Comme on l’a dit précédemment, le niveau supérieur de contrôle est appelé « Gestion
d’énergie ». L’objectif principal de ce niveau est la gestion des énergies respectives de la PAC et de l’ES pour satisfaire les besoins de la charge du mieux et le plus sûrement possible. Son rôle est aussi de coordonner et de faire communiquer les hacheurs composant
l’IP pour assurer un fonctionnement correct. Ce niveau peut se décomposer en deux parties principales :
• La stratégie de commande. • Le système de sécurité.
État de
charge d’ES VPACTPACIPAC
I* PAC Ref ... ... P Charge
Gestion d’énergie
I* PAC RefSystème
Sécurité
Stratégie de
commande
P ChargeFigure 4.1 Schéma du niveau de contrôle supérieur, appelé Gestion d’énergie
Ces deux parties seront donc l’objet d’analyse de ce chapitre.
Cependant, tout d’abord, on doit définir le domaine d’application du générateur à PAC à analyser et sa structure. En effet, la gestion d’énergie du générateur à PAC est fortement dépendante de sa structure, laquelle est imposée principalement par l’application choisie (Voir §1.3).
Compte tenu des analyses présentées antérieurement (Voir chapitre 1 et annexe 3), les applications choisies sont les mêmes. A partir de cela, on peut définir la structure du générateur à PAC. Les différentes parties formant cette structure sont décrites ci-dessous.
4.1.1 La PAC et ses auxiliaires
Le groupe électrogène est construit autour d’une PAC dont les caractéristiques sont similaires à celles de la PAC modélisée dans §1.4. On rappelle donc qu’il s’agit d’une PAC de type
CHAPITRE 4 - GESTION D’ENERGIE D’UN GENERATEUR A PAC
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-PEM de puissance maximale 120 kW. Elle est alimentée en hydrogène pur à partir de réservoirs sous-pression. Par contre, l’oxygène pris dans l’air est fourni par un compresseur. La dynamique de la PAC est donc essentiellement limitée par le compresseur. Ainsi, une bonne gestion de l’énergie et de la puissance de la PAC passe nécessairement par un contrôle performant du compresseur. Le choix de ce dernier dépend de la puissance nette fournie par la PAC (Voir Figure 4.2).
PAC
Stack
PAC
VPAC IPAC ... Compresseur Ventilateur Contrôle Pompe ... Compresseur Ventilateur Contrôle PompeFigure 4.2 PAC avec ses principaux auxiliaires
Pour l’analyse du niveau supérieur d’énergie, les modèles de simulation devront inclure les
auxiliaires du générateur et être bien adaptés pour de longues durées de simulation. De ce
fait, le modèle employé lors des simulations est celui dit de stationnaire incluant les principaux auxiliaires.
La Figure 4.3 illustre la consommation des auxiliaires en fonction du courant net de la PAC. Notons qu’il y a une partie de la consommation indépendante du courant correspondant principalement au système de refroidissement qui fonctionne toujours à sa puissance nominale. Tout cela a été modélisé comme une charge constante. La partie de la courbe de puissance dépendant du courant correspond à la consommation du compresseur. Il a été modélisé en tenant compte de sa structure et son contrôle.
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 x 1 0 4 C o u r a n t ( A ) P u is s anc e (W )
CHAPITRE 4 - GESTION D’ENERGIE D’UN GENERATEUR A PAC
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-4.1.2 Interface de puissance
L’IP employé est similaire à celui utilisée lors des simulations du chapitre 3 (Voir Figure 4.4), car c’est le plus courant pour des puissances de l’ordre de la centaine de kW.
4.1.3 Contrôle de l’interface de puissance
On a dû en premier lieu définir le schéma de contrôle de l’OT le mieux adapté aux applications sélectionnées. Compte tenu de l’ES, le contrôle de la tension du bus est
toujours réalisé en utilisant le hacheur relatif à l’ES. Ainsi, l’OT dispose d’une tension de bus continu constante et peut satisfaire la demande de la charge, tandis que la PAC est contrôlée en courant en respectant ses limitations dynamiques.
On a dû choisir un correcteur pour le contrôle de chaque hacheur :
• Hacheur DC/DC élévateur de tension : Correcteur de type RST.
• Hacheur DC/DC réversible en courant : Correcteur de type P pour la boucle de
courant et PI linéarisé pour la boucle de tension du bus.
• Onduleur de tension : Quand il fonctionne comme une source de courant, il reçoit la
consigne en puissance et le courant est contrôlé par un correcteur de type IG. Quand il fonctionne comme une source de tension, les boucles de tension et de courant sont implémentées avec des correcteurs de type IG et P respectivement.
Le choix de ces correcteurs est basé sur ce que l’on a présenté au chapitre précédent. La Figure 4.4 illustre le schéma de contrôle employé avec la structure de l’IP.
Appli. PAC Stack ES IPAC MLI RST Reg. I MLI IG P,Q Reg. V P VAC MLI IG VBus P MLI PI
CHAPITRE 4 - GESTION D’ENERGIE D’UN GENERATEUR A PAC
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-4.1.4 Elément de stockage
On rappelle que le rôle de l’ES est de complémenter la puissance fournie par la PAC pour satisfaire les demandes de la charge. La PAC est une très bonne source d’énergie, mais sa réponse dynamique, comme source de puissance, est assez limitée. Or, la taille de l’ES dépend principalement de la charge, de la dynamique de la PAC et de la gestion d’énergie. Compte tenu de ces aspects, on a sélectionné dans un premier temps les technologies de stockage qui apparaissent comme les mieux adaptées à notre cas :
• La batterie au plomb : C’est une technologie utilisée depuis longtemps et elle est en
théorie l’option la plus économique. Cependant, cette batterie n’est généralement pas une bonne source de puissance. De plus, sa durée de vie se voit très réduite si l’on ne respecte pas certaines contraintes de fonctionnement qui ne peuvent pas être toujours garanties dans nos cas.
• Les supercapacités : C’est une nouvelle technologie de plus en plus utilisée, mais qui
reste toujours chère surtout pour des grandes puissances telles que celles qui nous intéressent. Pourtant, d’un point de vue technique, les supercapacités sont les mieux adaptées aux besoins : elles constituent de très bonnes sources de puissance et leur durée de vie ne se voit pas affectée par des décharges très importantes.
Le choix définitive entre ces deux technologies se devra faire suite à un compromis qui doit être complété par une analyse économique pour chaque application. Néanmoins, cette analyse ne faisant pas partie de nos objectifs, nous nous sommes restreints à l’évaluation des avantages et des inconvénients techniques de l’utilisation de ces deux technologies. Nous avons donc simulé et analysé les deux technologies pour chaque application. Les modèles de simulation employés sont décrits dans l’annexe 7.