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Dans ce mémoire, nous avons présenté dans une première partie les différentes sources d’énergie et les dispositifs de stockage utilisés pour la réalisation d’une source hybride d’énergie électrique en expliquant leur mode de fonctionnement et leur modélisation usuelle. Nous avons ensuite détaillé une stratégie de contrôle des hacheurs basée sur le concept de platitude. Nous avons montré que deux stratégies de commande pouvaient être envisagées.
La première est basée sur le contrôle de l’énergie totale stockée dans le hacheur et mène à des performances dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Son principal inconvénient est de générer dans certains cas, une erreur statique parfois importante qui est d’autant plus grande que les pertes sont importantes. Ce phénomène s’accentue lorsque le ratio énergie électrostatique stockée dans le condensateur de sortie sur énergie magnétique stockée dans l’inductance diminue. Pour corriger cet inconvénient, nous avons introduit une méthode basée sur l’estimation en ligne de deux paramètres qui permet d’assurer une erreur statique nulle en sortie mais au prix d’une diminution des performances dynamiques du système.
Une seconde alternative basée sur un contrôle à deux boucles a été présentée. Elle présente l’avantage d’être peu sensible aux erreurs de modélisation et aux pertes dans le convertisseur. Elle mène à des performances légèrement inférieures à la structure de commande précédente mais possède l’avantage de parfaitement maitriser le comportement des variables du système même en régime transitoire, et ceci en présence d’erreurs de paramètre ou de modélisation. Ce mode de commande a donc été choisi pour contrôler les divers convertisseurs de la source hybride dont l’architecture et la commande ont été présentées au chapitre 3.
L’architecture de commande de la source hybride peut se décomposer en deux niveaux distincts de contrôle. Le premier niveau consiste à s’assurer que les sorties du système (puissance et énergie électrostatique) suivent bien leur référence respective. Pour ce faire nous avons utilisé l’approche par platitude détaillée au chapitre 2. Le second niveau quant à lui, peut être vu comme un superviseur dont la fonction est d’assurer la continuité d’approvision-nement en énergie électrique à la charge et d’assurer un état de charge nominale des organes de stockage en phase de fonctionnement normal. Pour réaliser ce superviseur, nous avons utilisé la logique floue dont le principe a été rappelé au chapitre 3. Dans la stratégie de contrôle proposée, les contraintes inhérentes au bon fonctionnement de la source hybride, comme par exemple les contraintes dynamiques sur le courant délivré par la pile à combustible, sont prises en compte dans les phases de planification des trajectoires de référence des régulateurs.
Les résultats obtenus par simulation et expérimentation confirment la validité des stratégies de commande et de supervision énergétique élaborées aux chapitres 2 et 3. La tension de sortie du système hybride électrique reste toujours constante même lors de variations de charge importante. Les stratégies de gestion d’énergie utilisées tout comme les algorithmes de commande basés sur le concept de platitude peuvent être appliqués à toute architecture de source hybride et à la plupart des topologies de convertisseurs d’interface.
A cours terme, la suite de ces travaux s’oriente naturellement vers l’optimisation de la structure du convertisseur et de ces composants passifs pour un profil de charge donné, correspondant, par exemple, à un profil de consommation d’un véhicule électrique. De plus une étude comparative de cette commande avec d’autres types de commande plus
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traditionnelle permettra de mettre en avant les avantages et inconvénient de la commande proposée.
Cependant, les principales perspectives de ces travaux s’orientent vers la fiabilisation des systèmes multi-sources. Cette fiabilisation peut conduire à une répartition des sources électriques et des organes de stockage permettant de rendre cette structure modulaire et de généraliser le système de contrôle présenté. Mais cette fiabilisation peut aussi orienter le choix de la structure du convertisseur d’interface, isolé ou non, permettant d’assurer le traitement de l’énergie électrique en présence de certains types de défauts, comme par exemple, des défauts sur les composants semi-conducteurs.
Il est bien évident que cette fiabilisation passe par une étude permettant de garantir la stabilité du bus continu à la sortie de la source hybride quelle que soit l’évolution de la puissance absorbée par la charge.
__________________________________________________________________________________ Résumé en français
Contribution au pilotage des sources hybrides d’énergie électrique
Ce mémoire traite du pilotage de systèmes hybrides de puissance électrique. Les sources principales d’énergie sont un système photovoltaïque et une pile à combustible. Les sources secondaires sont un pack de batteries et un pack de supercondensateurs. Le dimensionnement des sources secondaires est réalisé afin de gérer les transitoires de puissances et de fournir l’appoint d’énergie lorsque celle issue des sources principales est insuffisante. Les sources principales, quant à elles, fournissent l’énergie à la charge en régime permanent. Le contrôle des flux d’énergies et les asservissements de puissance utilisés dans cette thèse sont basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. Ils permettent d’obtenir des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Le superviseur, permettant de répartir la puissance entre les différents organes de stockage, est réalisé à base de contrôleur flou et assure que les supercondensateurs avec leur convertisseur d’interface sont utilisés comme filtre de puissance et apportent l’énergie en régime transitoire. En revanche, les batteries fournissent ou absorbent l'énergie sur des durées plus longues notamment lors Mots clés
Source hybride électrique, pile à combustible, panneau solaire, batterie, supercondensateur, convertisseur DC-DC, commande plate, logique floue, stabilité
__________________________________________________________________________________ Résumé en anglais
Control of hybrid electric energy sources
This thesis deals with the control of electrical hybrid system. The main sources consist in an association of photovoltaic and fuel cell system. The secondary sources are a bank of batteries and a bank of supercapacitors. The sizing of secondary sources is realized to manage the power during the transient state and provide extra energy when the power of main sources is insufficient in steady state. The main sources provide the essential energy of the electrical hybrid system during steady state. The control of energy flows and power tracking used in this thesis are based on the flatness technique. This control system allows obtaining high dynamic properties in the power tracking and the regulation of system.The supervisor for sharing the power between the different storage devices is realized thanks to a fuzzy logic controller. This controller ensures that the bank of supercapacitors with its interface converter is used as a power filter and provides the energy in transient states. However, the bank of batteries provides or absorbs the energy in longer periods especially during recovery or overload modes.
Key words
Hybrid electric source, fuel cell, solar panel, battery, supercapacitor, DC-DC converter, flatness control, fuzzy logic, stability