurement data. A major part of this thesis addresses the thermal simulation of electrical cables of infinite length installed in air, taking into account the temperature dependencies of conductor resistances and non-linearity of the total heat transfer coefficient at the cable surface. The influence of shielding currents and arbitrary current loads in the conductors on the temperature rises within electric cables is also considered using thermal ladder networks and illustrated by practical examples. Because shielding currents in vehicles are not only caused by induced currents but also by functional electrical currents generated by low-voltage power sources, new theoretical studies and experimental observations for the estimation of these currents as a function of the vehicle electrical architecture and circuit characteristics are presented. A primary finding reveals that keeping the resistance of grounding connections low compared to that of the shielding connections is an appropriate but expensive means for limiting the transfer of functional currents in the shielding circuits. Finally, a complete and modular model for the prediction of transient temperatures along the length of cable harness sections is developed and validated based on the outcomes of all previous findings

La maîtrise des flux énergétiques à l’intérieur de l’habitat est un sujet d’actualité largement promu par l’engagement gouvernemental et incité par l’évolution croissante des solutions technologiques pour les bâtiments intelligents. Pour faire face aux nouveaux besoins d’efficacité, les gestionnaires d’énergie doivent être capables de piloter de manière opportune l’utilisation des équipements de consommation ainsi que d’optimiser le confort des occupants. Ce mémoire étudie les stratégies de commande prédictive hiérarchisée hybride à multi-échelles de temps appliquées à la gestion d’énergie dans les bâtiments. Le contrôleur proposé est composé de deux niveaux. Un niveau supérieur qui met en oeuvre une optimisation économique pour planifier l’utilisation de l’énergie à long terme. Et un niveau inférieur responsable d’assurer le suivi de la planification en exécutant une optimisation à horizon de prédiction plus court et une fréquence d’échantillonnage plus élevée. Les niveaux travaillent ensemble pour maîtriser conjointement l’énergie et la puissance du système. Deux sujets liés au fonctionnement des contrôleurs à multi-échelle de temps sont considérés. Le premier est l’interaction entre les niveaux d’optimisation et la cohérence des informations échangées. Différentes stratégies pour projeter les résultats du niveau supérieur au niveau inférieur sont comparées en soulignant leur impact sur le comportement de la commande finale. Le deuxième est l’adaptation de l’approche hiérarchisée pour le pilotage des charges du type Marche/Arrêt. Une analyse géométrique de l’espace de décision du problème d’optimisation long terme du contrôleur est réalisée pour étudier les conséquences de l’ajout des contraintes binaires. Nous proposons ensuite, une reformulation capable d’améliorer la qualité de la commande finale et de limiter l’effort nécessaire pour trouver la solution
Intelligent management strategies to optimize building energy consumption are considerably gaining attention due to the current climate challenges and the technological evolution of the automation solutions. To tackle the new energy efficiency standards, building energy management systems must be able to control energy consuming devices in order to minimize the costs and optimize the comfort of occupants. In this thesis, we study hybrid multitime scale model predictive control strategies to tackle building energy management problems. We proposed a two-layer hierarchical controller to jointly control the energy consumption and power demand of the system. The upper level implements a long term economic optimization that takes into account the energy price and the requirements of the occupants. The lower layer ensures the tracking of the optimal scheduling plan computed by the upper layer with a shorter prediction horizon and a higher sampling rate. Two topics related to the operation of multi-scale controllers are considered. The first is the interaction between the levels of optimization and the consistency of the information exchanged. We investigate different strategies to project the results of the upper layer at the lower one and provide comparisons to highlight its impact on the closed-loop behavior. The second is the management of On/Off loads in the multi-time scale framework. A geometric analysis of the decision space of the long-term optimization problem is performed to study the consequences of adding binary constraints to the problem. Then, we propose a reformulation strategy to improve the quality of the final control and limit the effort required to find the solution