N d ode: 005-7 ECOLE DOCTORALE 43 Ecole Nationale Supéieue d At et Métie Cente de Lille THÈSE péentée pou obteni le tite de DOCTEUR de L ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D ARTS ET MÉTIERS Spécialité: Génie Electique pa Gabiel-Octavian CIMUCA SYSTEME INERTIEL DE STOCKAGE D ENERGIE ASSOCIE A DES GENERATEURS EOLIENS MM. R. CIUPA Pofeeu à l UT Cluj-Napoca, Roumanie Péident I. BOLDEA Pofeeu à l UP Timioaa, Roumanie Rappoteu A. MIRAOUI Pofeeu à l UT Belfot-Montbéliad, Fance Rappoteu M.M. RADULESCU Pofeeu à l UT Cluj-Napoca, Roumanie B. ROBYNS Pofeeu à HEI Lille, Fance Ch. SAUDEMONT Eneignant-checheu à HEI Lille, Fance L ENSAM et un Gand Etabliement dépendant du Minitèe de Education Nationale, compoé de huit cente: AIX-EN-PROVENCE ANGERS BORDEAUX CHÂLONS-EN-CHAMPAGNE CLUNY LILLE METZ PARIS
A Ramona, à me paent.
Remeciement
Remeciement Remeciement Au teme de ce tavail, je tien à emecie tou ceux qui y ont collaboé, diectement ou indiectement, lo de toi année de thèe en cotutelle. Je tien tout paticulièement à emecie le Pofeeu M.M. Radulecu et B. Robyn, pomoteu de cette thèe de doctoat en cotutelle et dont le idée, le coneil, le citique, mai aui le encouagement, m ont été d une aide pécieue. Le deux ont fait beaucoup plu que leu devoi comme diecteu de thèe et c et pouquoi il ont ma econnaiance la plu pofonde. Je emecie Monieu M. Vittu, Diecteu de l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille pou m avoi accepté dan on établiement et pou l accod qu il a donné au financement de la plupat de tage effectué en Fance. Je emecie également le Pofeeu J.P. Hautie, Diecteu du Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance (LEP) de Lille et pofeeu à l ENSAM de Lille, pou on accod et pou on aide concenant le démaage et le déoulement de cette thèe en cotutelle. Je le emecie aui pou on accod concenant le financement de deux tage effectué à Lille. Me emeciement vont aui à Chitophe Saudemont, eneignant checheu à HEI et coencadant de ma thèe. Son aide pécieue pou appende à tavaille avec le cate dspace, mai aui le emaque petinente faite tout au long de ce tavail, ont eu une contibution déciive u la qualité et la quantité de éultat que je peux enfin péente ici. Pou leu paticipation à l évaluation cientifique de ce tavaux, je tien également à emecie Meieu I. Boldea, pofeeu à l Univeité «Politehnica» de Timioaa, Roumanie, et A. Miaoui, pofeeu à l Univeité de Technologie de Belfot-Montbéliad, Fance, en tant que appoteu et pui en tant que membe dan le juy. Je le emecie aui pou la édaction de appot dan de délai tè contaignant. Je emecie le Pofeeu R. Ciupa, Doyen de la Faculté de Génie Electique de Cluj-Napoca, qui m a fait l honneu de péide mon juy de thèe. Ma econnaiance va également au Pofeeu R. Munteanu, Recteu de l Univeité Technique de Cluj-Napoca et ancien Doyen de la Faculté de Génie Electique. C et lui qui m a convaincu de continue ma fomation d ingénieu en faiant une thèe de doctoat. Sa confiance en moi et e encouagement ont beaucoup contibué à ma femeté pou dépae le obtacle enconté duant la péiode de thèe. Je tien aui à emecie Madame M. Imec, pofeeu à la Faculté de Génie électique de Cluj- Napoca, qui m a fait découvi le ecet de entaînement électique et de imulation de ytème électomécanique. Se emaque tè petinente ont eu une contibution impotante à ma éuite dan la éaliation du banc d eai. Je n oublie pa Ludovic Leclecq, doctoant fançai et ami avec qui j ai beaucoup échangé lo du tavail qu on a mené en paallèle. C et lui qui a été mon «pof» d automatique.
