Commande d'un dispositif de stockage d'énergie par chaine de supercondensateurs avec raccordement direct sur réseau CA et/ou CD

Avec entre autres l'arrivée des supercondensateurs de grande capacité (plusieurs milliers de Farads), l'intérêt de les utiliser pour stocker de l'énergie est en plein essor. En effet, les supercondensateurs ont une plus grande densité de puissance que les batteries (de 1000 à 5000 W/kg pour les supercondensateurs contre 150 W/kg pour les batteries), c'est-à-dire qu'ils peuvent restituer l'énergie plus rapidement. Néanmoins, on continue tout de même à souvent utiliser des batteries en complément aux supercondensateurs, car ces derniers ont une densité d'énergie plus faible que celle des batteries (de 4 à 6 Wh/kg pour les supercondensateurs contre 50 à 1500 Wh/kg pour les batteries). À cause de leur conception, les supercondensateurs ne peuvent pas atteindre une grande tension, typiquement 2.7 à 2.85 V. Afin d'alimenter des appareils de plus haute tension, il est possible de les mettre en série. Dans ce cas, leurs tensions vont s'additionner. Lorsqu'ils sont en série, un problème survient pendant leur recharge car, ayant des capacités différentes (± 20%), ils se rechargent à des vitesses différentes. Il y a des risques de destruction d'un supercondensateur s'il atteint une tension plus haute que celle qu'il peut supporter. Il sera aussi plus rapidement endommagé selon sa courbe de charge et de décharge. Il faut donc d'une part un moyen de protéger individuellement chaque condensateur contre les surtensions, et d'autre part, assurer la possibilité de charger chaque supercondensateur à son maximum de tension, afin de profiter du maximum de potentiel de stockage de l'ensemble du groupe. Certains systèmes existent déjà pour égaliser la tension lors de la charge et seront analysés dans la revue de littérature. Le concept de SUPERCAPS présenté dans ce mémoire est un concept modulaire de stockage d'énergie par supercondensateurs. Contrairement à tous les systèmes de stockage par supercondensateurs existants, ce concept ne requiert pas de convertisseur de puissance entre l'organe de stockage, le réseau et/ou le système à alimenter. La cellule de stockage, telle qu'elle est conçue, permet de réaliser de façon intrinsèque la fonction de conversion de tension ou de courant selon tous les modes possibles, soit CA-CA, CA-CC, CC-CA, CC-CC. Cela en fait donc un convertisseur de puissance universel. Dans le cadre de ce mémoire une cellule comprend 2 supercondensateurs contrôlés par 4 transistors. Avec cette architecture, les supercondensateurs peuvent se charger et se décharger lorsqu'ils sont en série dans la branche, ou d'avoir une tension constante si le supercondensateur est contourné par le courant qui circule dans la branche.

Abstract

With among others the arrival of the supercapacitors of large capacity (several thousand Farads), the interest to use them to store energy is rapidly expanding. Indeed, supercapacitors have a bigger power density than batteries (of 1000 in 5000 W/kg for supercapacitors against 150 W/kg for batteries), that is to say they can restore energy more quickly. Nevertheless, batteries are often used to complement the supercapacitors, because supercapacitors have a lower density of energy than batteries (of 4 in 6 Wh / kg for supercapacitors against 50 in 1500 Wh / kg for batteries). Because of their design, supercapacitors cannot reach a high voltage, typically 2.7 to 2.85 V. In order to power higher voltage devices, it is possible to put them in series. In this case, their voltages will add up. A problem occurs during their recharge because, having different capacities (± 20%), they charge at different rates. There are risks of destruction of a supercapacitor if it reaches a higher voltage than it can withstand. Also it will be damaged more quickly according to its load and discharge curve. It is therefore necessary, on the one hand, to protect each capacitor individually against overvoltages and, on the other hand, to ensure that each supercapacitor can be charged to its maximum voltage in order to take advantage of the maximum storage potential of the assembly of the group. Some systems already exist to equalize the voltage during charging and will be analyzed in the literature review. The concept of SUPERCAPS presented in this report is a modular concept of energy storage by supercapacitors. Unlike all existing supercapacitor systems, this concept does not require a power converter between the storage device, the network and/or the system to be powered. The storage cell, such as it is designed, allows to realize in an intrinsic way the function of voltage or current conversion according to all the possible modes, such as AC-AC, AC-DC, DC-AC, DC-DC. It thus makes a universal converter of power. In the context of this work, a cell includes 2 supercapacitors controlled by 4 transistors. With this architecture, the supercapacitors can be charged and discharged when they are in series in the branch, or maintaining a constant voltage if the supercapacitor is bypassed by the current flowing in the branch. This makes it possible to have a variable number of supercapacitors in series and thus a variable voltage depending on the command. These cells are used to store energy from an AC or DC source and to supply a resistive load with an AC or DC voltage and the voltage is distributed in the supercapacitors.