Architecture et contrôle des micro-réseaux

Systèmes de stockage de l’énergie et de leurs dégradations dans la gestion et le dimensionnement des micro-réseaux

Architecture et contrôle des micro-réseaux : théorie et réalisation expérimentale

Nous avons rappelé dans le chapitre I, les multiples définitions liées à un micro-réseau et aux éléments le constituant. De même, nous avons rappelé les verrous scientifiques et techniques qui accompagnent ce champ de recherche. Dans cette section, nous donnons les différentes stratégies de contrôle des micro-réseaux que nous retrouvons dans la littérature et leurs classifications. Cependant, avant d’introduire l’état des lieux sur ces méthodes, nous rappelons quelques définitions sur les différents types de distribution électrique possibles ainsi que leurs avantages et les architectures de puissance associées. Ainsi nous justifions les choix que nous avons faits pour le développement de notre banc de test. 2.1 Les différents types d’architectures et de distribution électrique des micro réseaux Historiquement, le réseau principal a été développé en AC car cette technique de distribution permettait la distribution de l’électricité sur de longues distances.

En effet, le mode AC était compatible avec les systèmes de production fonctionnant eux mêmes en AC (moteur, alternateur, transformateur) le tout étant techniquement bien maîtrisé. Grâce aux transformateurs magnétiques, l’élévation de la tension permettait d’optimiser le transport de l’électricité sur de longues distances avec des pertes en ligne minimisées. Les niveaux de tension étaient adaptés aux divers points du réseau de distribution à l’aide des transformateurs abaisseurs de tension. La conception 72 Chapitre II de ces transformateurs optimisée au cours de l’histoire est telle qu’aujourd’hui ils possèdent de très bons rendements et bénéficient encore d’améliorations.

Les dispositifs de protections, pour la sécurité du réseau, sont faciles à mettre en œuvre en AC car ils utilisent la propriété alternative du courant passant régulièrement par zéro. De plus, la stabilité du réseau et la régulation de la fréquence, du niveau de la tension et du déphasage courant/tension sont assurées par la réserve primaire de puissance active et réactive et l’inertie des machines tournantes présentes sur le réseau. Par conséquent, les premiers micro-réseaux ont été développés en AC et sont encore actuellement les plus répandus dans le monde. Cependant, la distribution en courant continu dite DC fait de plus en plus ses preuves. En effet, les efforts technologiques sur le développement des convertisseurs d’électronique de puissance DC/DC permettent aujourd’hui d’adapter facilement et en toute sécurité les niveaux de tensions en DC, même à des niveaux élevés dits High Voltage DC (HVDC).

Le transport de la puissance à travers les HVDC présente même des intérêts supplémentaires puisqu’aucune puissance réactive n’est produite face aux déphasages inductifs liés aux lignes et capacitifs liés aux blindages des câbles de transport de l’électricité, qui doivent être compensées régulièrement sur une distribution en AC. Sur de très longues distances, ces aspects présentent un réel intérêt. Cela a induit le développement de nouvelles lignes de transmission DC en HT, appelées réseau assurant l’acheminement de l’électricité sur de très longues distances avec même des câbles sous-marins ou souterrains pouvant êtres fortement capacitifs et a totalement changé la donne sur, par exemple, les installations d’éoliennes offshore rendant des transmissions, jusque-là limitées, possibles. Nous pouvons également signaler que l’utilisation de courant continu permet de passer outre l’effet de peau présent en AC et engendrant là aussi des pertes.

