Design Optimization Methodology for Power Converters based on Global Energy Requirement Criteria. Application to a Flyback DC-DC Structure

International audienceThis paper discusses a design methodology for power electronic converters according to the Global Energy Requirement (GER) criterion, i.e. the primary energy consumption over their entire life cycle. For given specifications of the converter, each power component of a self-oscillating flyback converter and the main control parameters are optimized using scaling laws for given technologies. Models linking sizes of components, loss parameters and embodied energy parameters are presented. Finally a comparison is realized between a GER-designed converters and a classical one (designed from thermal criteria) which concludes to an improvement of efficiency for a given consumption profile

Une approche de dimensionnement sur cycle de vie pour l'analyse du potentiel de la distribution en courant continu dans le bâtiment

National audienceLe nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment (apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques) pose à nouveau la question de la distribution en continu au sein des bâtiments. Dans un contexte où l'énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d'importance, la quantification des performances d'un tel système selon sa seule phase d'usage (pertes énergétiques) ne répond pas complètement à la question de l'impact global des usages. Dans cette optique nous proposons d'éco-dimensionner les composants constituant ce système sur la base d'une minimisation de l'énergie primaire qu'ils consomment pendant tout le cycle de vie (pertes + énergie grise), l'un des objectifs étant d'évaluer le niveau de tension optimale pour ce réseau de distribution en courant continu. Cet article présente les modèles élaborés pour les éléments de puissance pour déterminer les pertes et l'énergie grise, ensuite des résultats d'optimisation sont présentés. The new energetic context inside building (emergence of photovoltaic array and electric vehicle) should incite us to reconsider the use of DC distribution scheme for building. Since the environmental and energetic impacts become more and more important, the efficiency assessment of such system is nowadays not sufficient to quantify its global environmental impacts. In this context, we propose to eco-design the components of such system minimizing their primary energy consumption during their whole life cycle (from raw material extraction to recycling process). The global aim of our work is to determine the best voltage level for such system according this criterion. This article presents the models which have been developed to assess the primary energy consumption of power electronic components and some eco-designs and sensitivity studies are presented

Investigation of DC distribution by measuring and modelling power supply devices for buildings with PV production

International audienceDue to governmental incentive policies, most of the photovoltaic panels installed in France are connected to the power grid, thus requiring power transformation components. Since any type of load can be potentially fed with direct current, we investigated DC distribution by measuring and modelling power supply devices. This paper presents measurement methods, models and validation, with concrete application for a multimedia workstation. Finally, we expose the prospects of our work whose goal is to optimize the value of DC voltage to minimize energy consumption (especially global energy requirement) throughout the life cycle

Wiring design based on Global Energy Requirement criteria: a first step towards an eco-designed DC distribution voltage

International audienceNowadays, the global energy context leads to a need for the development of distributed Renewable Energy Sources (RES). Since most of them produce direct current while electricity flows in alternative current in the network, the energy produced by RES has to be converted. As modern electrical loads and storage systems can be potentially fed with direct current, the DC distribution scheme need to be evaluated. Then, we need to determine its specification (topology, voltage level, protection device...). Some papers have already shown the reduction of conduction losses induced by a DC distribution [1], others presented some distribution schemes [2] or efficiency analysis [3]-[4] for different voltage levels in a given case study. This paper proposes the first steps of a method for the optimization of the voltage level for a DC distribution scheme according to environmental issues, and focuses on the wire eco sizing. In a first part, we will present our global approach, i.e. the constituent which will be taken into account and the criteria which has been selected before focusing on the wiring design. In a second time, we will present the models and the case studies which have been considered to design wires. And finally we will present our results, comparing our approach with the recommendation made by French standards in our case studies and carrying out a sensitivity study about our working hypothesis

Expériences de recherche en éco-conception dans le domaine du Génie Electrique

National audienceQue ce soit en génie électrique ou dans tout autre domaine, l'écoconception est un très vaste sujet. Les travaux de recherche, que nous avons menés durant les quelques années passées et que nous poursuivons actuellement, n'en abordent qu'un volet très limité, celui que nous avons qualifié d'écodimensionnement. En effet, nous ne nous sommes penchés que sur la recherche de méthodologies d'optimisation de paramètres dimensionnels ou de matériaux en vue de trouver un optimum sur cycle de vie pour des produits dont nous ne remettons pas en question (pour l'instant) les procédés de fabrication, les architectures, les usages, etc. Les domaines traités ici sont : les transformateurs électromagnétiques, les moteurs électriques, les systèmes phovoltaïques autonomes et la distribution en courant continu dans les bâtiments