Remeciement Me emeciement vont aui aux meieu M. Nae, A. Anel, A. Davigny (eneignant checheu à HEI), F. Gionco (technicien de laboatoie à HEI), et Y. Pankow (ancien doctoant à HEI), pou leu outien moal et pou l amabilité qu il ont montée enve moi lo de me tage de doctoat en cotutelle. Je emecie également le Meieu V. Tifa, I.Vadan, C. Ruu et I. Biou, pofeeu à la Faculté de Génie électique qui ont appoté le toi appot d avancement de tavaux de la thèe. J expime aui ma econnaiance enve tou le membe du Dépatement Machine électique de l Univeité Technique de Cluj-Napoca et pou tou me collègue que j ai côtoyé à Cluj-Napoca; il e econnaîtont. Je emecie tout paticulièement me collègue du Goupe de Petit moteu électique et Taction électique pou la chaleueue ambiance dan laquelle e ont déoulée ce denièe année. Si il y a une peonne à ne pa oublie, c et le Monieu D. Bocadi, mon ancien pofeeu d électotechnique pendant le lycée. C et bien lui qui m a fait plonge dan le ecet de l électicité et qui m a confié le clé du Laboatoie d Electotechnique, là où j ai paé de jou entie pou découvi le miacle que le électon peuvent poduie. Le meilleu entiment ont detiné pou la famille de Buno et Emmanuelle Sato. Le weekend paé avec eux ont fait que me éjou à Lille oient beaucoup plu intéeant. Meci beaucoup pou tout l amitié qu il ont manifetée enve moi. Je emecie également Victo Mete, mon ancien collègue de faculté et tè che ami, et Vioica, on époue, pou leu amitié et pou le temp qu on a paé enemble. Il ont beaucoup enoleillé le gi du Nod. Me emeciement vont aui à Guillaume Seille, Jame Flawn-Thoma (ancien élève HEI et un de pemie étudiant que j ai co-encadé lo de leu pojet fin d étude) et leu famille. Il ont devenu me ami et m ont fait découvi une patie de la Fance. Aui, je n oublie pa Piee Silva, Felipe Cota, Jean-Philippe Schaf Zanella, Thiey Sato et leu famille. Toute ce peonne ont beaucoup contibué pou que je puie m habitue avec la vie fançaie. Je péente me incèe emeciement à Madame Babaie, eponable du Sevice logement de l AEU. Elle m a toujou touvé une chambe, même dan de délai contaignant et an jamai pede on ouie éblouiant. Je emecie aui le conciege de éidence Valentine Chaendièe, Saint Michel, Foye Intenational, Teilhad de Chadin et Fancicain de Lille pou leu amabilité lo de me éjou à Lille. Un gand meci à Madame Iepan, mon pofeeu de fançai. Enfin, je emecie me paent pou tout ce qu il ont fait pou moi. Il e ont beaucoup acifié pou m offi toute le condition néceaie afin que je puie deveni ce que je ui. Ma econnaiance enve eux et inexpimable. Si j ai oublié quelqu un, je le pie de me padonne. Il y a tant de peonne qui ont intevenue dan ma vie pendant ce denièe année.