Au delà des considérations techniques sur la transmission longue distance, l’intégration des EnR fournissant souvent une puissance en DC, comme le PV, les piles à combustibles et certains SSE, l’essor des systèmes de distribution en DC ces dernières décennies est considérable. Par ailleurs, comme le nombre de dispositifs de consommation en mode DC se multiplent notamment dans les bâtiments (besoins de domotique, d’éclairage, recharges de batteries), cela justifie également les choix vers la distribution DC qui du coup prend également de l’ampleur dans le domaine des micro-réseaux à des niveaux de tension de type MT et BT nommés Medium Voltage DC (MVDC) et Low Voltage DC (LVDC)

Les structures de contrôle des micro-réseaux

L’enjeu du contrôle des micro-réseaux est de gérer et d’optimiser le fonctionnement d’un système électrique complexe, distribué, multi-sources et multi-charges. Nous faisons dans cette partie une synthèse de la littérature concernant les stratégies de contrôle et de gestion des micro-réseaux DC pouvant fonctionner de manière connectée ou isolée par rapport au réseau principal. Nous nous sommes concentrés sur les différentes architectures existantes des stratégies de gestion et les classifications des méthodes; les techniques à proprement parlé implantées dans chaque bloc sont largement décrites dans des articles du domaine de l’automatique.

Cette synthèse porte sur plusieurs articles traitant du contrôle et de la gestion des microréseaux, comme l’article de Kumar et al. [160] faisant l’état de l’art de plus de 200 références sur ce domaine, l’article de Yamashita et al. [161] effectuant uns synthèse bibliographique sur le contrôle hiérarchique des micro-réseaux dans le bâtiment, l’article de Bidram et al. [162] sur les structures de contrôle hiérarchique proches des travaux de Meng et al. [163] qui synthétisent l’ensemble des concepts liés à la gestion et au contrôle des micro-réseaux, l’article de synthèse de Carpintero-Renteria et al. [164] sur le contrôle des micro-réseaux, les travaux de Han et al. [165, 166] sur le contrôle hiérarchique et les techniques d’automatique associées et enfin les travaux de synthèse de tous les éléments à considérer lors de la réalisation et de la conception des micro-réseaux de Martin-Martinez et al. [124].

De ces références bibliographiques, nous en avons déduit les objectifs du contrôle des micro-réseaux : • Contrôler efficacement (rapidement et précisément) la tension et le courant de chaque élément. • Assurer la synchronisation avec le réseau principal si le micro-réseau fonctionne en mode connecté (gestion du déphasage, de la tension, des puissances active et réactive injectées/absorbées et des perturbations engendrées sur le réseau). • Assurer une transition « douce », dite smooth transision en anglais, lors de l’opération d’îlotage soit lors des passages du micro-réseau en mode « isolé » au mode « connectéréseau » et vice-et-versa. • Gérer le partage, à chaque instant, des courants (de la puissance échangée) entre les unités du réseau pour assurer l’équilibre énergétique du micro-réseau. • Assurer la stabilité du micro-réseau. • Minimiser les pertes en ligne liées aux transmissions. • Maximiser l’efficacité en fonctionnement des sources, des SSE et des charges. • Optimiser la planification des périodes d’utilisation de chaque élément pour minimiser les coûts économiques/maximiser les gains ou gérer les impacts environnementaux.

