1. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013UNIVERSIT DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE COLE DOCTORALE Sciences pour lingnieur THSEprsente par :Lamine CHALAL soutenue le : 14 mars 2013pour obtenir le grade de : Docteur de luniversit de Lille 1 Discipline/ Spcialit : AutomatiqueCoordination de systmes multisources pour favoriser la production dnergie lectrique renouvelable JURY : M Dieulot Jean-Yves Matre de confrences-HDR, Universit de Lille 1 Mme Dauphin-Tanguy Genevive Professeur, Ecole Centrale de Lille M Colas Frderic Docteur-Ingnieur, ENSAM de Lille M Hissel Daniel Professeur, Universit de Franche-Comt M Lefebvre Dimitri Professeur, Universit du Havre M Locment Fabrice Matre de confrences, UTC Compigne M Guillaud Xavier Professeur, Ecole Centrale de Lille 2013 Tous droits rservs.Directeur Co-directrice Co-directeur Rapporteur Rapporteur Examinateur Invithttp://doc.univ-lille1.fr

2. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 20131 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 3. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013A ma dfunte mre Zahia A Sherazade A Oussama2 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 4. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Remerciements Je souhaite exprimer ma plus sincre reconnaissance Monsieur Jean- Yves Dieulot, mon directeur de thse, Madame Genevive Dauphin-Tanguy et Monsieur Frderic Colas, pour leurs aides prcieuses, leurs disponibilits et leurs patiences durant les trois dernires annes. Je leurs exprime ma profonde gratitude pour la confiance quils mont accorde. Je tiens exprimer mes plus vifs remerciements aux membres du jury pour lhonneur quils mont fait dexaminer mes travaux. Je remercie tout particulirement Monsieur Dimitri Lefebvre, et Monsieur Daniel Hissel pour le temps consacr la lecture minutieuse de ce document. Je remercie aussi Monsieur Fabrice Locment davoir accept dtre un membre examinateur et Monsieur Xavier Guillaud davoir accept linvitation dassister ma soutenance. Je tiens a remercier mes chers collgues et amis de lquipe MOCIS pour leurs sympathie : Roberto, Naima, Noe, Mayank, Youcef ,Rui ,Khatib,Issam,Nizar, Dapeng,Ibtissem, Zhaoxia Je noublie pas mes amis :Talel Zouari, Halim Benmamas ,Sidali Amamra,Rij Adriamalala,Guoguang Wen ainsi que Karim Zemma. Je tiens remercier tout particulirement : Samir Benmoussa, Omar Sebahi,Nabil Benidiri pour leurs sincres amitis et leurs encouragements. Mes remerciements sadressent aussi Khokha, Samira, Stphanie, Martine , Pierre ainsi qu Simon et Joseph. Je remercie galement mes camarades et amis du L2EP : Hicham, Luc, Marc, Jrme, Vinesh, Pierre, Karim, Amir,Bassel, Florent, Paul, Evan, Stphane et Thomas pour leurs aide prcieuse et surtout pour leurs sympathie. Mes remerciements sadressent aussi mes collgues du dpartement EEA de lcole centrale de Lille: Michel Hecquet, Franois Gruson, Nicolas Bracikowski,Ramzi Benayad, Frederic Gillon et Xavier Margueron. Une mention toute spciale ma famille : mes surs Chafika, Noura et Lila et mes frres Mouloud, Farid et Hakim ,mon beau frre Abdelaziz et Malika pour mavoir encourag pendant les moments difficiles de la vie de thsard et pour leurs soutien indfectible. Quil trouve ici toute ma gratitude et mon amour. Mes remerciements sadressent aussi la famille Bouzida : ma bien-aime Sherazade ,sa maman Nacera et son petit-fils Ali Cherigui. Enfin, je voudrais ddier cette thse, avec un merci trs spcial, mes parents, ma dfunte mre Zahia et mon pre Khelef. Merci de mavoir soutenu et permis deffectuer le parcours qui ma men o je suis aujourdhui.3 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 5. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Rsum Cette thse est consacre la supervision des systmes de production dnergie lectrique hybrides composs de diffrents types de sources incluant des sources renouvelables ainsi que des lments de stockage (batterie). Le chapitre I est consacr ltat de lart de la supervision de ce type de systmes hybrides. Au cours de ce chapitre nous avons dfini le contexte et le cadre de notre tude et nous avons prsent les avantages et les inconvnients des stratgies actuellement utilises. Ensuite, nous avons prsent notre vision de la supervision des systmes multisources intgrant des ressources renouvelables. Au cours du chapitre II nous avons spcifi le systme hybride et les modles de ses composants afin de les intgrer dans une structure de supervision. Le chapitre III concerne le dveloppement du superviseur que nous proposons base de commande prdictive. Lobjectif est de dterminer la meilleure rpartition, au sens dun critre que nous avons propos, des puissances fournir par les sources pour rpondre une demande de la charge. La fonction dfinie pour loptimisation, correspond au cot de production ; elle prend en compte non seulement le suivi des consignes mais aussi des critres technico-conomiques (cot de lnergie, missions polluantes, cyclage de llment de stockage .etc.). Ce superviseur sappuie sur des modles dynamiques des sources et des lments de stockage ainsi que sur les prdictions court terme de la ressource photovoltaque. Le critre est minimis pour chaque nouvelle fentre de prdiction afin denvoyer les consignes chaque composant du systme hybride. Les rsultats exprimentaux montrent la validit du superviseur propos et de lalgorithme associ. Le chapitre IV vise montrer la gnricit du superviseur base de commande prdictive propos. En effet, une olienne contrle en zone doptimisation a t ajoute au systme hybride. Ensuite, lolienne est contrle en mode dgrad dans le but de rduire limpact des variations de la vitesse du vent sur le suivi de la consigne de puissance. La fonction cot a t modifie pour rpondre ces nouvelles exigences. Enfin, nous avons explicit les bnfices potentiels dun horizon de prdiction variable. La variation de lhorizon de prdiction est effectue en fonction de la pertinence des prvisions des ressources dorigine renouvelable. Les essais sur une plate-forme exprimentale, combinant des composants rels et des modles simuls en temps rel (Model-in-the-loop) montrent la validit de tous les concepts dvelopps.4 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 6. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Rsum en anglais This thesis is devoted to the supervision of the hybrid power generation system composed of various types of sources including renewable sources and electrochemical storage elements. Chapter I is devoted to the state of the art of supervision of such hybrid systems. In this chapter, the context and the scope of our study are defined and the advantages-disadvantages of each such strategy are presented. Our vision for the supervision of a multi-sources system that integrates sources of renewable resources is presented thereafter. In Chapter II we specify the hybrid system and the models of each component in order to integrate them into a supervision structure. Chapter III deals with the design of a supervisory predictive controller which optimizes the power ow of a renewable hybrid system (solar panels, micro-turbine and battery). Short time predictions of the solar power and the power reference are embedded in the supervisor. The performance index integrates the environmental impact, the cost of fuel, battery cycling and the energy delivery. Simulations and a real-time application of a model-in-the-Loop plant are carried out to illustrate the applicability and electiveness of the proposed supervisory predictive control design. Chapter IV aims to show the generic properties of the proposed supervisory system. In fact, a wind turbine has been added to the hybrid system and the cost function has been modified. The realtime simulations show the effectiveness of the proposed power management system. Then, the turbine is controlled in degraded mode in order to reduce the impact of wind speed fluctuation with respect to the power reference. The cost function has been modified to meet these new requirements. Finally, the potential benefits of considering a dynamic prediction horizon are explained. The variation of the prediction horizon is performed according to the relevance of the predictions of renewable resources. Tested on an experimental platform combining real components and real-time simulation models (Model-in-the-loop), the results show the validity of all the developed concepts.5 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 7. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Table des matires Rsum.......................................................................................................................................................... 4 Rsum en anglais ....................................................................................................................................... 5 Liste des tableaux ........................................................................................................................................ 9 Liste des annexes ....................................................................................................................................... 15 Introduction gnrale................................................................................................................................ 16 Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides .............................. 17 Introduction ........................................................................................................................................... 17 I.Contexte et objectifs de la thse ................................................................................................ 17II.De lintrt de lhybridation des sources .................................................................................. 21 II.1. Constitution dune centrale multi-source ............................................................................. 21 II.2. Quelques lments dune centrale multi-source .................................................................. 23III.De la gestion de la puissance dans les systmes hybrides ................................................. 25III.1. Supervision multiniveaux des centrales multi-sources...................................................... 25 III.2. Supervision moyen terme et long terme .......................................................................... 27 III.3. Supervision court terme ..................................................................................................... 29 III.4. Supervision dynamique dune centrale multi-sources ....................................................... 31 IV.Etat de lart des technique de supervision des systmes multi-sources .......................... 33IV.1. Mthodes de supervision avec ou sans modle ................................................................. 34 IV.1. Mthodes de supervision classes selon lapproche .......................................................... 37 Conclusion ............................................................................................................................................. 