Sommaie Sommaie Avant-popo. Intoduction généale... 1 3 Patie I - Sytème inetiel de tockage d énegie (SISE)... 7 Chapite 1 Péentation du contexte... 1.1 Contexte actuel u le maché d électicité.. 10 1. Stockage de l énegie dan le éeaux électique.. 1 1..1 Technique de tockage à long teme.. 1 1.. Technique de tockage à cout teme... 13 1.3 Concluion.. 14 1.4 Réféence 14 Chapite Sytème inetiel de tockage d énegie. 17.1 Intoduction.. 18. Le volant d inetie 0..1 Conidéation généale. 0.. Elément de calcul de éitance....3 Dimenionnement de volant d inetie pou le SISE.. 4..4 Matéiaux utilié et caactéitique... 6.3 La machine électique.. 7.3.1 Conidéation généale. 7.3. Machine électique utiliée dan le SISE..... 8.4 Concluion 30.5 Réféence 31 Chapite 3 Modéliation mathématique de compoante du SISE et contôle de la machine électique du SISE..... 35 3.1 Intoduction u la modéliation de machine électique du SISE... 36 3.1.1 Axe de epèe claique.. 36 3.1. Axe de epèe dq... 37 3.1.3 Axe de epèe αβ... 38 3. Equation dynamique de la machine électique du SISE.. 39 3.3 Modéliation mathématique de la machine aynchone (MAS).. 40 3.3.1 Equation électique de la MAS dan le epèe dq 40 3.3. Equation électique de la MAS dan le epèe αβ 4 3.4 Commande vectoielle de la MAS... 43 3.5 Contôle diect en couple (DTC) de la MAS... 47 9 i
Sommaie 3.6 Modéliation mathématique de la machine ynchone à aimant pemanent (MSAP).. 53 3.6.1 Equation mathématique de la MSAP... 53 3.6. Fonctionnement de la MSAP au facteu de puiance unitaie... 53 3.7 Commande vectoielle de la MSAP. 57 3.8 Modéliation mathématique du convetieu électonique de puiance.. 59 3.8.1 Onduleu de tenion avec onde poteue... 59 3.8. Onduleu utilié pou le DTC.. 6 3.9 Modéliation mathématique du bu continu... 63 3.10 Concluion 65 3.11 Réféence.. 65 Chapite 4 Bilan énegétique du SISE 67 4.1 Intoduction.. 68 4. Pete et endement du convetieu électonique de puiance... 68 4..1 Pete en commutation. 68 4.. Pete en conduction 69 4.3 Pete et endement énegétique du ytème MAS + volant d inetie. 75 4.3.1 Etimation de pete Joule dan la MAS 75 4.3. Etimation de pete fe dan la MAS. 76 4.3.3 Etimation de pete pa fottement... 77 4.4 Bilan de puiance du SISE avec MAS... 79 4.5 Pete et endement du ytème MSAP + volant d inetie... 81 4.5.1 Etimation de pete Joule dan la MSAP. 81 4.5. Etimation de pete fe.. 81 4.5.3 Etimation de pete pa fottement... 81 4.6 Rendement du SISE avec MSAP... 83 4.7 Concluion... 84 4.8 Réféence 84 Patie II - SISE aocié au généateu éolien..... 85 Chapite 5 Aociation du SISE au généateu éolien... 5.1 Bef hitoique de généateu éolien... 88 5. Puiance founie pa le généateu éolien et containte... 89 5.3 Aociation du SISE au généateu éolien... 90 5.4 Concluion... 91 5.5 Réféence 9 Chapite 6 Contôle et upeviion du SISE aocié au généateu éolien. 93 6.1 Intoduction u le contôle du SISE aocié au généateu éolien. 95 6. Contôle du SISE aocié au généateu éolien... 95 6..1 Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle du bu continu pa le convetieu coté éeau.. 95 87 ii
Sommaie 6.. Contôle en vitee pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE 97 6..3 Contôle en couple pou le SISE, contôle vectoiel pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE 99 6..4 Contôle en couple pou le SISE, contôle diect en couple pou la MAS et contôle de bu continu pa le SISE.. 101 6..5 Amélioation de pefomance énegétique du DTC.... 103 6.3 Supeviion du SISE aocié au généateu éolien.. 105 6.3.1 Supevieu à puiance liée. 106 6.3. Supevieu à puiance contante... 107 6.3.3 Choix de la contante de temp du filte et dicuion u le éultat obtenu avec le deux type de upevieu. 108 6.3.4 Deuxième type de upevieu à puiance contante. 113 6.4 Concluion.. 115 6.5 Réféence 116 Patie III - Banc d eai et éultat expéimentaux 117 Chapite 7 Péentation du banc d eai 119 7.1 Deciption du banc d eai... 10 7.1.1 L émulateu de tubine éolienne (ETE)... 1 7.1. Le généateu ynchone à aimant pemanent (GSAP) 13 7.1.3 Le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE).. 13 7.1.4 La connexion au éeau (CAR)... 13 7. Le GSAP. 14 7..1 Détemination de paamète du GSAP. 14 7.. Réolution de poblème lié à l index de l encodeu incémental.. 14 7..3 Implantation du contôle vectoiel pou le GSAP.. 15 7.3 Poblème de compatibilité électomagnétique... 17 7.4 Communication ente le cate dspace DS 1103 et DS 1104. 18 7.5 Concluion... 18 7.6 Réféence. 18 Chapite 8 Réultat expéimentaux concenant le pefomance énegétique du SISE... 19 8.1 Rendement du SISE avec MAS et le contôle vectoiel.. 130 8. Rendement du SISE avec MAS et le DTC... 133 8.3 Rendement du SISE avec MSAP et le contôle vectoiel 134 8.4 Concluion... 136 8.5 Réféence 136 Chapite 9 Réultat expéimentaux concenant le SISE aocié au généateu éolien 137 9.1 Intoduction.. 138 9. Démaage du SISE aocié au généateu éolien 139 9.3 Réultat expéimentaux concenant contôle vectoiel de la MAS... 140 iii