Quelle R&D Mener pour le Développement Des Réseaux D'énergie De Demain ? Les Propositions de L'ancre en 2015

Feuille de route sur les réseaux électriques et stockage élaborée par le GP10 Réseaux et Stockages de l'Energie de l'ANCRECette feuille de route concerne les réseaux d’énergie électrique, de chaleur et de froid, les réseaux de gaz (hydrogène, gaz naturel), leurs stockages associés, ainsi que leurs couplages à venir dans le cadre de la transition énergétique et des évolutionsqui l’accompagneront, que ce soit sur les modes de production d’énergie ou sur l’évolution des usages.Le focus est porté sur les réseaux électriques qui seront les premiers impactés par cette transition énergétique. Hormisquelques éléments très spécifiques aux réseaux électriques (et qui seront notés dans le texte par une couleur différente)il est à souligner que la quasi-totalité des considérations et axes de R&D évoqués pour les réseauxélectriques et le développement de leur « intelligence » et/ou de leur flexibilité s’appliquentégalement aux autres réseaux d’énergie. Par ailleurs, si le groupe programmatique« Réseaux et Stockage » de l’ANCRE (GP10) s’est largement appuyé sur les nombreuses feuilles de route émises tant au niveau national, dont celles de l’ADEME, qu’européen, il a également souhaité s’en démarquer en insistantlargement et en détaillant les recherches scientifiques et technologiques à mener face aux verrous actuellement identifiés

Analyse et conception des systèmes électriques embarqués.<br />Application aux réseaux de bord d'avion

Solid state networks like power network are in constant modification due to the development of the power electronics systems. The future is clear : the embedded power will be electric and the hydraulic and pneumatic power will be reduced. At this time, this transformationis present civil aircraft.However, the increasing number of power electronicconverters connected to aircraft electrical supply networksincreases the harmonic levels and the risk of unstability.For analysis an design goals, appropriated methods must be used. In this context, the first part of this report describes the evolution of the state power network until 50 years. In the second part, a global methodology for design embedded systems is proposed.The two following parts are applications of this methodology in the European project context calledPower Optimized Aircraft. One analyses the dynamic effects in a HVDC structure composed with a starter generator and a fuel pump motor. The modal approach linked to the averages models is discussed. The participation factor and the sensitive analysis are presented in this application.The last part proposes a methodology to optimize a passive input filter and to fulfil harmonic standards. Themethod is applied to a diode rectifier, with capacitive load, which represents a very common Power Input Stage for actuators.0510915236Les réseaux embarqués, au même titre que les réseaux de distribution, subissent de profondes mutations dues à l'essor de l'électronique de puissance. La tendance est claire : la puissance doit être intégrée au maximum sous forme électrique aux dépens de l'hydraulique et de la mécanique. Cette intégration de puissance est rendue possible par l'utilisation de convertisseurs d'électronique de puissance, fiables, modulaires et garantissant une grande souplesse de fonctionnement. C'est ce qui se passe actuellement pour les avions civils gros porteurs où la puissance électrique à bord est passée de 27kW à 600kW en 50 ans, le taux de charges non-linéaires atteignant 75%. Pour faciliter cette intégration de puissance, on envisage même, à moyen terme, de passer à un réseau haute tension continue au lieu du classique 115V-400Hz.Les conséquences de l'insertion massive de convertisseurs d'électronique de puissance dans les réseaux embarqués posent cependant quelques problèmes. Ils sont dus principalement à la prolifération des harmoniques et à l'introduction de nouvelles dynamiques, qui peuvent être déstabilisantes pour le système. Pour pouvoir quantifier et s'affranchir de ces problèmes, on doit utiliser des méthodes d'analyse et de conception adaptées.Dans ce contexte, le premier chapitre du mémoire fait un tour d'horizon de l'évolution des réseaux embarqués au cours des dernières décennies. Les impacts harmoniques et dynamiques des charges non linéaires sont également montrés sur des exemples simples et concrets. La deuxième partie concerne les méthodes et les outils adaptés à l'analyse et la conception d'un système embarqué. Les méthodes sont issues des domaines de l'électronique de puissance et du réseau. Il est question notamment d'approches :• par Load Flow, pour les aspects statiques,• temporelles et fréquentielles, pour l'étude des harmoniques,• modales, pour l'étude dynamique.A la fin de ce chapitre, une méthodologie de conception des systèmes embarqués est finalement proposée.Les deux chapitres suivants sont les premières applications de la méthode dans le contexte du contrat européen Power Optimized Aircraft. L'un est consacré à l'étude dynamique d'une système embarqué haute tension continue. L'approche modale, couplée au modèle moyen généralisé, est détaillée. L'accent est particulièrement mis sur les facteurs de participation et de sensibilité. L'intérêt d'une telle approche pour l'étude de la stabilité et le prédimensionnement du système est illustré sur cet exemple. Le dernier chapitre concerne la dépollution harmonique optimale. On propose, avec une approche originale, de minimiser le volume des organes de filtrage. Pour conclure l'optimisation, les critères normatifs sont discutés par une confrontation norme harmonique / volume de filtre. On identifie notamment comment les normes devraient évoluer pour permettre de plus grands gains lors de l'optimisation.Compte tenu du vaste champ de recherche qu'est la conception d'un système embarqué, de nombreuses perspectives concluent le mémoire

