IBTSS-05-OMM
PRODUCTION HYDRAULIQUE (DISPATCHING)
Introduction
La HES-SO Valais dispose dans ses locaux de Sion, « un laboratoire pour les énergies renouvelables, le stockage et le smart grid nommé « GridLab » est utilisé pour la formation et la recherche. Le GridLab traite de la production, du transport et de la distribution d’énergie renouvelable. » (HEVS) Plusieurs types de production renouvelable sont implémentées, l’hydraulique, l’éolien et le solaire. Des lignes électriques enterrées ou aériennes sont présentes soit sous la forme de segments de câbles soit sous la forme de modèles équivalents basés sur des éléments RLC discrets. La distribution d’énergie est quant à elle traitée avec l’utilisation de quartiers de consommateurs/producteurs dont chaque maison est modélisée par une source quatre quadrants programmable.
Le GridLab possède tous les attributs nécessaires à la mise en place d’un « microgrid ». Un microgrid est défini comme « un groupe de charges et d’installations de production décentralisée avec des limites électriques clairement définies, qui agit comme une entité contrôlable unique et peut fonctionner soit en mode connecté au réseau électrique, soit en îlotage ». (Donnée TD) Les buts d’un microgrid sont divers, l’îlotage permet d’alimenter en électricité des zones isolées géographiquement ou d’assurer la disponibilité de l’alimentation électrique même dans le cas d’une panne du réseau de distribution.
La communication et le contrôle mis en place permettent de gérer le réseau pour effectuer certains scénarios. Les exemples de scénarios sont multiples, par exemple, l’optimisation de l’autoconsommation du microgrid, le suivi d’un programme prédéfini, la diminution du transfert d’énergie entre le réseau de distribution et le microgrid.
Le contrôle d’un microgrid s’effectue avec trois niveaux. Pour le premier niveau, le contrôleur local des appareils assure la stabilité électrique, le deuxième niveau adapte les consommations et les productions des divers composants pour compenser les déviations d’un programme établi à l’avance, le troisième niveau optimise le programme du microgrid pour réduire les coûts de fonctionnement. (Mahmoud, 2017) Au début du projet, les éléments du microgrid sont fonctionnels dans le GridLab, d’un point de vue électrique.
Ils ont certes chacun une interface de communication, mais ils ne sont pas intégrés dans un environnement informatique homogène. Le premier défi consiste à permettre à un contrôleur de microgrid de monitorer et de commander chaque élément. Sur cette base, quelques scénarios seront développés. Les résultats de ce travail de Bachelor peuvent être réutilisés pour tous types d’applications dans le GridLab : laboratoires pour les étudiants ou des travaux de recherches.
Objectifs
Le projet de microgrid est divisé en trois parties : la connexion électrique entre les différents composants, la communication entre ceux-ci et le contrôle global des appareils. L’objectif de la communication est de permettre au contrôleur de microgrid d’accéder aux composants du microgrid d’une manière uniforme, quels que soient les protocoles de communication spécifiques aux appareils. Chaque composant électrique du réseau devra être interconnecté électriquement.
Lors des différents scénarios, cette interconnexion doit pouvoir être modifiée très facilement pour adapter la typologie du réseau en fonction des besoins. Le microgrid doit fonctionner lorsque l’un des éléments est hors service.
De plus, un élément non prévu lors de la conception du microgrid doit pouvoir être ajouté facilement. Le contrôleur global pilote tout le système en fonction des scénarios, la complexité varie en fonction de l’application voulue. Une régulation complexe permet d’optimiser différents paramètres électriques et économiques.
Les paramètres électriques sont essentiels pour le bon fonctionnement du réseau. Les facteurs économiques varient en fonction des scénarios.
Le système de contrôle est découpé en partie simple, lors de la mise en place d’une nouvelle application ou d’un scénario l’adaptation est facile et rapide. Cette manière de faire est idéale, chaque composant peut être utilisé ou non sans affecter le bon fonctionnement du microgrid.