Sommaie 9.3.1 Eai an puiance éactive aux bone du éeau 140 9.3. Eai avec puiance éactive aux bone du éeau 14 9.4 Réultat expéimentaux concenant le DTC de la MAS 144 9.4.1 Eai an puiance éactive aux bone du éeau 144 9.4. Eai avec puiance éactive aux bone du éeau 146 9.5 Compaaion du contôle vectoiel et du DTC dan le ca du SISE aocié au généateu éolien.... 147 9.6 Concluion.. 148 9.7 Réféence 149 Concluion généale et pepective 151 Annexe... 155 A.1 Application pécifique de SISE et compaaion avec d aute ytème de tockage... 157 A. Fabicant de ytème inetiel de tockage d énegie... 158 A.3 Le clae de endement adoptée en Euope pou le moteu aynchone à cage... 159 A.4 Détemination du flux d aimant pemanent de la MSAP... 160 A.5 Développement du upevieu à logique floue... 16 A.6 Catalogue technique Leoy Some pou la MSAP... 164 A.7 Cuiculum Vitae. 168 iv
Avant-popo La echeche péentée dan cet ouvage et le fuit de toi année de doctoat en cotutelle ente l Univeité Technique de Cluj-Napoca, en Roumanie, et l Ecole Nationale Supéieue d At et Métie, en Fance. En Roumanie, le tavail a été effectué à l Univeité Technique de Cluj-Napoca, au ein du Goupe de Petit Moteu Electique et Taction Electique. En Fance, le tavail et déoulé au ein de l équipe Réeaux Electique et Sytème Enegétique (RESE) du Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance (LEP) de Lille, dan le locaux de l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille. Le contexte de cette thèe a été uggéé en 1998 quand la ociété Noelec (ituée à Vequin et devenue Foclum Ingénieie en 001) poait le poblème de l augmentation du taux de pénétation de éolienne à vitee fixe dan le ite iolé, où le éolienne ont ouvent aociée à de généateu Dieel. Pou pemette cette augmentation, il et néceaie de lie la puiance généée pa le éolienne, ce qui néceite l ajout d un ytème de tockage à cout teme, tè dynamique, et le développement d une tatégie de commande de l enemble éolienne ytème de tockage. Cette poblématique a fait l objet d un pojet de echeche, aociant Noelec au LEP, financé pa la Région Nod-Pa de Calai. Le contexte égional a encouagé le développement de tavaux viant à augmente le taux de pénétation de éolienne dan le éeaux électique. Cela à caue du développement impotant péviible de l éolien dan la Région Nod-Pa de Calai. Une étude de RTE (getionnaie du éeau de tanpot d électicité) a évalué la capacité d accueil du éeau électique de la Région en éolienne claique (ne paticipant pa aux evice ytème) à envion 50 MW. Actuellement, plu de 600 MW d intallation éolienne ont en cou d étude dan la égion. A moyen teme, le feme éolienne devont donc paticipe aux evice ytème, i on veut dépae le 50 MW dont on a palé au-deu. Ce contat ont donc incité la Région à finance, dan le cade de on pogamme éolien, une thèe de doctoat u cette poblématique. Cette thèe de doctoat a démaé à la fin de l année 001, pa le tavail de Ludovic Leclecq [1], et a été outenue à la fin de l année 004. D aute thèe e ont uivie dan le cade du même pogamme en 00, 003 et 004, mai baée u d aute ouce de financement. L ouvage péent incit dan cette lite et a été démaé en 00. Le tavail de echeche péenté dan cette thèe a été financé pa pluieu ouce. C et le Minitèe Roumain de l Education et de la Recheche qui a aué la boue menuelle de doctoat duant la péiode de la thèe. Aui, deux pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie (CNCSIS) ont pemi l obtention d une patie de éultat théoique péenté dan cette thèe et aui le financement patiel de déplacement effectué à Lille [] et [3]. Bien û, il ne faut pa oublie le coté fançai, ca ce ont l HEI de Lille et l ENSAM de Lille qui ont paticipé altenativement au financement de me éjou en Fance. En effet, j ai effectué cinq tage de doctoat en cotutelle à Lille, chacun pou toi moi.