Table des matières

Introduction générale
I Contexte & Problématiques des travaux de thèse
1 Introduction
2 L’énergie électrique face aux enjeux du développement durable
2.1 Croissance de la demande en énergie
2.2 Conséquences de l’activité humaine sur l’environnement
2.3 Des engagements en faveurs des énergies renouvelables
2.4 Les mutations du réseau face à l’intégration des énergies renouvelables
3 Les Micro-réseaux
3.1 Les systèmes de stockage dans les micro-réseaux au sein du Smart Grid
3.2 Les micro-réseaux et leurs problématiques de conception et de réalisation
4 Contexte des travaux de thèse, problématiques et objectifs
4.1 Travaux antérieurs et positionnement des travaux de thèse
4.2 Problématiques, objectifs et structure de la thèse
5 Conclusion
II Réalisation d’un banc de test de type micro-réseau continu basse tension
1 Introduction
2 Architecture et contrôle des micro-réseaux : théorie et réalisation expérimentale
2.1 Les différents types d’architectures et de distribution électrique des micro-réseaux
2.2 Les structures de contrôle des micro-réseaux
2.3 Description du banc d’essai
3 Topologie et contrôle des convertisseurs associés aux systèmes de stockage
3.1 Objectif du contrôle rapproché des convertisseurs et cahier des charges
3.2 Réalisation du convertisseur DC/DC associé au SSE
3.3 Principe du contrôle rapproché du convertisseur développé et mise en oeuvre
4 Validation du fonctionnement du banc de test réalisé
4.1 Description des protocoles de tests réalisés pour validation du fonctionnement global du banc « mini-OPA »
4.2 Validation du banc « mini-OPA » dans le cas du scénario
4.3 Validation du banc « mini-OPA » dans le cas du scénario
5 Conclusion
III Fonctionnement, vieillissement et modélisation des batteries pour la conception de micro-réseaux
1 Introduction
2 Définitions
2.1 Du système de stockage de l’énergie vers les batteries secondaires
2.2 Précision sur les niveaux d’échelle entre cellule, module et pack
2.3 Structure élémentaire d’une batterie et rappels des principes généraux
2.4 Les grandeurs et concept principaux pour l’étude des batteries
3 État de l’art de la modélisation des batteries
3.1 Hypothèses préliminaires et postulats
3.2 Les modèles de comportement électrique
3.3 Les modèles de vieillissement
3.4 Synthèse
4 Focus sur les batteries Plomb-acide
4.1 Constitution et fonctionnement des batteries PbA
4.2 Rappels sur l’historique des différentes technologies de la famille PbA
4.3 Usages, mécanismes de vieillissement et modes de dégradation des batteries PbA
5 Résultats de modélisation sur des profils typiques de micro-réseaux
5.1 Matériels utilisés pour les essais expérimentaux menés pour étudier des modèles avec des profils de type micro-réseau
5.2 Étude comparative des modèles de comportement
5.3 Comparaison des modèles avec les résultats des tests reproduisant des profils typiques d’un micro-réseau
6 Conclusion
IV Méthodes d’optimisation et impacts des modèles de batteries pour le dimensionnement et la gestion des micro-réseaux
1 Introduction
2 L’optimisation pour la conception des micro-réseaux
2.1 Complexité de la conception dimensionnement/gestion
2.2 Les outils d’aide à la conception des micro-réseaux et les critères d’optimisation
3 Impacts du modèle de batterie sur les résultats de dimensionnement
3.1 Difficultés liées au dimensionnement dans les micro-réseaux
3.2 Proposition d’un algorithme de pré-dimensionnement et de dimensionnement
3.3 Application de la méthode de dimensionnement, résultats et discussion
4 Impacts du modèle de batterie sur la validité de la stratégie de gestion
4.1 Méthodes de résolution et problème d’optimisation
4.2 Résultats d’optimisation et de modélisation
5 Conclusion
Conclusions et perspectives générales
Annexes
A Explication et mise en oeuvre de la procédure d’initialisation de chaque test dans « mini-OPA » pour le SSE n°1, constitué d’une ou plusieurs batteries
B Élaboration des trois régulations : la boucle de tension du bus, la boucle de tension du SSE et la boucle de courant du SSE imbriquée
B.1 Asservissement du courant
B.2 Asservissement de la tension du SSE à partir du courant
B.3 Asservissement de la tension côté bus DC à partir du courant
C Le banc d’essai de cyclage Biologic et le logiciel BTLab
D Caractéristiques des batteries Yuasa NP1.2-6
E Classification des données et construction des profils journaliers typiques
F Mesures des batteries Yuasa NP1.2-6 pour les profils de test type micro-réseau
G Comparaison entre les mesures et les modèles PE et OCVR pour la VRLAB Yuasa NP1.2-6 BAT#3 et les profils n°1 à n°5
H Modélisation du rendement du convertisseur ISBC développés au LAAS-CNRS et campagne de mesures associées
I Description du problème d’optimisation MILP pour la planification des échanges d’énergie et l’ordonnancement des tâches sur les serveurs
Bibliographie