Microgrid
Introduction
Un microgrid est défini comme « un groupe de charges et d’installations de production décentralisée avec des limites électriques clairement définies, qui agit comme une entité contrôlable unique et peut fonctionner soit en mode connecté au réseau électrique, soit en îlotage ». (Donnée TD) Un microgrid est composé de :
sources d’énergies renouvelables (solaire, éolienne, biomasse)
sources d’énergies fossiles qui assurent la stabilité du réseau (génératrice diesel)
système de stockage d’énergie (batteries, stockage hydrogène ou mécanique)
réseau de distribution
contrôleur intelligent
Applications
Les microgrids ont plusieurs applications différentes, réparties en 5 grandes catégories.
Zones industrielles : les industries ont une grande consommation d’énergie, le microgrid regroupe plusieurs entreprises n’ayant pas le même profil. Le but est d’optimiser la gestion énergétique pour avoir un bilan plus neutre vis-à-vis du réseau.
Campus (universitaire ou d’entreprise): l’efficience énergétique de ces grands consommateurs est un enjeu important et réalisé avec la mise en place d’un microgrid.
Zones isolées: ces réseaux peuvent être temporairement coupés du réseau, les microgrids permettent d’exploiter les énergies renouvelables et de diminuer l’utilisation des groupes diesel polluants et coûteux. De plus, la sécurité d’approvisionnement est grandement améliorée.
Ecoquartiers : permet à un ensemble de consommateurs individuels de se rassembler et de diminuer leur charge de pointe.
Zones sécuritaires (base militaire, hôpital) : avec ses propres moyens de production et de stockage, le microgrid garantit une autonomie énergétique durant les coupures de courant sur le réseau.
Avantages
côté technique : gestion optimisée de la production d’électricité renouvelable, sécurisation de l’approvisionnement en énergie.
côté économique, possibilité de se positionner sur les marchés de l’énergie, sortir de la captivité ou se positionner sur le marché du réglage, réduction du coût d’acheminement de l’énergie.
côté sociétal, projet local facilitant les initiatives de partenaires locaux entre eux, réseau plus sûr et fiable.
côté environnemental, meilleures intégrations des énergies renouvelables sur les réseaux et réduction de l’utilisation des génératrices diesel sur les réseaux isolées.
Défis
en mode d’îlotage : maintien de la stabilité du microgrid (tension et fréquence), maintien de la stabilité du réseau de distribution lors de la synchronisation.
modèle économique liant l’autoproduction et l’autoconsommation du ,microgrid.
faire face aux capacités et aux prix des technologies de stockage.
régler les problèmes de législation sur l’utilisation du réseau électrique.
gestion et régulation de l’ensemble du microgrid.
Îlotage
L’application de base d’un microgrid est l’îlotage, cette fonctionnalité permet d’être totalement autonome et déconnecté du réseau de distribution. L’îlotage est principalement utilisé dans des régions isolées. Des villages complets peuvent être alimentés ou alors des stations de recherche, par exemple une station de recherche scientifique en Antarctique fonctionnant indépendamment.
Actuellement, beaucoup de génératrices diesel sont installées pour subvenir aux besoins énergétiques des sites isolés.
Ces génératrices sont très fiables et peuvent produire de l’énergie selon les besoins. La production photovoltaïque remplace au fur et à mesure ces génératrices, mais ce type de production n’est pas contrôlable et cela représente un défi de gestion.
L’avantage avec ce type d’énergie est la réduction des coûts et de la pollution.
Protection d’approvisionnement
Certains sites ne peuvent se permettre de ne plus être approvisionnés en électricité, des raisons sécuritaires en sont la cause.
Les bases militaires doivent être sécurisées énergétiquement, en cas de conflit armé les réseaux électriques sont ciblés.
La capacité de production doit permettre de subvenir aux besoins totaux de la base.
Le type de production est variable selon la localisation des sites, pour ces applications l’aspect environnemental et financier n’a que très peu d’importance.
Gestion énergétique
Une des propriétés d’un microgrid est le fait d’avoir des limites électriques clairement définies avec le réseau de distribution. Le but est de visualiser et de gérer au mieux le flux d’énergie entre le réseau électrique et le microgrid.