Avant-popo Réféence [1] L. Leclecq, «Appot de tockage inetiel aocié à de éolienne dan un éeau électique en vue d aue de evice ytème», Thèe de doctoat outenue au Laboatoie d Electotechnique et d Electonique de Puiance de Lille, 14 décembe 004. [] «Sytème inetiel de tockage d énegie», Pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie - CNCSIS, 00 004, Roumanie; eponable de pojet: Gabiel CIMUCA. [3] «Contôle diect en couple adapté à un ytème inetiel de tockage d énegie aocié à de généateu éolien», Pojet de echeche financé pa le Coneil National de la Recheche cientifique univeitaie - CNCSIS, 005, Roumanie; eponable de pojet: Gabiel CIMUCA.
Intoduction généale
Intoduction généale L objet de cette thèe concene le ouce à énegie enouvelable et plu paticulièement l énegie éolienne, qui ont en plein développement en Euope. Suite au taité de Kyoto, l Euope a décidé d encouage fotement l implantation de ouce à énegie enouvelable et la poduction décentaliée d électicité. Cela poe de vai poblème aux éeaux électique du point de vue de leu getion. Actuellement, le éolienne intallée dan le monde ne paticipent pa aux evice ytème. Elle ont conidéée comme de chage négative et ce ont le centale claique qui doivent aue la tabilité de éeaux électique. C et pouquoi, le taux de pénétation de éolienne et limité et ne peut pa dépae 0-30 % de l énegie conommée. Pou facilite l intégation de éolienne et l augmentation du taux de pénétation, il faut touve de olution pou qu elle puient paticipe à la getion du éeau. Cela change totalement la viion de éeaux électique [1]. Loqu on pale de la poduction claique d énegie électique, on pene à de gande centale (themique, nucléaie et gande hydocentale) placée dan quelque point bien déteminé. Ce centale ont inteconnectée pa le éeau de tanpot à haute tenion (typiquement upéieue à 30 kv) [1] et ont commandée d une manièe coodonnée qui peut ête conidéée centaliée. Le éeau de tanpot fome de cicuit maillé, afin d aue une bonne inteconnexion de généateu povenant de difféente centale. Le éeaux de ditibution ont alimenté pa un nombe eteint de pote de tanfomation à pati du éeau de tanpot. Ce éeaux ont de tuctue adiale et tavaillent au deou de 30 kv [1]. Actuellement, le éeaux de ditibution ne compotent patiquement pa de ouce d énegie. Il ont utilié eulement pou alimente le conommateu. La poduction décentaliée concene de nombeue ouce d énegie, dont le puiance ne dépaent pa 100 MW, et dont la plupat ont connectée aux éeaux de ditibution. Ce ouce ne ont pa planifiée d une manièe centaliée. Elle ont intallée pa de poducteu indépendant et dan une multitude de ite. La patique actuelle, de ne pa faie paticipe la poduction décentaliée aux evice ytème, doit change à caue du développement de ce type de poduction. Donc, le nouveaux type de ouce d énegie doivent ête capable à aue de evice ytème: églage de la tenion, églage de la féquence, églage de la puiance éactive, paticipation à la épatition de chage, capacité de démaage en autonome ou black-tat et fonctionnement en îlotage. En aion du caactèe tè fluctuant et aléatoie du vent, une éolienne eule ne peut pa paticipe aux evice ytème. Il faut ajoute de ytème de tockage d énegie pemettant d avoi une éeve upplémentaie d énegie. Afin d aue l équilibe poduction / conommation, un ytème de tockage de type inetiel et enviagé [] et [3]. Il y a pluieu aion pou ce choix: bonne dynamique, bon endement, duée de vie imilaie à l éolienne, etc. L objectif généal de cette thèe et d étudie l aociation d un ytème inetiel de tockage d énegie au généateu éolien afin de contitue un enemble capable de founi de evice ytème ou de fonctionne en îloté. Le tavail de toi an de echeche et péenté dan cette thèe, étant tuctué en toi patie. 4