Gestion des flux énergétiques dans un système photovoltaïque avec stockage connecté au réseau (application à l'habitat)

Ces travaux de thèse constituent une contribution à l'introduction massive de la production photovoltaïque (PV) sur le réseau électrique. L'énergie PV possède un potentiel immense, notamment dans le secteur de l'habitat, mais l'effet d'intermittence limite son développement à grande échelle. Dans cette thèse nous proposons d'ajouter un élément de stockage aux systèmes photovoltaïques connectés au réseau dans l'habitat. Nous commençons par introduire la notion de gestion d'énergie dans ces systèmes dits hybrides , dont l'objectif qui a été fixé est de réduire les pics de puissance appelée, voire produite. Ensuite, nous proposons et étudions des stratégies de gestion optimisées d'énergie basées sur des données prévisionnelles d'irradiations, de températures ambiante, de consommation et des prix de l'énergie. Enfin, nous apportons des solutions théoriques originales de gestion en temps réel, notamment en introduisant des réponses au problème des incertitudes sur les prévisions.The work done during this thesis contributes to the intensive penetration of the photovoltaic electricity production into the electric grid. Photovoltaic energy holds an immense potential, in particular in the housing sector, but intermittent nature limits its large scale development. In this thesis, we propose to add a storage element to the grid connected photovoltaic system (housing application). First, we introduce the notion of energy management in these systems called hybrids systems . The objective is to reduce the peak power consumption and production. Next, we propose and study optimized energy strategies based on predictive indications of irradiation, ambient temperature, power consumption and electricity grid prices. Finally, we bring theoretical solutions to the real time energy management, notably by proposing a solution to the problem of prediction uncertainty.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Wiring design based on Global Energy Requirement criteria: a first step towards an eco-designed DC distribution voltage

International audienceNowadays, the global energy context leads to a need for the development of distributed Renewable Energy Sources (RES). Since most of them produce direct current while electricity flows in alternative current in the network, the energy produced by RES has to be converted. As modern electrical loads and storage systems can be potentially fed with direct current, the DC distribution scheme need to be evaluated. Then, we need to determine its specification (topology, voltage level, protection device...). Some papers have already shown the reduction of conduction losses induced by a DC distribution [1], others presented some distribution schemes [2] or efficiency analysis [3]-[4] for different voltage levels in a given case study. This paper proposes the first steps of a method for the optimization of the voltage level for a DC distribution scheme according to environmental issues, and focuses on the wire eco sizing. In a first part, we will present our global approach, i.e. the constituent which will be taken into account and the criteria which has been selected before focusing on the wiring design. In a second time, we will present the models and the case studies which have been considered to design wires. And finally we will present our results, comparing our approach with the recommendation made by French standards in our case studies and carrying out a sensitivity study about our working hypothesis

Problématique du stockage associé aux systèmes photovoltaïques connectés au réseau

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