Dans certaines situations l’électricité produite localement est moins chère que l’électricité achetée au distributeur, car le distributeur facture le transport de cette énergie et cette énergie est taxée.
En réduisant au maximum l’énergie soutirée du réseau, les coûts pourront être réduits. Pour augmenter l’autoconsommation du microgrid, le système de contrôle va optimiser l’exploitation du système de stockage. Par exemple, la charge et la décharge des batteries devront être gérées intelligemment en fonction des prévisions de consommation et de production.
La tarification de l’énergie varie en fonction du fournisseur et du type d’approvisionnement. Certains contrats de fourniture sont basés sur des courbes de charge envoyées préalablement aux fournisseurs 24 heures en avance. L’opérateur du microgrid planifie sa production et sa consommation et l’envoi à son fournisseur pour que celui-ci puisse acheter l’énergie nécessaire ou planifier sa production du lendemain. Lorsque l’exploitant du microgrid ne respecte pas son profil, il doit payer des pénalités, c’est pourquoi un système de gestion qui peut adapter le flux de puissance instantané à la courbe de charge prévue permet de réduire les coûts.
Grid Codes
Introduction
Certaines normes doivent être respectées, elles sont fixées par le Distribution Code et le Transmission Code pour la Suisse. Ces normes limitent l’impact des producteurs sur le réseau électrique et définissent la qualité de l’énergie à fournir au client.
Dans chaque pays, des spécificités apparaissent. Le Grid Codes permet de tirer certaines analogies entre la gestion d’un réseau électrique et d’un microgrid.
Les notions de réglage primaire, secondaire et tertiaire sont adaptées à l’échelle d’un microgrid en îlotage. Le pilotage des puissances actives est aussi utilisé lors de l’îlotage.
Quartier de consommateurs (District)
Le GridLab est constitué d’une partie District. Le District représente des quartiers avec des caractéristiques réelles.
La différence entre ces quartiers réside dans les impédances correspondant aux lignes électriques.
Des lignes aériennes et enterrées sont ainsi représentées. L’utilisation de ligne différente peut mettre en évidence certains problèmes liés à la topologie du réseau électrique.
Consommateurs et producteurs
Les trois maisons, consommateurs-producteurs, sont implémentées avec des drives ABB (ACS800).
Ces drives peuvent être pilotés avec des consignes de puissance active et réactive. Les ACS800 sont capables d’émuler une consommation d’un foyer et une production solaire, cette fonctionnalité permet de réaliser n’importe quel type de profil.
La limite de puissance est de 15 [kVA] par maison. Cette limite est largement supérieure aux besoins du microgrid. Les drives communiquent avec un protocole Modbus TCP/IP. Avec Modbus TCP/IP les consignes de puissance active et réactive sont envoyées directement au drive ACS800.
Mesure
Les appareils de mesures sont identiques aux différents points de mesures.
Les mesures sont effectuées avec des SICAM-T. Ces appareils sont très performants et permettent de mesurer tous les paramètres nécessaires à la gestion du microgrid.
Les paramètres utiles sont la tension moyenne des trois phases, le courant sur chaque phase, les puissances (active, réactive, apparente) et la fréquence.
Les SICAM communiquent avec un protocole Modbus TCP/IP.
Compensateur sériel
Le compensateur placé au début de la ligne n’est pas utilisé dans le microgrid.
Cet élément permet de régler la tension pour éviter les dépassements fixés par la norme. Il faut prendre en compte que cet élément est déjà implémenté et qu’il peut être utilisé en cas de nécessité ou pour ajouter une fonctionnalité au microgrid.
Contraintes
L’utilisation du District engendre différentes contraintes importantes.
Le courant circulant dans les lignes électriques est limité à 40 [A]. Ce courant est atteint très rapidement avec l’utilisation particulière du District lors de la mise en place du microgrid. Le courant sur les points d’injection est limité à 16 [Arms] par phase.