Intoduction généale La pemièe patie taite excluivement le ytème inetiel de tockage d énegie. On intéee u: le contexte actuel u le maché de l électicité et le beoin de tockage d énegie; le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE); on péente le type de SISE, le bae phyique, le poblème concenant le dimenionnement du volant d inetie et le choix de la machine électique incopoée. la modéliation mathématique du SISE, le pincipe de commande de machine électique concenée et le modèle mathématique de convetieu électonique de puiance; on enviage deux type de SISE: avec machine aynchone (MAS) et avec machine ynchone à aimant pemanent (MSAP). bilan énegétique du SISE; on péente le modèle de pete dan la machine électique incopoée et dan le convetieu électonique de puiance, et on fait une etimation du endement du SISE. La deuxième patie taite de l aociation d un SISE avec un généateu éolien. Dan cette patie on intéee u: le poblème concenant la puiance généée pa un généateu éolien eul, le poibilité d aocie un SISE avec le généateu éolien et le poibilité de contôle de la puiance généée; le pincipe de contôle et de upeviion du SISE aocié au généateu éolien; on péente de pincipe de contôle du SISE et de éultat de imulation afin d etime le pefomance. Enuite, on péente de pincipe de upeviion du SISE, afin de le mainteni dan e limite de fonctionnement nomal. De imulation ont faite pou etime l efficacité de méthode de upeviion. Dan le pemièe deux patie, on péente de pincipe théoique. Cependant, une gande patie du temp de echeche a concené la éaliation d une platefome expéimentale detinée à l implantation patique de pincipe développé en théoie. Cette platefome expéimentale a été éaliée à l Ecole de Haute Etude d Ingénieu (HEI) de Lille, dan le Laboatoie de l Electotechnique et de l Electonique de Puiance (LEP) de Lille. La toiième patie de la thèe pote u: la platefome expéimentale; on péente le compoante pincipale du banc d eai et quelque poblème pécifique qui ont appau duant le tavail. le expéimentation éaliée pou valide le éultat de imulation péenté dan la pemièe patie; le expéimentation éaliée pou valide le pincipe et le éultat de imulation péenté dan la deuxième patie. La thèe finit pa une concluion généale éuniant le concluion de tout le chapite. On péent aui le contibution oiginale et de pepective de la thèe. 5
Intoduction généale Réféence [1] M. Cappe, «Commande et égulation de éeaux électique», Hemè Science, Pai 003. [] J. P. Baton and D. G. Infield, Enegy Stoage and It Ue With Intemittent Renewable Enegy, IEEE Tanaction on Enegy Conveion, vol. 19, no., June 004, pp. 441 448. [3] EUR 19978 Bochue: Enegy Stoage - A Key Technology fo Decentalized Powe, Powe Quality and Clean Tanpot, Office fo Official Publication of the Euopean Communitie, Luxemboug, 001, www.codi.lu/eed/c/lib_mic.htm. 6
Pemièe patie SYSTEME INERTIEL DE STOCKAGE D ENERGIE (SISE) Réumé La pemièe patie de la thèe concene le ytème inetiel de tockage d énegie (SISE). On péente le contexte actuel u le maché de l électicité et le poibilité actuelle de développement de ytème de tockage d énegie, notamment de SISE. Enuite, on continue avec la péentation de SISE et on dicute le poblème technologique concenant la contuction de ce ytème. Deux chapite ont éevé qu développement de modèle mathématique de compoante du SISE et de modèle de pete d énegie. Cette patie de la thèe finit pa la péentation de imulation faite pou etime le endement énegétique pou deux type de SISE: le SISE avec machine aynchone à cage et le SISE avec machine ynchone à aimant pemanent.