45 Chapitre II : Modlisation des lments constituant la cellule multisources .................................... 46 Introduction ........................................................................................................................................... 46 I.Dimensionnement de la cellule multisources .......................................................................... 47 I.1. Donnes fournir au Logiciel Homer ................................................................................... 49 I.2. Rsultats de loptimisation ....................................................................................................... 51II.Modle de la microturbine ......................................................................................................... 53 II.1. Principe de fonctionnement ................................................................................................... 54 II.2. Contrleurs de la microturbine .............................................................................................. 58 II.3. Modle simplifi de la microturbine ..................................................................................... 62 II.4. Rsultats de simulation et discussion .................................................................................... 66III.Modle du systme de stockage ............................................................................................ 68III.1. Fonctionnement de la batterie Plomb-Acide ..................................................................... 69 6 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 8. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013III.2. Grandeurs caractristiques des batteries ............................................................................. 69 III.3. Modles de charge et de dcharge ....................................................................................... 72 III.4. Gestion de la puissance ......................................................................................................... 75 III.5. Rsultats de simulation .......................................................................................................... 76 IV.Modle des panneaux photovoltaques................................................................................ 78IV.1. La cellule photovoltaque ...................................................................................................... 78 IV.2. Optimisation du rendement nergtique du systme PV ................................................. 82 V.Modle de lolienne ................................................................................................................... 85 V.1. Conversion de lnergie cintique du vent en nergie lectrique ...................................... 85 V.2. Zones de fonctionnement ...................................................................................................... 86 V.2. Modle du dispositif dentrainement..................................................................................... 89Conclusion ............................................................................................................................................. 92 Chapitre III : Supervision par commande prdictive dune cellule multisources ............................ 93 Introduction ........................................................................................................................................... 93 I.Commande prdictive ................................................................................................................. 93 I.1. Gnralits .................................................................................................................................. 93 I.2. Concepts de fonctionnement de la commande prdictive ................................................. 96II.Dveloppement du superviseur prdictif ............................................................................... 100 II.1. Modle du systme multisources (voir chapitre II) .......................................................... 101 II.2. Prdictions des paramtres exognes.................................................................................. 102 II.3. Spcifications des contraintes .............................................................................................. 109 II.4. Formulation de la fonction cot .......................................................................................... 110 II.5.Rsultats de simulation ........................................................................................................... 115 II.6.Validation exprimentale des concepts dvelopps .......................................................... 119Conclusion ........................................................................................................................................... 128 Chapitre IV : Supervision dune cellule multisources : Modularit et changement de structure . 129 Introduction ......................................................................................................................................... 129 I.Modularit de la structure ........................................................................................................ 130 I.1. Supervision optimale de la nouvelle cellule : olienne contrle en zone MPPT......... 130 I.2.Rsultats de simulations et discussions ................................................................................. 134 I.3.Rsultats exprimentaux .......................................................................................................... 136II. Supervision optimale de la nouvelle cellule : olienne contrle en mode dgrad ........... 139 II.1.Mthodes pour contrler les oliennes ................................................................................ 1397 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 9. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013II.2.Superviseur propos ............................................................................................................... 140 II.3.Rsultats de simulations ......................................................................................................... 142 II.4.Rsultats exprimentaux ........................................................................................................ 144 III.Superviseur horizon de prdiction variable.................................................................... 146II.1. Supervision de la cellule pour une journe ensoleille ..................................................... 147 III.2. Variation de lhorizon de prdiction et algorithmes de dtection................................ 150 III.3.Rsultats de simulation ......................................................................................................... 152 III.4.Rsultats exprimentaux ....................................................................................................... 153 Conclusion................................................................................................................................................ 156 Conclusion gnrale et perspectives ................................................................................................ 157 Bibliographie ............................................................................................................................................ 161 Annexes .................................................................................................................................................... 172 Annexe 1 Modle Bond Graph de la turbine olienne ...................................................................... 173 Annexe 2 Paramtres des panneaux photovoltaques utiliss ........................................................... 176 Annexe 3 Description dtaille du banc de test .................................................................................. 1798 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 10. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Liste des tableaux Tableau 2-1 Caractristiques des lments de la cellule multisources ............................................................. 50 Tableau 2-2 Signification et valeurs des principaux paramtres du modle ................................................... 62 Tableau 2-3 Paramtres du modle de la microturbine .................................................................................... 66 Tableau 2-4 Paramtres des modles de batteries.............................................................................................. 68 Tableau 3-5 Techniques de prdictions utilises dans la littrature............................................................... 103 Tableau 3-6 Evaluation des pertinences des prdictions ................................................................................ 108 Tableau 3-7 Evaluation des diffrents algorithmes ......................................................................................... 1279 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 11. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Liste des figures Figure 1-1 Intgration de nouveaux modes de production dans les rseaux lectriques (source :Institute for Energy and Transport) ....................................................................................................................................... 18 Figure 1-2 Comparaison de loffre olienne la demande (source RTE) ...................................................... 19 Figure 1-3 Exemple des lments constituant un systme hybride ................................................................. 23 Figure 1-4 Avantages de lutilisation des microturbines ................................................................................... 24 Figure 1-5 Gestion de lnergie dun systme hybride, sur plusieurs niveaux selon lchelle de temps ..... 27 Figure 1-6 Schma de classification des fonctions de contrles dans les systmes hybrides ...................... 34 Figure 1-7 Classification de stratgies de supervision des systmes multisources ........................................ 37 Figure 1-8 Exemple dun contrle bas sur des rgles dfinies a priori [27] ................................................. 38 Figure 1-9 Nombre darticles publis utilisant les techniques doptimisations appliques aux nergies renouvelables [31] .......................................................................................................................................... 40 Figure 2-1 Elments constituant la cellule multisources. .................................................................................. 47 Figure 2-2 Fonctionnement du logiciel Homer.................................................................................................. 48 Figure 2-3 Schma de systme hybride sous Homer........................................................................................ 