Les points d’injection sont utilisés pour connecter des batteries, une production solaire et des génératrices hydroélectriques. Ces appareils ont une puissance faible et ne permettent pas d’atteindre un courant aussi élevé. La puissance des consommateurs-producteurs se limite à 15 [kVA] cette limite est nettement supérieure aux besoins du microgrid.
Contraintes
La contrainte principale de ce système de stockage est l’influence du BMS interne à la batterie Apollion. La puissance de consigne ne peut pas être respectée à tout moment, mais ce système de gestion essaie d’atteindre cette consigne tout en respectant les contraintes de charge et de décharge protégeant la batterie.
Le système de stockage est vu comme une boîte noire par le microgrid. Des consignes de puissance sont transmises et les mesures sont reçues.
Les paramètres et le comportement de cette « boîte noire » ne peuvent pas être modifiés.
Production hydraulique (Dispatching)
Le Dispatching permet d’émuler des groupes de production hydraulique.
Deux groupes de production représentent des turbines Pelton de 33 [MW] et deux groupes représentent des turbines Francis de 17 [MW]. Ces productions sont réalisées avec une échelle de 1 :5000 au sein du Gridlab. La puissance de production nominale est de 20 [kW].
Pour émuler une production hydroélectrique, un variateur de fréquence est utilisé pour piloter un moteur qui fournit de l’énergie électrique.En plus des quatre turbines, une production éolienne et solaire est utilisable.
Les deux turbines Pelton sont les seules productions utilisées actuellement. Les différents groupes produisent de l’énergie et l’injectent directement sur le réseau électrique, l’énergie produite est mesurée en sortie de chaque groupe.
Améliorations
Communication
Il y a très peu d’améliorations à apporter au système de communication. Entre chaque composant du microgrid et le contrôleur principal, le protocole est uniformisé.
Actuellement, des Raspberry Pi permettent la communication entre le serveur cloud.iO et les appareils physiques, certains problèmes de stabilité peuvent survenir avec l’utilisation de ses Raspberry. L’utilisation d’un serveur en remplacement des Raspberry serait idéale.
Régulation
La régulation locale n’est pas effectuée directement dans les appareils physiques, mais elle est active dans le contrôleur. Lorsqu’un système de communication apparait, il faut que la régulation primaire des appareils permette de gérer la fréquence et la tension puisse continuer de se faire. Les régulations actuelles utilisent une fonction d’optimisation, cette fonction ne peut être implémentée sur les appareils physiques. Pour résoudre ce problème, une caractéristique Var-Volt ou autre doit être utilisé.
Ilotage
Actuellement, l’îlotage n’est pas fonctionnel par manque de temps. Pour mettre en place cette fonctionnalité, plusieurs tests doivent être réalisés. La première étape est l’utilisation d’un groupe hydraulique en mode vitesse, ensuite le pilotage des deux groupes avec l’utilisation de charge passive et pour finir le pilotage des groupes avec une charge active. Pour utiliser une charge active, les groupes hydrauliques doivent posséder une caractéristique Watt-Hertz qui permet d’ajuster leur production en fonction de la fréquence.
Programmation
La principale amélioration à apporter au programme est l’utilisation des threads. Les threads fonctionnent avec une boucle « while » et un « sleep » qui permet de choisir le temps entre chaque répétition de la boucle. L’utilisation d’un « sleep » n’est pas optimale, car un décalage s’introduit à chaque passage dans la boucle.
Une fonction python permet de choisir le temps entre chaque répétition d’un,thread avec une grande précision, mais elle n’est pas encore implémentée par faute de temps.
Le diagramme d’objet doit être retravaillé pour obtenir une unité entre le nom des différentes méthodes et le nom des différents paramètres.
Conclusion
Les objectifs de la conception et du déploiement d’un microgrid dans le GridLab ont tous été atteints. Cependant, des améliorations et des développements supplémentaires sont nécessaires.
L’état de l’art sur la recherche et les projets pilotes dans le domaine des microgrids permettent de prendre en main les principes fondamentaux de la gestion d’un réseau, des différentes applications d’un microgrid et de ses contraintes.