Chapite 1 Péentation du contexte 8
Chapite 1 Péentation du contexte Chapite 1 Péentation du contexte Réumé Ce chapite péente le contexte actuel u le maché de l électicité, le poibilité de développement pou le ytème de tockage de l énegie électique et quelque méthode utiliée pou tocke l énegie électique. Le développement de ouce de poduction décentaliée met en évidence de poblème nouveaux concenant le beoin de ytème de tockage d énegie. On a beoin de ytème de tockage à cout teme pou pouvoi aue la égulation du éeau électique et on a beoin de ytème de tockage à long teme pou une meilleue utiliation de centale électique. 9
Chapite 1 Péentation du contexte 1.1. Contexte actuel u le maché d électicité La libéaliation du maché de l électicité et le développement de la poduction décentaliée exigent une nouvelle appoche de poblème concenant le éeaux électique. Il y a de nombeux poblème nouveaux engendé pa la multitude de nouvelle ouce d énegie, ditibuée géogaphiquement et e développant apidement. D aute poblème e poent aui pou l aveni de la getion de éeaux électique [1] - [3]. Le tockage d énegie joue un ôle flexible et multifonctionnel dan le éeau d alimentation d énegie électique, en auant un management plu efficace de eouce diponible. En combinaion avec le ytème de poduction d énegie électique pa la conveion de énegie enouvelable, le Sytème de Stockage d Enegie (SSE) peuvent augmente la valeu de l énegie électique généée pa le centale éolienne ou olaie, en founiant de l énegie pendant le péiode de pointe et en accumulant l énegie pendant le péiode où la demande d énegie et éduite. De plu, le SSE facilitent l intégation de ouce d énegie enouvelable, comme le éolienne et panneaux photovoltaïque, dan le ytème énegétique. Statégiquement placé, le SSE peuvent augmente l efficacité du ytème exitant de tanmiion et de ditibution de l énegie électique. Le SSE peuvent ête utilié pou éduie le pointe de chage dan une tation d alimentation d énegie électique. Cela peut élimine le centale fonctionnant eulement pendant le péiode de pointe et pemette une meilleue utiliation de centale fonctionnant en égime pemanent (Fig. 1.1). Aui, le SSE event pou augmente la qualité de l énegie électique, en auant un meilleu contôle de la féquence et de la tenion. Fig. 1.1. Amélioation de la qualité d énegie électique et élimination de centale de cête (ouce www.electicitytoage.og) 10
Chapite 1 Péentation du contexte puiance (kw) 400 350 300 50 00 150 100 50 0 0 50 100 150 00 50 300 temp () Fig. 1.. Exemple de puiance généée pa une éolienne à vitee fixe de 300 kw Le poblème majeu aocié aux ouce d énegie décentaliée et qu elle ne paticipent en généal pa aux evice ytème (églage de la tenion, de la féquence, démaage en autonome ou black-tat, poibilité de fonctionne en îlotage, etc.). Le fait de ne pa paticipe aux evice ytème amène ce type de ouce à e compote comme de généateu paif du point de vue électique. Le églage de la tenion et de la féquence et dè lo epoté u le altenateu claique. Le taux de pénétation de la poduction décentaliée, c et-à-die la puiance qu elle génèe pa appot à la puiance conommée, doit alo ête limité afin de pouvoi gaanti la tabilité du éeau dan de condition acceptable [3]. Ceci et paticulièement vai pou le ouce à énegie enouvelable dont la ouce pimaie et difficilement péviible et tè fluctuante, comme c et le ca de l éolien pou lequel cetain etou d expéience indiquent que lo de taux de pénétation upéieu à 0 ou 30% de poblème de tabilité peuvent appaaîte [3]. La figue 1. monte un enegitement de la puiance généée pa une éolienne à vitee fixe de 300 kw (ancien ite éolien de Dunkeque) oumi à un vent moyen de 1 m/. Cet enegitement, qui illute le caactèe tè fluctuant de la puiance généée pa ce type d éolienne, monte que cette puiance peut ubi de vaiation de plu de 100 kw en 3 ec. Le ytème de poduction décentalié ont fot enible aux petubation du éeau. Le ceux de tenion ou le vaiation de féquence entaînent ouvent la déconnexion de la poduction lo d un incident u le éeau. Cette déconnexion peut aggave un dééquilibe poduction / conommation et, pa effet domino, accélée l avènement d un incident majeu dan le éeau. D aute pat, la poibilité de fonctionne en îloté pemettait