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N° d’ordre : 100 ECOLE CENTRALE DE LILLE THESE Présentée en vue d’obtenir le gr

N° d’ordre : 100 ECOLE CENTRALE DE LILLE THESE Présentée en vue d’obtenir le grade de DOCTEUR en Spécialité : Génie Electrique par Peng LI DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE Titre de la thèse : Formalisme pour la Supervision des Systèmes Hybrides Multi-Sources de Générateurs d’Energie Répartie : Application à la Gestion d’un Micro Réseau Soutenue le 19 juin 2009 devant le jury d’examen : Président Jean-Paul HAUTIER, Professeur, ENSAM ParisTech Rapporteur Bernard MULTON, Professeur des Universités, ENS de Cachan Rapporteur Jean-Claude VANNIER, Professeur, SUPELEC Membre Didier MAYER, Professeur, MINES ParisTech Membre Xavier LE PIVERT, Expert sénior, CEA-INES Codirecteur de thèse Benoît ROBYNS, Professeur, L2EP, HEI Codirecteur de thèse Philippe DEGOBERT, Maître de Conférences, L2EP, ENSAM ParisTech Directeur de thèse Bruno FRANCOIS, Maître de Conférences HDR, L2EP, E.C.Lille Thèse préparée dans le Laboratoire L2EP, EA2697 Ecole Doctorale SPI 072 I Remerciements Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP) dans le cadre du Centre National de Recherche Technologique (CNRT). Tout d’abord, je tiens à remercier Bruno François, Maître de conférence HDR à l’Ecole Centrale de Lille et directeur de cette thèse pour le soutien qu’il a bien voulu m’accorder tout au long de la thèse. Je le remercie pour ses aptitudes pédagogiques dont il a fait preuve, pour ses remarques constructives, pour la qualité des discutions qui ont ponctuées ce travail. Je le remercie également pour son aide précieuse et continuelle pendant la rédaction de ce mémoire. Sans lui, ce travail n’aurait peut-être pas abouti. Je remercie aussi Philippe Degobert, Maître de Conférences au centre Arts et Métiers ParisTech de Lille, pour sa proposition de thèse très intéressante, pour l’orientation scientifique pendant ce travail, et pour son soutien dans mes publications et différentes expérimentations. Je remercie à Benoît Robyns, Professeur à HEI, Responsable de l’Equipe Réseaux du L2EP, pour ses discutions et propositions constructives. Pour leur participation à l’évaluation scientifique de ces travaux, je tiens également à remercier : - Bernard Multon, Professeur à l’ENS de Cachan, et Jean-Claude Vannier, Professeur à Supélec, pour avoir accepté d’être rapporteur et juger ce travail ; - Jean-Paul Hautier, Professeur à l’ENSAM ParisTech, pour avoir accepté d’être président dans le jury. - Didier Mayer, Professeur aux MINES ParisTech, et Xavier Le Pivert, Expert sénior à CEA-INES, pour avoir accepté d’être dans le jury. Je remercie également à Xavier Guillaud, Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail, et pour son aide au niveau de l’expérimentation. Je remercie à tous les docteurs et doctorants qui travaillent sur la plate-forme « Energies Réparties » du centre Arts et Métiers ParisTech de Lille, Frédéric Colas, Fabrice Locment, Remy Ghislain, Fouad Salha, Vincent Courtecuisse et Firas Alkhalil pour leur collaboration et leur aide pour ce mémoire. Je ne peux pas clore mes remerciements sans rendre un hommage à toute l’équipe du laboratoire ainsi qu’à tous ceux qui ont contribué à la concrétisation de ce travail. Je ne voudrais pas oublier tous les doctorants et docteurs du laboratoire pour leur sympathie et pour la bonne ambiance de travail au sein du laboratoire : Antoine Bruyère, Julien Gomand, Olivier Ruelle, Yvan Crévits, Walter Lhomme, Keyu Chen, Tao Zhou, Sangkla Kreuawan, Di Lu, Ling Peng, He Zhang, Hicham Fakham, Guillaume Krebs, Richard Demersseman, Roman Gaignaire, Alain Bouscayrol, Xavier Kestelyn, Eric Semail, Richard Béarée, Stéphane Clénet et Michel Bertrand. A cette occasion, j’aimerais également remercier à Robert Bausière, Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille, pour m’avoir accueilli en Master Recherche ; II Philippe Delarue, Maître de Conférence à l’Université des Sciences et Technologies de Lille, et Philippe Le Moigne, Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, pour leurs encadrements en stage de Master Recherche. Enfin, que ce mémoire soit pour moi l’occasion d’exprimer toute ma reconnaissance à ma famille, surtout à mon épouse Ying, pour leur patience et le soutien réel qu’elle m’a apporté pendant ces années. III Table des matières Table des matières ................................................................................................................. III Nomenclatures des acronymes et conventions.....................................................................XI Introduction générale............................................................................................................... 1 Partie I Méthodologie de conception des supervisions locales et dispositifs de commande des unités de production et de stockage ........................................................... 7 Présentation des objectifs et méthodologie ................................................................................ 8 Chapitre I. Formalismes existants et leurs limites .............................................................. 11 I.1. Introduction................................................................................................................ 12 I.2. Principe général pour la modélisation des processus................................................. 12 I.2.1. Notion de processus........................................................................................ 12 I.2.2. Objectifs de la modélisation............................................................................ 13 Modèles de connaissance ................................................................................. 13 Modèles de représentation................................................................................ 13 Modèles pour l’optimisation ............................................................................ 13 Modèles pour la conception de la commande.................................................. 13 I.2.3. Différents types de modèles............................................................................ 