La conception des aspects électriques et de commande du microgrid est fonctionnelle, tous les appareils sont opérationnels et connectables en cas de besoins. La commande du microgrid est réalisée avec un système de communication identique pour tous les composants ce qui facilite l’interopérabilité. Plusieurs versions élémentaires d’un microgrid sont implémentées et fonctionnelles, ces versions correspondent à différents scénarios. Actuellement, le scénario le plus complexe permet de suivre automatiquement un programme de consommation et de production prévu.
Ce projet permet d’appréhender les difficultés liées à la gestion des énergies renouvelables, car cette production est aléatoire. Les difficultés rencontrées durant le transport de l’énergie sont aussi appréhendées dans ce travail. Pour finir, les problèmes engendrés par la distribution d’électricité peuvent être pris en main en simulant un quartier de consommateur réel.
Les différents scénarios permettent de commander le microgrid en fonction des envies du gestionnaire de réseau. La commande du système avec les consignes fixes, la régulation locale des appareils, le suivi d’un programme de charge est fonctionnel.
L’utilisation du microgrid en îlotage nécessite quelques développements supplémentaires pour être opérationnel. La régulation est réalisée sur trois niveaux. Le premier niveau, la régulation « local » ajuste le comportement électrique des appareils pour permettre la stabilité du microgrid. Le deuxième niveau ajuste les puissances des appareils qui sont pilotables pour réaliser certains scénarios. Le dernier niveau calcul les paramètres optimaux de fonctionnement du microgrid pour réduire les coûts économiques. Actuellement, le dernier niveau n’est pas implémenté, car les coûts de fonctionnement ne sont pas encore pris en compte. La gestion et la communication entre les différents appareils composant le microgrid sont entièrement opérationnelles.
Le système de pilotage et de communication peut être modifié très facilement pour créer de nouveaux scénarios. Cette adaptabilité permettrait de modifier ce travail pour réaliser des laboratoires pour les étudiants ou des travaux de recherche liés à l’autoconsommation, la gestion d’énergie renouvelable ou d’autres applications.
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Table des matières
INTRODUCTION
OBJECTIFS
MICROGRID
INTRODUCTION
APPLICATIONS
AVANTAGES
DÉFIS
BUTS
GRID CODES
INTRODUCTION
SUISSE (TRANSMISSION CODE ET DISTRIBUTION CODE)
ALLEMAGNE (DIRECTIVE VDE 4105)
ELÉMENTS DU MICROGRID DU GRIDLAB
SCHÉMA DE PRINCIPE
QUARTIER DE CONSOMMATEURS (DISTRICT)
STOCKAGE (BATTERIES)
PRODUCTION HYDRAULIQUE (DISPATCHING)
PRODUCTION SOLAIRE (SOLARMAX)
SYSTÈME DE COMMUNICATION (CLOUD.IO)
SYSTÈME DE CONTRÔLE
PRINCIPE DE BASE
FONCTIONNEMENT EN PARALLÈLE
THREADS
DIAGRAMMES
CONNEXION ÉLECTRIQUE
SCHÉMA DE COMMUNICATION
SCÉNARIOS
SURVOL DES ÉTAPES
CONSIGNES FIXES (ETAPE 1)
RÉGLAGE VAR‐VOLT (ETAPE 2)
COURBE DE CHARGE (ETAPE 3)
ILOTAGE (ETAPE 4)
RÉGULATION
PRINCIPE
VAR/VOLT
WATT / HERTZ
WATT / VOLT
SUIVI COURBE DE CHARGE
DISPATCHING
FONCTION D’OPTIMISATION
RÉSULTATS
CONSIGNE FIXES (ETAPE 1)
RÉGLAGE VAR‐VOLT (ETAPE 2)
COURBE DE CHARGE (ETAPE 3)
ILOTAGE (ETAPE 4)
AMÉLIORATIONS
COMMUNICATION
RÉGULATION
ILOTAGE
PROGRAMMATION
CONCLUSION
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