à la poduction décentaliée de continue à alimente de conommateu iolé du éeau uite à un défaut u celui-ci, et aini de limite le nombe de client affecté pa ce défaut. L îlotage ete cependant intedit actuellement pou de aion de écuité de peonne et du matéiel. A ce jou, le éolienne ne paticipent pa au églage de la poduction. Cependant, ce fait doit ête changé à caue de l augmentation continue de leu taux de pénétation dan le éeaux électique. En aion de la ouce pimaie de ce ytème de poduction d énegie (le vent), qui et tè aléatoie et impéviible, une éolienne eule ne peut pa faie le églage de la poduction. Donc, on a beoin d un ytème de tockage jouant le ôle de tampon ente la ouce et le conommateu. Le ytème de tockage doit ête aez dynamique afin qu il oit capable d agi en temp éel, en fonction de fluctuation de la puiance généée et conommée. L augmentation du taux de pénétation de la poduction décentaliée ea donc conditionnée à la paticipation aux evice ytème de cette poduction. La paticipation au églage de la tenion en 11
Chapite 1 Péentation du contexte abobant ou en injectant de la puiance éactive tend à e développe, ca elle et actuellement impoée, en Fance notamment, pa la légilation [4]. 1.. Stockage de l énegie dan le éeaux électique L électicité ne peut ête tockée facilement et néceite a tanfomation ou une aute fome d énegie (chimique, themique, potentielle, mécanique, etc.). Le tockage de l énegie électique contitue une de compoante d un futu développement duable. Il y a pluieu méthode de tockage d énegie pouvant ête difféenciée en deux catégoie : Stockage à long teme (temp de tockage upéieu à 10 min); Stockage à cout teme (temp de tockage inféieu à 10 min). Enuite le technique de tockage le plu connue ont péentée bièvement. 1..1. Technique de tockage à long teme Stockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l eau Nommée aui tockage pa pompage hydaulique, et une méthode utiliée depui 199, étant la plu vieille technologie de tockage d énegie dan le centale. En effet, juqu à 1970, c était la eule option diponible u le maché pou tocke de gande quantité d énegie. Un tel ytème compote deux gand éevoi itué à de hauteu difféente. L eau et pompée du éevoi inféieu au éevoi upéieu, où elle et tockée. En fonction de la demande, l eau peut eveni au éevoi inféieu, mai en taveant une ou pluieu tubine hydaulique tanfomant l énegie potentielle de l eau en énegie mécanique. Enuite, de généateu entaîné pa le tubine tanfoment l énegie mécanique en énegie électique. De tel ytème peuvent founi juqu à 1000 MW, mai il ont conditionné pa le containte géogaphique, géologique, envionnementale et le coût aez élevé de leu contuction. Cependant, en Fance, 400 MW de tockage de ce type ont intallé. Stockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l ai compimé Le tockage d énegie ou fome d énegie potentielle de l ai compimé (CAES, d apè le nom anglai : Compeed-Ai Enegy Stoage) contitue une aute altenative, appaue un peu plu tad. Cette technologie de tockage compote un gand éevoi outeain, bien étanche, où l on peut tocke de l ai compimé. En fonction de la demande, l ai compimé et délivé à une tubine à gaz entaînant un généateu électique. Aini, l énegie potentielle de l ai compimé et tanfomée en énegie électique. Le pemie CAES commecial a été éalié en Allemagne à Hundof, en 1978, et peut founi 90 MW. Comme pou le tockage hydaulique, la contuction de CAES et conditionnée aux containte géogaphique et géologique. Toutefoi, il y a déjà pluieu CAES contuit en Euope et aux Etat-Uni, en utiliant d ancienne mine de chabon ou de el, de vieux puit de pétole et de cavene outeaine étanche. Stockage d énegie ou fome d énegie chimique Le tockage d énegie ou fome chimique dan le batteie électochimique et de loin la technique la plu épandue pou le tockage de l énegie électique. En fonction du type de batteie, difféente éaction chimique ont povoquée en utiliant l énegie électique et en la tockant ou fome d énegie chimique. En fonction de la demande, de éaction chimique inveée poduient de l électicité. Le pemie et le plu utilié u le maché a été l accumulateu au plomb dont pluieu amélioation le endent encoe compétitif u le maché. Etant diponible u une plage de puiance 1