14 Modèles mathématiques................................................................................... 14 Modèle d’état.................................................................................................... 14 Modèles de données (Fichiers)......................................................................... 14 Modèles à base de règles (Linguistique).......................................................... 14 Modèles graphiques.......................................................................................... 14 I.2.4. Quelques exemples de modèles graphiques.................................................... 15 Les schémas fonctionnels................................................................................. 15 Les graphes de fluence..................................................................................... 15 Les réseaux de Petri et les Grafcets.................................................................. 15 Le Bond Graph................................................................................................. 16 Le GIC (Graphe Informationnel Causal) ......................................................... 16 La REM (Représentation Energétique Macroscopique) .................................. 16 Autres outils graphiques................................................................................... 16 I.3. Application à la modélisation et à la commande d’un système de production à base de turbine à gaz ..................................................................................................................... 16 I.3.1. Présentation de l’étude.................................................................................... 16 I.3.2. Modélisation de la micro turbine.................................................................... 17 Conversion de l’énergie primaire..................................................................... 17 Partie mécanique .............................................................................................. 19 I.3.3. Modélisation de la génératrice........................................................................ 20 Machine synchrone à aimant permanent.......................................................... 20 IV Transformations mathématiques ...................................................................... 20 Modélisation des circuits d’induit.................................................................... 22 Modélisation de la partie électromécanique..................................................... 23 I.3.4. Modélisation de la chaîne de conversion électronique ................................... 24 Modélisation des convertisseurs statiques........................................................ 24 Modélisation du bus continu ............................................................................ 25 I.3.5. Modélisation du filtre réseau .......................................................................... 26 I.3.6. Modèles graphiques du système complet de génération................................. 30 I.3.7. Dispositif de commande ................................................................................. 31 I.3.8. Contrôle de la liaison au réseau ...................................................................... 32 Contrôle de l’onduleur ..................................................................................... 32 Contrôle des courants générés sur le réseau..................................................... 32 Principe............................................................................................................. 32 Les transformations inverses............................................................................ 32 Correcteurs ....................................................................................................... 33 I.3.9. Contrôle de la machine ................................................................................... 36 Contrôle du redresseur ..................................................................................... 36 Les transformations inverses............................................................................ 36 Contrôle des courants de l’induit de la machine synchrone............................. 37 Contrôle du couple et du flux........................................................................... 37 I.3.10. Contrôle de la micro turbine ......................................................................... 39 Contrôle de l’injection...................................................................................... 39 Contrôle de la vitesse de l’arbre....................................................................... 40 I.3.11. Problèmes posés par les formalismes existants............................................. 40 I.4. Application au système de production à base de panneaux photovoltaïques............. 41 I.4.1. Introduction..................................................................................................... 41 I.4.2. Modélisation ................................................................................................... 41 I.4.3. Modélisation de la chaîne de conversion électronique ................................... 44 Connexion au réseau ........................................................................................ 44 Filtre PV........................................................................................................... 44 Hacheur ............................................................................................................ 44 I.4.4. Modèles graphiques du système de génération REM..................................... 45 Bond Graph ...................................................................................................... 45 I.4.5. Dispositif de commande ................................................................................. 46 I.4.6. Contrôle des panneaux PV.............................................................................. 47 Contrôle du filtre PV........................................................................................ 47 Contrôle du bus continu PV ............................................................................. 