49 Figure 2-4 Caractristique de lolienne de 20 KW ........................................................................................... 49 Figure 2-5 Exemple dun profil de la charge ..................................................................................................... 50 Figure 2-6 Profil de la ressource solaire .............................................................................................................. 51 Figure 2-7 Profil du vent ....................................................................................................................................... 51 Figure 2-8 Configurations possibles classes par NPC (Net Present Cost) ....................................................... 52 Figure 2-9 Configurations optimales en fonction de la vitesse du vent et de lclairement ........................ 53 Figure 2-10 Schma de la microturbine [49] ....................................................................................................... 54 Figure 2-11Cycle de Brayton reprsent dans le plan PV [51] ......................................................................... 54 Figure 2-12 Schma bloc dune microturbine .................................................................................................... 55 Figure 2-13 Schma bloc du systme dalimentation en fuel ........................................................................... 56 Figure 2-14 Schma bloc de lensemble compresseur/turbine ........................................................................ 57 Figure 2-15 Relation entre le flux de fuel et la puissance de la turbine .......................................................... 57 Figure 2-16 Schma bloc des contrleurs de la microturbine .......................................................................... 58 Figure 2-17 Rgulation de vitesse avec de courbes de statisme ( gauche) et en mode isochrone ( droite) [57]. .................................................................................................................................................................. 59 Figure 2-18 Contrleur de vitesse de la microturbine ....................................................................................... 59 Figure 2-19 Allure de la vitesse (rle du contrleur dacclration) ................................................................ 6010 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 12. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Figure 2-20 Contrleur de la temprature........................................................................................................... 60 Figure 2-21 Schma global de la microturbine ainsi que les contrleurs associs ........................................ 62 Figure 2-22 Modle simplifi dune MTG ......................................................................................................... 63 Figure 2-23 Modle trs simplifi de la MTG .................................................................................................... 63 Figure 2-24 Modle de microturbine avec un rgulateur proportionnel ........................................................ 64 Figure 2-25 Modle de microturbine propos dans [55]................................................................................... 64 Figure 2-26 Modle de la microturbine [59] ...................................................................................................... 65 Figure 2-27 Evolution de la puissance et sa rfrence ...................................................................................... 65 Figure 2-28 Evolution du couple lectromagntique de rfrence et du couple de charge ......................... 66 Figure 2-29 Evolution de la vitesse relle de la microturbine .......................................................................... 67 Figure 2-30 Evolution du dbit de fuel ............................................................................................................... 67 Figure 2-31 Evolution de la temprature ............................................................................................................ 68 Figure 2-32 Modle simplifi de la batterie ......................................................................................................... 69 Figure 2-33 Nombre de cycles (charge/dcharge) en fonction de la profondeur de dcharge (DOD) ..... 71 Figure 2-34 Plage de fonctionnement optimis pour la batterie...................................................................... 71 Figure 2-35 Rendements en charge dun convertisseur DC/DC .................................................................... 72 Figure 2-36 Modle de la batterie [29] ................................................................................................................. 74 Figure 2-37 Paramtres du modle de la batterie [66] ....................................................................................... 75 Figure 2-38 Allure de la tension aux bornes de la batterie ............................................................................... 75 Figure 2-39 Synoptique du calcul du courant et de ltat de charge, dans un mode de fonctionnement puissance impose (charge ou dcharge).................................................................................................... 76 Figure 2-40 Schma du rseau simul (Jdb=Jeu de barres) ............................................................................. 76 Figure 2-41 Simulation du systme de stockage : (a) Puissance de consigne (rouge) et la puissance transmise au rseau (bleu) (b) Etat de charge de la batterie .................................................................... 77 Figure 2-42 Schma bloc dun gnrateur photovoltaque ............................................................................... 78 Figure 2-43 Schma dune cellule lmentaire .................................................................................................... 79 Figure 2-44 Schma quivalent dune cellule photovoltaque .......................................................................... 79 Figure 2-45 Caractristiquedune cellule photovoltaque ............................................................ 80Figure 2-46 Influence de lclairement (a) et de la temprature (b) sur les caractristiques de la ............... 81 Figure 2-47 Connexion de plusieurs panneaux .................................................................................................. 82 Figure 2-48Caractristique Courant/Tension/Puissance dun panneau PV [70] ..................................... 82Figure 2-49 Caractristiques puissance-tension dun gnrateur PV ............................................................ 83 Figure 2-50 Recherche du PPM par la mthode de lincrmentation de la conductance .......................... 8411 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 13. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Figure 2-51Profil de puissance photovataique pour une journe ensoleille et une journe trsnuageuse .......................................................................................................................................................... 85 Figure 2-52 Coefficient de puissanceen fonction de la vitesse spcifique pour une olienne tripaleparamtr par langle de calage des pales [14] ........................................................................................ 86 Figure 2-53 Angle de calage en fonction de la vitesse du vent ...................................................................... 87 Figure 2-54 Systme de contrle de la position des pales en mesurant la vitesse du vent ........................... 87 Figure 2-55 Systme de contrle de la position des pales en mesurant la vitesse de la gnratrice ........... 88 Figure 2-56 Systme de contrle de la position des pales avec estimation de la puissance ........................ 88 Figure 2-57 Allures de la puissance en fonction de la vitesse du vent pour les deux zones ........................ 89 Figure 2-58 modle deux masses du couplage mcanique entre laroturbine et le gnrateur [73] ....... 89 Figure 3-1 Schma bloc dune structure de commande prdictive [81] ........................................................ 97 Figure 3-2 Principe de la commande prdictive ................................................................................................. 99 Figure 3-3 Schma de principe pour les prdictions courtes dures ............................................................. 106 Figure 3-4 Allure de la puissance relle et de la puissance prdite pour deux horizons de prdictions diffrents ....................................................................................................................................................... 107 Figure 3-5 Distribution de lerreur de prdiction pour un horizon de prdiction Hp=10s ...................... 107 Figure 3-6 Rendement dune microturbine [93] .............................................................................................. 109 Figure 3-7 Synoptique du superviseur prdictif .............................................................................................. 111 Figure 3-8 Allure du cot de fonctionnement en fonction de la puissance de la microturbine ............. 114 Figure 3-9 Allure de lnergie en fonction du temps pour un cycle complet de charge/dcharge ........ 115 Figure 3-10 Poursuite de la rfrence pour diffrents horizon de prdictions(Hp=20 s,Hp=10s,Hp=1 s) ...................................................................................................................................................... 116 Figure 3-11 Puissance de la charge dans avec et sans tenir compte des prdictions ................................ 117 Figure 3-12 Puissance de microturbineavec et sans tenir compte des prdictions................................ 118Figure 3-13 Comparaison entre un horizon de prdiction court (Hp=10s) et un horizon de prdiction relativement long (Hp=50s) ....................................................................................................................... 118 Figure 3-14 Allure de la puissance de la microturbine avec un horizon de prdiction court et long. ..... 119 Figure 3-15 Synoptique de plateforme technologique nergies reparties ..................................................... 120 Figure 3-16 Principe de fonctionnement du simulateur Temps rel RT-LAB ........................................... 121 Figure 3-17 Reproduction du comportement de la batterie .......................................................................... 121 Figure 3-18 Synoptique gnral du banc de test .............................................................................................. 122 Figure 3-19 Armoire de puissance ralise ...................................................................................................... 122 Figure 3-20 Rsultats exprimentaux pour un profil de puissance relativement stable Hp=10 s ............ 12312 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 14. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Figure 3-21 Allure des puissances de la microturbine (b) et de la batterie (a) ainsi que leurs rfrences Hp=10s ......................................................................................................................................................... 124 Figure 3-22 Allure de la puissance produite et de la puissance photovoltaque avec prdictions Hp=10s ........................................................................................................................................................................ 124 Figure 3-23 Allure de la puissance produite et de la puissance photovoltaque sans prdictions ............ 125 Figure 3-24 Allure de ltat de charge de la batterie ....................................................................................... 126 Figure 4-1 La cellule multisources avec lajout dune olienne ..................................................................... 129 Figure 4-2 Synoptique de larchitecture de contrle...................................................................................... 131 Figure 4-3 Architecture de contrle en zone MPPT ...................................................................................... 133 Figure 4-4 Module de prdiction la vitesse du vent ...................................................................................... 133 Figure 4-5 (a) Allure de la vitesse du vent, (b) Allure du coefficient de puissance (zone MPPT) ........... 134 Figure 4-6 (a)Allure de la puissance olienne et de la puissance photovoltaque,(b)Allure de la puissance de rfrence et de la puissance de la charge ............................................................................................. 134 Figure 4-7 (a)Allure de la puissance de la microturbine, (b)Allure de la puissance de la batterie ............ 135 Figure 4-8 (a)Somme des puissances dorigine solaire et olienne,(b)Etat de charge de la batterie ........ 135 Figure 4-9 (a)Profil de la puissance photovoltaque,(b) Profil de la puissance olienne ........................... 136 Figure 4-10 (a)Profil de vent appliqu lolienne,(b) Profil du coefficient de puissance Cp ................. 137 Figure 4-11 Allure de la puissance de consigne ainsi que la puissance de la charge totale produite ....... 138 Figure 4-12 (a)Allure de la puissance de la microturbine,(b)allure de la puissance de la batterie ............ 138 Figure 4-13 Allure de la puissance de consigne ainsi que la puissance la charge totale produite ............ 139 Figure 4-14 Influence de langle de calage sur la puissance ............................................................................ 140 Figure 4-15 Contrle de lolienne en mode dgrad (en variant la vitesse) ................................................ 140 Figure 4-16 Allure des puissances de la charge ainsi que les ressources renouvelables ........................... 143 Figure 4-17 Allure de la puissance de la batterie et de son tat de charge .................................................. 144 Figure 4-18 Allure des puissances dorigine renouvelable et la puissance produite .................................... 145 Figure 4-19 Allure des puissances produites par les lments contrlables ................................................. 146 Figure 4-20 Allure de ltat de charge de la batterie ........................................................................................ 146 Figure 4-21 Profil de la puissance solaire pour journe ensoleille ............................................................... 147 Figure 4-22 Allure de la puissance solaire ainsi que la puissance totale produite par la cellule multisources ........................................................................................................................................................................ 148 Figure 4-23 Allure de la puissance de la microturbine ................................................................................... 148 Figure 4-24 Allure de la puissance solaire ainsi que la puissance totale produite par la cellule multisources ........................................................................................................................................................................ 14913 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 15. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Figure 4-25 Allure de la puissance de la microturbine pour Hp=100s et Hp=10 ...................................... 149 Figure 4-26 Allure de la puissance de la batterie pour Hp= 100s et Hp= 10s ........................................... 150 Figure 4-27 Exemple dun signal ....................................................................................................................... 151 Figure 4-28 Detection de linstant de rupture ................................................................................................. 151 Figure 4-29 Allure de la puissance solaire ainsi que la puissance totale produite par la cellule multisources ........................................................................................................................................................................ 152 Figure 4-30 Allure de la puissance de la microturbine ................................................................................... 153 Figure 4-31 Allure de la puissance de la batterie .............................................................................................. 153 Figure 4-32 Allure de la puissance totale produite ainsi que la puissance photovoltaque ........................ 154 Figure 4-33 Allure de la puissance des lments contrlables ....................................................................... 155 Figure 4-34 Allure de ltat de charge de la batterie ........................................................................................ 155 Figure A-1 Modle deux masses de la turbine olienne ............................................................................... 173 Figure A-2 Contrle de lolienne en zone MPPT .......................................................................................... 173 Figure A-3 Modle deux masses avec les pales flexibles.............................................................................. 174 Figure A-4 Poutre de Rayleig subdivise en 3 lments ................................................................................. 174 Figure A-5 Modle Bond graph dune section avec les forces arodynamiques ......................................... 174 Figure A-6 Modle Bond graph de la pale entiere ........................................................................................... 175 Figure A-7 Caractristiques des panneaux utiliss ........................................................................................... 177 Figure A-8 Systme photovoltaque utilis ....................................................................................................... 178 Figure A-9 Schma lectrique correspondant................................................................................................... 179 Figure A-10 Armoire de puissance ralise ....................................................................................................... 180 Figure A-11 PC de supervision (ControlDesk) ................................................................................................ 18114 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 16. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Liste des annexes Annexe 1 Modle Bond Graph de la turbine olienne Annexe 2 Paramtres des panneaux photovoltaques Annexe 3 Banc de test du systme de stockage15 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 17. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Introduction gnrale Les travaux regroups dans ce mmoire ont t raliss dans le cadre dune collaboration entre le LAGIS et le L2EP. Lobjectif central de cette thse est de dvelopper une mthodologie de supervision afin de mieux grer la puissance dans les systmes multisources intgrant des ressources dorigine renouvelables, un systme de stockage et une source conventionnelle. Ce rapport de thse comporte quatre parties : Le chapitre I pose les problmatiques lies la gestion de la puissance dans les systmes multisources : il dfinit le contexte de ltude, lintrt de lhybridation des sources et ltat de lart de la supervision de ce type de systme, ainsi quune brve prsentation de notre vision de la supervision. Il sagit dexploiter les prvisions court terme des ressources renouvelables et les modles composant le systme multisources afin de grer au mieux la puissance au sein de ce systme en prenant en compte les contraintes technico-conomiques. Le chapitre II est consacr la modlisation des lments constituant le systme multisources ainsi qu la simplification de ces modles afin de les intgrer dans une architecture de commande prdictive qui est lobjet de ce travail de thse. Le chapitre III, prsente larchitecture de supervision propose, ncessitant la modlisation du systme global (chapitre II), les modules de prdiction ainsi que le critre minimiser. Les performances du systme de supervision ainsi que des comportements des lments des systmes hybrides ont t mises en vidence dans le cadre dune application temps rel du superviseur sur un systme contenant des composants rels (panneaux photovoltaques, systme de stockage, rseau de distribution) ainsi quune microturbine virtuelle ( model in the loop ) simule sur un simulateur temps rel. Les bnfices du superviseur propos ont t galement numrs. Le dernier chapitre (Chapitre IV) a pour but de montrer la gnricit du superviseur propos et en particulier sa modularit en modifiant la structure du systme multisources. Une partie a t consacre ltude de linfluence de la variation de lhorizon de prdiction en fonction de la pertinence des estimations des ressources renouvelables. Les rsultats de la validation exprimentale de tous les concepts dvelopps ont t prsents. La conclusion gnrale, et les perspectives de travaux raliser sont donnes la fin du mmoire. Elles sont suivies de la bibliographie ainsi que de trois annexes.16 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 18. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesChapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesIntroduction Pour faire face aux enjeux du changement climatique, laugmentation de la demande nergtique, la rarfaction des combustibles fossiles ainsi qu leurs cours fluctuants, et leurs effets nfastes sur lenvironnement, de nombreux pays travers le monde ont chang leurs politiques nergtiques. La premire stratgie est de faire des conomies dnergie. titre dexemple, lunion europenne vise diminuer de 20 % la consommation dnergie, en appliquant des programmes axs sur la rduction de la consommation et en privilgiant lefficacit nergtique dans le secteur industriel et tertiaire [1], [2]). La seconde stratgie consiste utiliser des sources dnergie renouvelables, non seulement pour la production dnergie grande chelle, mais aussi pour les systmes autonomes. Ces ressources sont connues pour tre moins comptitives que les systmes de production traditionnels, principalement en raison de leurs cots relativement levs. En outre, le caractre alatoire et discontinu de ces nergies les rend difficiles matriser et il est ncessaire de caractriser le plus prcisment possible les variations de ces ressources. Toutefois, elles prsentent plusieurs avantages, tels que la rduction de la dpendance aux nergies fossiles et la rduction des missions effet de serre dans latmosphre. Linfluence de leur nature alatoire peut tre diminue avec le couplage de deux ou plusieurs sources dnergie, renouvelables ou pas, connectes un rseau lectrique ou alimentant une charge isole (systme autonome), dans un Systme Hybride Sources dnergie Renouvelable (SHSER) .I.Contexte et objectifs de la thse Les rseaux lectriques actuels sont inluctablement destins connaitre de profondes mutationsdans les prochaines annes. Larrive maturit des diverses technologies de gnration lectrique va favoriser la mutation des rseaux lectriques que ce soit lchelle nationale ou europenne. Ces mutations stendront parfois jusquaux clients finaux (secteur tertiaire ou rsidentiel). La Figure 1-1 montre un rseau lectrique intgrant de nouveaux modes de production. Plusieurs types dacteurs sont amens interagir au sein dun rseau lectrique. Les producteurs assurent les gnrations de la17 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 19. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides puissance lectrique grce des centrales de production dlectricit. Lorsque ces centrales sont de type thermique ou nuclaire utilisant des nergies fossiles (fuel, charbon, gaz), elles constituent des sources de puissance non renouvelables dans le sens o la consommation de ces nergies est plus rapide que leur renouvellement naturel. A contrario, lorsque ces centrales sont de type hydrolectrique, solaire, olien ou encore fondes sur la biomasse, ces sources sont considres comme renouvelables.Figure 1-1 Intgration de nouveaux modes de production dans les rseaux lectriques (source :Institute for Energy and Transport) Llectricit est trs difficile stocker. Il est ncessaire tout instant dquilibrer le rseau, en dautres termes de sassurer que la production (llectricit injecte sur le rseau par les producteurs, cest--dire loffre dlectricit) est gale la consommation (llectricit soutire sur le rseau par les consommateurs, cest--dire la demande dlectricit). Si lcart entre production et consommation augmente trop, le rseau subit des carts de frquence et de tension dommageables pour les quipements du rseau et ceux des consommateurs. Les consquences peuvent aller jusqu la dconnexion de certaines branches du rseau (entranant la coupure du courant chez certains consommateurs), voire lincident gnralis (blackout). Cest ce type dincident qui sest produit le 4 novembre 2006, lorsque des problmes survenus sur le rseau allemand ont provoqu une rupture de plusieurs heures de lalimentation de 15 millions dEuropens. Les volutions que connaissent loffre et la demande dlectricit ont rendu leur ajustement plus complexe. Fini le rseau traditionnel o il sagissait dajuster la production centralise la demande ; il sagit dsormais de plus en plus dajuster la production centralise, la production dcentralise, la production issue de moyens de stockage dcentraliss et enfin les ventuelles importations et exportations une demande rendue plus flexible et pilotable. Cet ajustement devient dautant plus 18 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 20. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides difficile que loffre dnergies renouvelables ne concorde gnralement pas avec la demande, ni sur une journe, ni sur une priode temporelle. La Figure 1-2 illustre cette non-concordance de loffre olienne (en bleu) et de la demande (en rose) mesures un poste source.Figure 1-2 Comparaison de loffre olienne la demande (source RTE) Compte tenu du contexte dcrit ci-dessus, linsertion massive des nergies renouvelables dans les rseaux lectriques nest pas aise. Afin de faciliter leur intgration, il est indispensable de disposer de sources flexibles capables de rduire lcart entre loffre et la demande. Ainsi, linterconnexion de petites productions, indpendantes et de technologies trs diffrentes prsente un vaste champ de recherche : contrle/commande, lectronique de puissance, recherche de point optimal (MPPT : Maximum Power Point Tracking), tenue aux dfauts , rglage de frquenceetc. La problmatique de la gestion de la puissance est lune de ces thmatiques de recherche et de dveloppement qui peut se rvler dterminante pour favoriser techniquement et conomiquement ces nouveaux modes de gnration de la puissance. Parmi ces diffrentes technologies, on peut citer les oliennes et les panneaux photovoltaques. Compte tenu de la variabilit de ces ressources, voire de leurs non disponibilit, il est intressant, pour amliorer la continuit de la fourniture en puissance, de les associer des sources de stockage et/ou des sources classiques (dieseletc.) ou mergentes (microturbine gaz..etc.). La mise en place dun superviseur qui coordonne toutes ces sources est ncessaire pour assurer un bon fonctionnement du systme multisources. Afin dtudier le comportement de ces systmes de production, des modles reposant sur les lois fondamentales de la physique doivent tre dvelopps. Il est alors intressant dutiliser ces modles comme base pour loptimisation de la gestion de la puissance. Cela permettra de prendre en compte la dynamique intrinsque de chaque lment de la cellule multisources. En outre, une des problmatiques qui entrave lintgration massive des ressources renouvelables dans les rseaux est leurs caractres stochastiques et leurs prdictibilits limites. Des 19 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 21. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides mthodologies innovantes de gestion qui considrent tous ces aspects sont ncessaires. Lobjectif principal de la thse est de dvelopper une mthodologie de supervision des cellules multisources avec une pntration importante des ressources renouvelables associes un lment de stockage de type batterie ainsi quune source contrlable (Microturbine gaz). De nombreux oprateurs considrent encore les ressources renouvelables comme des charges ngatives, explicitement la puissance dorigine renouvelable est considre comme une perturbation qui sajoutera la charge, ce qui est tout fait acceptable dans le cas de faibles pntrations de ces ressources renouvelables. Or, lUnion Europenne a pour ambition d'acclrer sensiblement la croissance de l'nergie renouvelable et propose dintgrer dans sa palette nergtique une part de 20 % de sources d'nergie renouvelables d'ici 2020. A lhorizon 2050, le projet DESERTEC [3] vise produire 15 % de la production dlectricit partir de lnergie solaire. En outre, les algorithmes actuels de gestion de la puissance sont bass sur des algorithmes doptimisation dterministes, o la demande et la production sont supposes connues. Avec un taux de pntration lev des ressources renouvelables dans le rseau, leurs volutions futures doivent tres utilises afin davoir une solution proche du cas optimal. Loptimisation dterministe doit servir uniquement comme rfrence pour valuer la performance dune stratgie par rapport une autre. Il est donc important de tenir compte de ces futures variations lors de la formulation du problme doptimisation, surtout lorsque les prvisions saffinent. En outre, la complexit des systmes multisources ne permet pas denvisager une optimisation globale du fonctionnement (approche dterministe) et il est ncessaire de dfinir des approches modulaires pour assurer lefficacit. Classiquement, les fonctions cot sont choisies pour minimiser uniquement le cot de lnergie, or dans un contexte de systme multisources, la fonction cot doit non seulement tenir compte des performances de cot et de performance mais aussi des considrations lies aux lments du systme multisources (vieillissement, missions polluantes, rendement .etc.). Tous ces aspects (prvisions court terme, modles dynamiques, fonction cot adapte au systme multisources, contraintes ..) peuvent tre pris en compte par une approche de type commande prdictive. Lobjectif est donc de mettre en uvre un superviseur qui utilise les modles dynamiques de chaque lment de la cellule multisources dans une architecture de commande prdictive et qui permettra de grer linstallation pour des dynamiques allant de la seconde plusieurs centaines de secondes en fonction de la pertinence des prvisions.20 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 22. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesII.De lintrt de lhybridation des sources II.1. Constitution dune centrale multi-source Lpoque des centrales de plus en plus grandes semble parvenue son terme. Les rseaux detransport et de distribution commencent souvrir des producteurs indpendants mettant en uvre des centrales gnralement hybrides, moins coteuses et plus efficaces. La production de llectricit semble ainsi effectuer un retour en arrire, lorsque lessentiel de lnergie lectrique tait gnre localement par de petits systmes isols en vue de son utilisation directe. Un systme hybride regroupe lensemble des alimentations lectriques assures par le couplage de deux sources (ou plus) de natures diffrentes. Lhybridation de sources permet de rationaliser lutilisation de la source principale ou de fournir un complment de puissance lorsque cette dernire atteint sa puissance de saturation et de stocker le surplus de la puissance, et surtout dintroduire un degr de libert supplmentaire afin de mieux grer la puissance en amliorant le rendement global du systme. Compte-tenu des progrs obtenus dans laugmentation des densits dnergies et en cyclabilit des supercapacits et des batteries ( [4]), ces deux lments facilitent le dveloppement de cette hybridation mais leur conception nest pas aise et leur dure de vie est faible, notamment pour les batteries. Lhybridation permet ainsi : de lisser la puissance , daugmenter la fiabilit, rduire la taille du stockage, rduire les cots de production. Ce sont les raisons pour lesquelles les systmes lectriques sont de plus en plus ou souvent aliments par une source dnergie principale (panneaux photovoltaques, groupes lectrognes. ) hybride par une ou plusieurs sources auxiliaires ( [5] [6] [7] [8]). Cela est tout particulirement le cas des systmes en partie ou totalement autonomes vis--vis du rseau de distribution. On parle alors dun systme multi-sources. Par contre les principaux inconvnients dun tel systme est la complexit, le choix difficile de ses sous-systmes et la difficult grer le niveau de la puissance. Afin dattnuer le caractre alatoire dun gisement dnergie renouvelable donn (vent, solaire) une combinaison hybride de deux ou plusieurs technologies diffrentes avec un systme de stockage ou des units de gnrations classiques peut amliorer la performance du systme. Par exemple, les panneaux photovoltaques et les oliennes sont complmentaires pour une zone donne (site vent lhiver, et ensoleill lt). En gnral, les systmes multi-sources transforment toutes les sources primaires (fuel, vent, rayonnement solaire) en une seule forme dnergie (lectrique) et/ou stockent cette nergie sous une autre forme (chimique, air comprim, volant dinertie etc.). Afin daccroitre la 21 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 23. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides fiabilit des systmes multi-sources, le choix de la technologie et le dimensionnement sont deux facteurs essentiels qui permettent damliorer les performances globales [9]. Ainsi, leur dimensionnement doit permettre de maximiser les performances, tout en limitant le nombre dlments, mais leur gestion doit intgrer une surveillance de leur tat de fonctionnement interne comme ltat de charge pour veiller ne pas dgrader leur dure de vie et viter tout accident. On se retrouve alors dans un cas prcis o la gestion de la puissance et le dimensionnement sont troitement lis et doivent tre traits conjointement. Dun point de vue conomique, lhybridation des sources permet de satisfaire une charge locale sans tre contraint construire de nouvelles lignes de transport dlectricit [10]. Les lments du systme hybride peuvent tre installs en un dlai trs court, dans nimporte quelle localisation. Cependant, certaines sources renouvelables qui peuvent faire partie du systme hybride telles que les panneaux solaires et les oliennes peuvent requrir certaines conditions (site bien vent,etc.). Dans les systmes autonomes loigns, les systmes hybrides peuvent tre plus conomiques. Hybrider les sources peut avoir un impact positif sur la dure de vie des lments qui le constituent et rduire la consommation de fuel ou de tout autre combustible. Dun point de vue oprationnel, plusieurs travaux ont montr les effets bnfiques des systmes multisources sur le profil de la tension et les problmes de la qualit de puissance [11]. Comme nous lavons mentionn dans lintroduction, la ncessit de protger lenvironnement et de rduire la dpendance aux nergies fossiles a pouss de nombreux pays changer leur politique concernant la production dlectricit. Larrive maturation de plusieurs nouvelles technologies va favoriser cette mutation. Ces technologies comprennent, la production de llectricit partir des nergies renouvelables, comme le vent, le photovoltaque, les centrales hydrauliques, la biomasse, la gothermie, les vagues ocaniques et les mares, ainsi que les sources propres , cest--dire dont la rpercussion est moindre sur lenvironnement comparativement aux sources de production classiques. On peut citer les microturbines gaz et les piles combustible. Elles peuvent tre considres comme renouvelables si le combustible lui-mme utilis est renouvelable (cas de la microturbine) o lhydrogne est produit partir dune source renouvelable (cas de la pile combustible). Bien quelles soient polluantes, les gnratrices Diesel sont encore couramment utilises, mme pour des gammes de puissance relativement leves, en particulier dans les rgions loignes et les systmes autonomes. Les gnratrices Diesel sont bon march et ont un rendement relativement bon et peuvent avoir un impact moins nocif sur lenvironnement si elles sont alimentes par un bio-carburant. La Figure 1-3 montre une liste non exhaustive des lments qui peuvent tre intgrs dans un micro rseau. Nous nous sommes intresss particulirement aux cellules qui comportent la fois des 22 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 24. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides technologies mergentes et volatiles, des gnrateurs traditionnels et une unit de stockage de lnergie. Dans ce qui suit, on dcrira succinctement quelques-unes de ces technologies.Figure 1-3 Exemple des lments constituant un systme hybrideII.2. Quelques lments dune centrale multi-source a- Gnrateurs combustion traditionnels (Microturbine ) Les microturbines sont des turbines de petite taille qui peuvent fonctionner au gaz naturel, au propane ou au fuel. Elles sont constitues dun compresseur, dune chambre combustion, dune turbine et dun gnrateur. Le gnrateur et la turbine sont souvent monts sur le mme axe. Contrairement aux turbines traditionnelles, les microturbines fonctionnent des tempratures et pressions moins leves et tournent des vitesses trs leves (100.000 tours/minute). Elles peuvent tre installes facilement, ont un bon rendement global (80%), et de trs faibles missions polluantes, notamment en oxyde dazote. En outre, les microturbines sont connues pour leur dynamiquerapide et ont de trs bonnes performances concernant la poursuite de la charge. La chaleur produite peut tre utilise pour satisfaire les besoins en chauffage [12]. La figure I.4 montre les principaux avantages dune microturbine. Les microturbines gaz sont des turbines combustion qui produisent des gaz de trs haute temprature et pression. Ce gaz est utilis pour faire tourner laxe de la microturbine qui entraine le compresseur et lalternateur. Nous allons aborder en dtail le principe de fonctionnement de la microturbine au cours du chapitre II.23 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 25. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesFigure 1-4 Avantages de lutilisation des microturbines b- Elments de stockage (batterie, super capacit, volant dinertie.) Parmi tous les lments de stockage on peut citer les batteries et les supercapacits. Elles sont gnralement charges lorsque la demande en puissance est faible et dcharges quand la demande est importante, et sont combines avec dautres types de systmes de production dnergie. Les batteries sont dotes dun contrleur de charge qui permet de les protger contre les surcharges et les dcharges excessives. La taille de ces batteries dtermine la dure de la priode de dcharge. Dans le chapitre II, on dtaillera le fonctionnement de la batterie, leurs diffrentes classesetc. c- Technologies renouvelables (panneaux photovoltaques, olienne,.) Lpuisement inluctable des ressources fossiles, associe une volont de rduction du taux de , conduit naturellement introduire une diversification de la production lectrique reposant sur des gnrateurs base dnergie renouvelable, au ct des groupes lectrognes diesel jusqu prsent uniquement utiliss dans les micro rseaux. Compars aux units de production centralise (centrale nuclaire, ), les gnrateurs base dnergie renouvelable sont de trs petites puissances en raison du dimensionnement du systme de conversion primaire (surface des panneaux photovoltaque (PV), longueur des pales, ). Par contre, ce dimensionnement favorise les installations sur un rseau de distribution chez les particuliers et donc en trs grand nombre. La croissance de ces filires renouvelables devrait rester trs soutenue et ainsi continuer daugmenter leur part dans la production dlectricit mondiale. En premier lieu, ces technologies ont fait normment de progrs, que ce soit sur le plan de la fiabilit, ou sur le plan de leur capacit rduire leurs cots de production. Ces progrs ont attir de nouveaux investisseurs intresss par les perspectives de dveloppement. Ceuxci ont permis daugmenter la taille des projets dnergies renouvelables et donc daccrotre trs rapidement le productible de ces filires.24 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 26. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesIII. De la gestion de la puissance dans les systmes hybrides cause de leur caractre alatoire et intermittent, les nergies renouvelables posent des difficults de gestion aux oprateurs de systmes lectriques. Le problme saggrave dautant plus lorsque le niveau de pntration des nergies renouvelables est important sur le rseau lectrique. Comme tout moyen de production, les units de production dnergie renouvelable doivent respecter un certain nombre de contraintes techniques lies au fonctionnement des systmes lectriques pour tre connectes au rseau. Certaines contraintes vont tre redfinies en tenant compte des spcificits lies la production renouvelable (les capacits de rglage de la frquence par exemple ne sont pas encore exiges au niveau des units de production). Pour cela, une solution est dutiliser en parallle dautres moyens de production dnergie (hors nergies renouvelables) avec comme principal enjeu la gestion optimale de lnergie. Dans un futur proche, le gestionnaire de rseau devra disposer d'outils de prdiction des productions oliennes et photovoltaques. A terme, la prdiction de la production lectrique pourra tre un outil dcisionnel pour les producteurs et le gestionnaire de rseau, que ce soit dans le cas des systmes insulaires ou dans le cas gnral des marchs de gros lectriques). Pour les petits rseaux insulaires, la prdiction de production intermittente sera couple avec des systmes de stockage [13]. De plus, une rduction de l'intermittence et de la variabilit de la production pourra tre assure par une multiplication de sources loignes, procd appel foisonnement gographique. Ainsi, le stockage, le foisonnement et la prdiction des nergies intermittentes devraient permettre une meilleure intgration des nergies renouvelables dans les rseaux lectriques. Leur prdiction permettra de prvoir les rserves nergtiques qui prendront le relais pour prserver la scurit du systme.III.1. Supervision multiniveaux des centrales multi-sources La subdivision de la supervision en plusieurs niveaux est due principalement trois lments : lexistence de fortes incertitudes, les caractristiques des moyens de production et les contraintes du fonctionnement du rseau. Un contrle au plus prs du temps rel est ncessaire, car les prvisions sont moins incertaines. En outre, les contraintes techniques des centrales de productions ne permettent pas de rpondre rapidement la demande, do la ncessit de prdire les variables, avec un horizon plus ou moins long, en fonction de la dynamique de la centrale de production. Ces caractristiques des moyens de productions (centrale nuclaire, thermique.), obligent les acteurs du rseau rsoudre des calculs doptimisations, sur une priode assez longue afin de pouvoir prendre en considration les dynamiques ncessaires. Enfin, les contraintes imposes par le gestionnaire du rseau doivent tre respectes en temps rel. Le problme majeur de lensemble des acteurs du systme lectrique et plus particulirement de lexploitant est de maintenir lquilibre entre loffre disponible et la demande. Pour satisfaire cet 25 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 27. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides objectif, quatre types dactions sont raliss diffrents horizons : Niveau 3 (annes), Niveau 2 (1 jour plusieurs jours ), Niveau 1 (10 15 minutes) , Niveau 0 (trs prs du temps rel). Bien que ces niveaux soient interdpendants, leur sparation est principalement faite afin de rduire les efforts de calcul du problme. Une part des algorithmes de conduite dun grand rseau lectrique concerne en effet loptimisation conomique du fonctionnement. Ce sont essentiellement les problmes suivants, classs de lhorizon le plus long au contrle prs du temps rel: UnitCommitment (UC), dispatchingconomique (Economic Dispatch : ED), et le contrle dynamique, correspondant aux niveaux prcits [14]. Les points communs des algorithmes cits sont : Formulation sous forme dun problme doptimisation sous contraintes ; la nature des contraintes dgalit de type lois de Kirchhoff, bilans dnergie ; la nature des contraintes dingalit correspondant un domaine de fonctionnement admissible (limitation des ressources, scurit). Dautre part, les fonctions objectifs peuvent tre de diffrents types : critres conomiques (cot total de production), dviation minimale par rapport au point courant, qualit du plan de tension, etc. La 1 .5 montre les algorithmes associs chaque niveau temporel. Remarque : Le problme de la coordination optimale des moyens de rglage dun rseau pour assurer un critre de qualit en rgime permanent est souvent appel Rpartition des Flux de Puissance Optimale ou Optimal PowerFlow (OPF) dans la littrature anglo-saxonne [15]. Il sagit dun processusdoptimisation, centr autour dune fonction objectif minimiser. LOptimal Power Flow sappuie sur un calcul de rpartition des charges, ou Load Flow en anglais, pour connatre ltat lectrique du rseau. Ce terme OPF avait t choisi dans les annes 1970 pour dsigner les optimisations buts conomiques (Unit Commitment, Economic Dispatch,.) pour le dispatching (rpartition des consignes de production), c'est--dire lquilibre production-consommation aux pertes prs et moindre cot. De nos jours, on dsigne par le terme OPF, tout processus doptimisation li la gestion des rseaux (reconfiguration, diminution des pertes, dispatching conomique entre autres). La Figure 1-5 montre les oprations ayant lieu en fonction de lhorizon de prdiction. Les dtails des oprations ralises dans chaque niveau sont dcrits dans la suite.26 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 28. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesFigure 1-5 Gestion de lnergie dun systme hybride, sur plusieurs niveaux selon lchelle de tempsIII.2. Supervision moyen terme et long terme Niveau 3 (horizon : une anne plusieurs annes) Ce niveau concerne les horizons longs terme voire trs long terme. Les prvisions trs long terme permettent de connaitre les investissements raliser au niveau des moyens de production et de transport. Il sagit donc de planifier dans le but de mettre en vidence les besoins en investissement du systme lectrique production-transport. Dans le cas dune cellule multisources, la supervision pluriannuelle prvoit la production de chaque lment en fonction des cycles annuels de demande et des programmes de maintenance [16].Niveau 2 (horizon : 1 jours une semaine) A un horizon proche, de la veille du jour donn par exemple, il sagit de prvoir tout dabord les dates de mise en service des ouvrages, puis les besoins en combustibles, les consignations des ouvrages pour maintenance et le plan de charge pour les groupes. Toutes ces oprations reposent sur des prvisions de consommation et ventuellement de la production renouvelable, affines au fur et mesure quon se rapproche du jour donn. La prdiction la priode j+1 est importante pour le gestionnaire car elle a une application industrielle immdiate. Par exemple, dans le cadre de linterconnexion SACOI ( liaison courant continu Italie-Corse-Sardaigne ), il faut tre capable dorganiser la gestion des stocks fossiles. En fait, la mise en uvre des moyens de production thermiqueEDF dure environ 30 min, il faut donc tre capable de prdire les baisses dnergieintermittentes au moins 1 heure lavance. Le systme de pilotage, visant loptimisation du fonctionnement du microrseau du point de vue technique, conomique ou cologique, sexerce au27 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 29. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides niveausuprieur,surlabasedes informations disponibles (tat du rseau, disponibilit desgnrateurs, prvisions de consommation, tarifs en vigueur, etc.) et dtermine le programme de gnration des prochaines heures. Le nom usuellement utilis pour dsigner cette problmatique est lUnit Commitment Problem ou problme dengagement des units. Le problme dengagement des units consiste choisir les units de production qui seront oprationnelles sur une chelle de temps discrtise, de manire minimiser le cot de production total [17]. Il sert aussi dterminer les units de production dmarrer ou arrter ainsi que les niveaux de production prvisionnels pour chaquesous-priode de lhorizon deprogrammation, tout en maximisant le profit du parc deproduction. Programmer les units pour un horizon de temps dans le futursouslaprsencedincertitudes signifie que des prvisions devront tre faites sur certains paramtres qui ne sont pas connus de manire certaine au moment de la programmation. Par exemple, la production des oliennes est entache dincertitudes. Les units doivent satisfaire la charge ainsi que la rserve tournante, c'est--dire une rserve de puissance permettant dassurer la stabilit du rseau ou des services (rglage de frquence). De plus, chaque unit possde ses propres limites de production. Il sagit donc dun problme doptimisation linaire mixte (discret / continu), sous contraintes (MILP :Mixed Integer Linear Programming Problem ). Les mthodes de rsolution de ce problme seront dtailles dans le paragraphe V. Pour rsumer, il faut dfinir moindre cot : lordonnancement dallumage/extinction de chaque centrale sur toute la priode considre la production de chaque centrale pour toute date o elle fonctionne de faon satisfaire un ensemble de contraintes. LUC peut tre formul comme suit [18] :souslescontraintes : (1) (2)28 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 30. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides avec : ():rserve de puissance (services) :rserve de puissance obligatoire (stabilit) variable dtat pour la source lheure : :on/off pour la source lheure fonction de la ressource i lheure H::ensemble des charges :ensemble des gnrateurs vecteur des flux de puissance changs dans le rseau vecteur des puissances maximales: :Le problme de lUC, lorigine est rsolu par la mthode de relaxation lagrangienne ou la mthode de relaxation lagrangienne augmente [18], [19]. Lide consiste relaxer (supprimer) une partie des contraintes (en principe celles qui rendent le problme compliqu) qui sont introduites dans la fonction objectif sous la forme dune pnalit qui combine linairement les contraintes relaxes. Le problme de lUnit Commitement possde deux types de contraintes : contraintes sparables et contraintes couplantes. Les contraintes sparables sont par exemple les capacits des units et les temps minimaux darrt et les temps minimaux de redmarrage, ces contraintes sont intrinsques chaque unit. Dautre part, les contraintes couplantes, couplent les units entre elles, cest--dire que le changement dans une unit affecte les autres units ; comme exemple, on peut citer la contrainte de lquilibre entre la demande et la production. Aux tats-Unis, lopration de la rsolution de ce problme seffectue en deux tapes. La premire tape consiste rsoudre le problme sans considrer les contraintes. La seconde tape est de vrifier si le rsultat respecte le flux de puissance ainsi que les contraintes. Sinon loprateur (Independent System Operator) va intervenir pour modifier le rsultat pour des raisons de scurit.III.3. Supervision court terme Niveau 1 (Horizon : 10 15 minutes) Lorsque lon sapproche du temps rel, les prvisions des charges et des ressources sont mises jour et la supervision moyen-terme (niveau 2) permettra de fournir les puissances de rfrence aux lments constituants le systme multisources, tout en maximisant et en diminuant la fluctuation de la puissance fournie au rseau. A ce niveau, les moyens de production dynamique rapide (exemples : batterie, volant dinertie ) sont utiliss car ils sont trs rapidement exploitables. Le nom usuellement donn ce problme est : Economic Dispatch Problem (ED Problem) ou problme de dispatching conomique. L'objectif de base dun dispatching conomique (ED) est la gnration et lexploitation 29 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 31. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides cot minimal de l'nergie lectrique dans un rseau en satisfaisant toute la demande avec les contraintes dgalit et dingalit du systme. Une des limitations du dispatching conomique est laspect statique du problme. En effet, quand on rsout un dispatching conomique, on le fait pour une demande un instant prcis. Lorsque le problme prend une dimension dynamique, cest--dire lorsque la demande volue dans un intervalle de temps donn (une journe par exemple), il faut alors tenir compte des tats des centrales ainsi que des changements dtat qui occasionnent des cots supplmentaires. Le problme de lED est formul comme suit [20]: ,(3)sous contraintes : , ,,, ,(4)avec : : : nombre de gnrateurs ensemble des charges : charge prdite linstant k ou k est la priode de prdiction (par exemple 10 minutes) : cot de lexploitation du gnrateur et : ::respectivement puissance minimale et maximale du gnrateurvecteur des flux de puissance changs dans le rseau rserve obligatoireDaprs la formulation de lED, on remarque que les rponses dynamiques de chaque gnrateur ne sont pas prises explicitement en compte lors de la formulation. Les gnrateurs dont le temps de rponse est lev, comme les centrales nuclaires et les centrales charbon ne sont pas considrs. Bien que lUC et lED soient interdpendants, la sparation de lUC et de lED a pour but principal de rduire les efforts de calcul du problme doptimisation mixte (discret/continu). Niveau 0 (trs prs du temps rel) La commande de niveau infrieur (niveau 0) est le contrle local de tension et courant de chaque gnrateur (via un convertisseur de puissance, ou non). Ces contrleurs ralisent en 30 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 32. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides tout instant la rgulation, afin de gnrer les puissances active et ractive souhaites. Ces contrleurs locaux permettent de fournir la puissance de rfrence avec une certaine dynamique. Remarque : Il existe une autre problmatique de gestion de la puissance dans les rseaux lectrique qui concerne la dviation de la frquence. Ce qui nest pas lobjet de nos travaux. En dautres termes, la cellule multisources est connecte un rseau assez puissant pour imposer sa frquence (50 Hz). Le rseau peut ainsi compenser les dcalages entre la puissance demande et la puissance produite dans le cas o la cellule nest pas capable de satisfaire totalement la charge. La dviation de la frquence indique quil y a un dsquilibre entre la puissance gnre et la puissance demande par la charge. Afin de maintenir la frquence dans une plage de variation acceptable, la gnration doit tre ajuste en temps rel pour rpondre aux carts entre les valeurs actuelles et valeurs prdites. Dans des conditions de fonctionnement normales, la frquence est troitement maintenue dans une bande troite autour de la frquence nominale. Dans le cas dune perte de ligne par exemple suite un dfaut, la frquence doit tre maintenue au-dessus dun seuil de frquence prdtermin. Si cette valeur seuil est dpasse, le systme de protection va dconnecter une grande partie de la gnration et le consommateur est affect. Il existe deux types de rgulation de frquence dans les rseaux lectriques : un contrle primaire individuel de chaque unit de production et un contrle secondaire qui consiste contrler les zones de production [21]. Un contrle primaire de la frquence est trs rapide et il est destin compenser les dsquilibres entre la gnration et la charge. Il est implment en utilisant des rgulateurs de vitesse dans les centrales de production conventionnelles (thermique, hydraulique..). Ces contrleurs permettent dajuster la sortie en puissance des gnrateurs, en rponse une dviation de la frquence. Le dlai pour un contrle primaire de frquence est entre quelques secondes une minute. Le contrle secondaire (LFC : load-frequency control ou AGC : automatic generation control ), est ralis par un rgulateur centralis situ au centre de conduite de la zone de rglage et dont le rle est de modifier automatiquement le programme de production des centrales jusqu annuler lcart de rglage de la zone.III.4. Supervision dynamique dune centrale multi-sources On rappelle quune centrale multi-sources est constitue de plusieurs lments contrlables ou non (en particulier non totalement contrlables pour un certain nombre de sources dnergie renouvelables), et de caractristiques dynamiques souvent trs diffrentes, et que ces sources doivent contribuer un niveau de puissance spcifi, par exemple dans les niveaux 1 et 2. Les parties prcdentes montrent quil existe un vide entre le niveau 1, qui rpartit les puissances de manire statique (Economic Dispatch) sans tenir compte des variations non matrisables du niveau de puissance de certaines sources,31 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 33. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides ni des dynamiques respectives de ces sources, et dautre part des commandes locales de chacun des lments contrlables (Niveau 0). La supervision dynamique que nous allons prendre en charge tout au long de ce mmoire sinscrit donc comme une gnration de trajectoires de rfrence pour chacun des contrleurs locaux, tenant compte dune part des ordres donnes aux niveaux 2 ou 1, et dautre part de la dynamique en boucle ferme de chacun des lments de la centrale. Notre tage de supervision peut tre insr entre le niveau 1 et 0. Cela est justifi par le fait que les prdictions de 10 15 minutes sont peu prcises, notamment en ce qui concerne la production de la puissance solaire dont les dynamiques de variation sont trs rapides pendant les journes marques par des passages trs frquents de nuages. A ce titre, le problme de pilotage optimal de systme multi-sources se rapprocherait dun problme classique de calcul de plan de production optimal des centrales dun rseau (Unit Commitment), ramen une trs petite chelle. On peut en effet ngliger linfluence du rseau, les pertes tant ramenes en rendement de production des gnrateurs, et le superviseur devant dcider des plans darrt et de dmarrage sur la priode des gnrateurs commandables. Cependant, suivre cette approche comme un problme dengagement des units (Unit Commitment) ncessiterait une masse dinformations exhaustive en termes de courbe de cots, de puissance appele, de taux de disponibilit, etc. En outre, les prvisions sur 24 heures des charges et des ressources renouvelables sont gnralement trs grossires. Les algorithmes de conduite existant tels que lengagement des units (Unit Commitment) et le dispatching conomique (Economique Dispatch) ne sont donc pas adaptables notre problmatique et ne permettent pas dintgrer les dynamiques des lments de la cellule multisources et de tenir compte efficacement des prdictions. Notons quun contrle de frquence (Load Follow) nest pas ncessaire dans le cas dun systme multisources connect au rseau, ce qui sera le cas dans le reste de ltude. En dautres termes, le rseau peut changer de la puissance avec le systme hybride et compenser les dcalages ventuels. Chaque lment de la cellule multisources possde son propre contrleur (contrleur MPPT, rgulateur PI etc ) et les sources sont parfaitement contrles (Niveau 0). Dans le cadre de la thse, on ne sintressera quaux fonctions de supervision dune cellule multisources de petite taille, c'est--dire un maximum dune dizaine de sources ou moyens de stockage, videmment, comme le nombre de degrs de libert devient important, il se pose le problme dun pilotage optimal de la cellule, qui fait tout lobjet de la thse. Il faudra donc dfinir ce que lon entend par l optimalit du pilotage. Dans ce qui suit, on dressera un tat de lart des mthodes de supervision.32 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 34. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybridesIV. Etat de lart des technique de supervision des systmes multisources La gestion nergtique fait lobjet depuis quelques annes de nombreuses publications, notamment dans le domaine des systmes multisources. Son objectif est de gnrer les rfrences des diffrentes boucles de commande de manire respecter les objectifs du cahier des charges et en vrifier toutes les contraintes. Afin de trouver une solution optimale, la connaissance pralable du profil de la charge et ventuellement des ressources renouvelables est exige. Les contraintes imposes par le dimensionnement des lments du systme doivent tre respectes et une attention supplmentaire doit tre porte sur ltat de charge et la sollicitation des lments de stockage, sils font partie du systme hybride. Le dfi majeur de cet objectif est notamment le fait que la puissance demande par la charge et les ressources renouvelables ne peuvent pas tre connues lavance. Donc le superviseur doit ainsi rpondre une sollicitation instantane de puissance sans connaissance pralable du futur profil de la demande en puissance. Pour les systmes hybrides relativement complexes et dont les profils de charges sont volutifs dans le temps, de nombreuses mthodes issues de lautomatique sont appliques pour optimiser la performance dun systme multisources en respectant un certain nombre de contraintes, mais lheure actuelle aucune ne semble avoir dmontr sa supriorit et ne sest impose par rapport aux autres. Dans ce qui suit on va dresser une liste non exhaustive des mthodes de supervision classes selon deux critres : mthodes de supervisions ncessitant ou non un modle du systme, mthode de supervision selon lapproche utilise (optimisation, squentiel,..etc. ). On notera que de nombreux travaux au Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique de Puissance (L2EP) de Lille traitent des problmatiques des niveaux de contrle local, analyses en simulation off line et valides en temps rel laide doutils temps rel et temps rel hybrides, notamment les travaux de Tao Zhou sur les commande dun gnrateur hybride actif olien incluant un systme de stockage [22] et les travaux dArnaud Davigny concernant la participation aux services systmes des fermes oliennes [23]. Les travaux de Vincent Courtecuisse concernent la supervision dune centrale multisources base doliennes et de stockage dnergie connects au rseau. La logique floue a t utilise comme outil afin de concevoir le superviseur, et le niveau concern est le moyen terme. Parmi les travaux contemporains aux ntres, on peut citer les travaux de Ye Wang concernant la participation active des oliennes au rglage de frquence et la thse de Firas Alkhalil qui concerne la supervision moyen terme (Niveau 2) dun systme hybride en rsolvant le problme dengagement des units ( Unit Commitment Problem) de faon satisfaire une demande globale dlectricit prvisionnelle sur33 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 35. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides 24 heures. Nos travaux sinscrivent ainsi dans une continuit et viennent complter des travaux sur la supervision dune centrale multisources, leur originalit tant de prendre en compte les prvisions des sources dnergie non contrles et de proposer une solution modulaire, reconfigurable et optimale.IV.1. Mthodes de supervision avec ou sans modle Les fonctions de contrle dun systme hybride peuvent tre divises en deux catgories, savoir les contrleurs locaux et le systme de supervision, comme indiqu sur la Figure1-6 . Les contrleurs locaux permettent au systme global de fonctionner correctement en respectant les consignes. Ils peuvent tre subdiviss en deux sous-catgories : contrle squentiel type on/off (exemple : connecter ou dconnecter un lment), rgulateur PID ou autre, qui permettra dassurer le contrle des grandeurs asservies, qui peuvent tre, par exemple, loptimisation de la puissance extraite du dispositif (dispositif MPPT : Maximum Power Point Tracking), le contrle des grandeurs lectriques (consignes puissance active-ractive ou frquence-tension, par exemple), de grandeurs mcaniques, etc.Fonction de contrleContrle squentielON-OFFContrle de procdPID,autresContrle localModle physiqueBase sur le ModleModle boite grise Modle boite noire SupervisionMthode hybride Mthode dapprentissage Mthode saffranchissant du modleSystme expertAutre techniquesFigure 1-6 Schma de classification des fonctions de contrles dans les systmes hybrides Le systme de supervision vise principalement satisfaire la charge, en tenant compte de plusieurs paramtres du systme hybride. Contrairement la commande locale, le systme de supervision ne doit tre conu quaprs une comprhension des caractristiques du systme global, les interactions ventuelles entre les sous-systmes et leurs variables associes. La connaissance de ces caractristiques34 2013 Tous droits rservs.http://doc.univ-lille1.fr 36. Thse de Lamine Chalal, Lille 1, 2013Chapitre I : Etat de lart de la gestion de puissance dans les systmes hybrides peut tre utilise pour minimiser une fonction objectif , ce qui va conduire lamlioration de la performance du systme. Comme indiqu sur la Figure1-6, les stratgies de supervision peuvent tre classes en trois groupes : mthodes bases sur un modle dynamique, mthodes saffranchissant du modle et les mthodes hybrides. Mthode sans modle Ce type de mthodes ne ncessite pas la connaissance du modle du systme cibl. Les systmes experts et les mthodes dapprentissage peuvent tre utiliss pour concevoir ce type de superviseur. Un systme expert peut imiter le raisonnement humain pour prendre des dcisions pour un point de fonctionnement donn en se basant sur une base de connaissance. Il a galement la possibilit de dduire des solutions raisonnables mme lorsque les donnes sont incompltes. Un systme expert peut tre facilement implment, toutefois il est affect par la richesse de sa base de donnes et en dehors de son domaine dexpertise, il peut induire des erreurs significatives. Les mthodes dapprentissage ne ncessitent pas non plus la connaissance du modle mathmatique du systme. Elles dcrivent un paradigme dapprentissage dans lequel le systme tente damliorer son comportement par rapport des actions prcdentes. Ces mthodes peuvent trouver une solution optimale ou quasi-optimale. Cependant, elles demandent un temps considrable pour apprendre au contrleur. Ces mthodes sont trs sensibles aux paramtres dapprentissage, cest la raison pour laquelle il est difficile de les implmenter en pratique. Mthodes base de modles La connaissance du modle permet de prdire la rponse du systme afin dadapter les paramtres du contrle. L