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Theses Year : 2005

Flywheel energy storage system associated to the wind generators

Système inertiel de stockage d'énergie associé à des générateurs éoliens

Gabriel-Octavian Cimuca
  • Function : Author

Abstract

The big problem of the decentralized renewable energy sources is that they do not participate to the ancillary services (voltage regulation, frequency regulation, black-start, operation in islanding). For this reason, this energy sources are considered as negative charges for the power system. The voltage and frequency regulation are reported on the classical generators, form the big power plants. The penetration rate of the decentralized energy production, i.e. the ration between its generated power and the consumed power, must be limited in order to keep the good control of the power system. This is particularly right for the renewable energy sources whose the primary source is very fluctuant and very difficult to predict. Consequently, for the wind generators, the penetration rate is limited at 20 - 30 %. Even if actually the wind generators do not participate to the ancillary services, this must be changed because of the augmentation of the installed wind systems. Because of the primary source of theses generators (the wind), which is very fluctuant and unpredictable, a stand-alone wind generator cannot ensure the control of the generated power. So, we need a storage system operating as an energy buffer between the generator and the consumer. The storage system must have a high dynamics in order to operate in real time, in function of the generated and consumed power fluctuations, respectively. The flywheel energy storage system (FESS) is appropriated for this type of application because of its characteristics: high dynamics, good efficiency, long lifetime (similar to the wind generators), ecological system, etc. So, the first aim of this work was the study of the FESSs form the point of view of their association with the wind generators. The second target was to developing the control and supervision methods for a FESS associated with variable speed wind generator. The aim was to control the power flow between the generator and the consumer, in order allow these generators to participate at the ancillary services and to operate in islanding. Finally, the third target was to develop a test bench allowing the particle implementation of the theoretical principles.
Le problème majeur associé aux sources d'énergie décentralisées est qu'elles ne participent en général pas aux services système (réglage de la tension, de la fréquence, démarrage en autonome ou black-start, possibilité de fonctionner en îlotage, etc.). Le fait de ne pas participer aux services système amène ce type de source à se comporter comme des générateurs passifs du point de vue électrique. Le réglage de la tension et de la fréquence est dès lors reporté sur les alternateurs classiques. Le taux de pénétration de la production décentralisée, c'est-à-dire la puissance qu'elle génère par rapport à la puissance consommée, doit alors être limité afin de pouvoir garantir la stabilité du réseau dans des conditions acceptables. Ceci est particulièrement vrai pour les sources à énergie renouvelable dont la source primaire est difficilement prévisible et très, comme c'est le cas de l'éolien pour lequel certains retours d'expérience indiquent que lors de taux de pénétration supérieur à 20 ou 30 % des problèmes de stabilité peuvent apparaître. Même si actuellement les éoliennes ne participent pas au réglage de la production, cela doit être changé à cause de l'augmentation continue de leurs taux de pénétration dans les réseaux électriques. En raison de la source primaire de ces systèmes de production d'énergie (le vent), qui est très aléatoire et imprévisible, une éolienne seule ne peut pas faire le réglage de la production. Donc, on a besoin d'un système de stockage jouant le rôle de tampon entre la source et le consommateur. Le système de stockage doit être assez dynamique afin qu'il soit capable d'agir en temps réel, en fonction des fluctuations de la puissance générée et consommée. Le système inertiel de stockage d'énergie (SISE) est approprié pour ce type d'application en raison de ces caractéristiques: bonne dynamique, bon rendement, durée de vie similaire à l'éolienne, écologique, etc. Donc, le premier but de ce travail a été de faire une étude approfondie sur les SISEs. L'étude a été faite du point de vue de l'association du SISE avec un générateur éolien. Le deuxième objectif de la thèse a été d'étudier et de proposer des méthodes de contrôle et supervision d'un SISE associé à un générateur éolien à vitesse variable. Le but est de contrôler le transit de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge isolée, afin de rendre les systèmes éoliens capables à fournir des services systèmes et de fonctionner en îloté. Enfin, le troisième objectif a été de réaliser une plateforme expérimentale permettant l'implantation pratique et l'expérimentation des principes développés en théorie.
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Dates and versions

pastel-00001955 , version 1 (02-03-2007)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00001955 , version 1

Cite

Gabriel-Octavian Cimuca. Flywheel energy storage system associated to the wind generators. Engineering Sciences [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2005. English. ⟨NNT : 2005ENAM0027⟩. ⟨pastel-00001955⟩

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