48 I.4.7. Contrôle de la liaison au réseau ...................................................................... 49 I.4.8. Problèmes posés par les formalismes existants .............................................. 49 I.5. Discussion et Conclusions ......................................................................................... 49 Chapitre II. Représentation Multi-Niveaux......................................................................... 51 II.1. Introduction .............................................................................................................. 52 II.2. Modélisation Multi-Niveaux .................................................................................... 52 V II.2.1. Présentation ................................................................................................... 52 II.2.2. Modèles d’un hacheur ................................................................................... 52 a) Présentation de l’étude................................................................................. 52 b) Modèle instantané ........................................................................................ 53 c) Modèle moyen.............................................................................................. 54 d) Modèle en puissance instantanée et moyennée............................................ 55 e) Modélisation des flux de puissance.............................................................. 56 f) Propositions pour une modélisation multi niveau ........................................ 57 II.2.3. Modèles mathématiques d’un bus continu .................................................... 58 a) Présentation de l’étude................................................................................. 58 b) Modèle instantané ........................................................................................ 58 c) Modèle moyen.............................................................................................. 59 d) Modèle en puissance instantanée et moyennée............................................ 59 e) Modélisation des flux de puissance.............................................................. 60 f) Propositions pour une modélisation multi niveau ........................................ 61 II.2.4. Modèles d’un filtre du 1er ordre..................................................................... 62 a) Présentation de l’étude................................................................................. 62 b) Modèle instantané ........................................................................................ 63 c) Modèle moyen.............................................................................................. 63 d) Modélisation en puissance instantanée et moyennée................................... 63 e) Modélisation des flux de puissance.............................................................. 64 f) Propositions pour une modélisation multi niveau ........................................ 65 II.2.5. Modèles d’un onduleur triphasé à source de tension..................................... 66 a) Présentation de l’étude................................................................................. 66 b) Modèle instantané ........................................................................................ 66 c) Modèle moyen.............................................................................................. 67 d) Modèle en puissance instantanée et moyenne ............................................. 70 e) Modélisation des flux de puissance.............................................................. 74 f) Propositions pour une modélisation multi niveau ........................................ 75 II.2.6. Modèles d’un filtre triphasé du 1er ordre ....................................................... 75 a) Présentation de l’étude................................................................................. 75 b) Modèle instantané vectoriel ......................................................................... 76 c) Modèle moyen.............................................................................................. 76 d) Modélisation en puissance instantanée et moyennée................................... 77 e) Modélisation des flux de puissance.............................................................. 78 f) Propositions pour une modélisation multi niveau ........................................ 79 II.2.7. Application à la modélisation d’un système électrique ................................. 79 II.3. Structuration de la commande hiérarchique ............................................................. 81 II.3.1. Principe.......................................................................................................... 81 II.3.2. Conception de l’Automate de Commande Rapprochée ................................ 82 a) Modulation................................................................................................... 82 b) Commande algorithmique............................................................................ 83 Règle générale propre aux convertisseurs ....................................................... 83 Règle générale propre aux éléments de stockage............................................. 84 VI Règles de blocage imposées par les grandeurs difficilement mesurables........ 88 II.3.3. Automate de Commande Eloignée ................................................................ 89 a) Principe ........................................................................................................ 89 b) Niveau ‘Supervision de la puissance’.......................................................... 89 c) Niveau ‘Contrôle des puissances’, règle générale ....................................... 91 Règle de passage pour le ‘Contrôle des puissances‘ ....................................... 91 II.3.4. Automate de Contrôle des Modes de Marche................................................ 99 II.4. Conclusion................................................................................................................ uploads/Science et Technologie/ phd09-pl-pdf.pdf