Soutenance mémoire
Après plusieurs décennies de lente évolution, les réseaux électriques connaissent un développement de grande envergure avec l’émergence des nouveaux usages (véhicules électriques), des nouvelles sources de production renouvelables et décentralisées (éolien, photovoltaïque), ainsi que la multiplication des acteurs due à la libéralisation des marchés de l’énergie. En soutien de ce développement, les réseaux se modernisent et introduisent massivement les technologies de l’information et de la communication, introduisant le concept de réseaux électriques intelligents, dits “Smart Grids”. La présentation du fonctionnement du réseau électrique et de son intelligence est nécessaire à la compréhension des enjeux de cette thèse. Les explications ci-dessous proviennent notamment de deux ouvrages, le premier rédigé par plusieurs auteurs universitaires et industriels [Sabonnadière and Hadjsaïd, 2012], le second par différents chercheurs et experts de EDF [Électricité de France, 2018].
L’un des principaux enjeux du réseau électrique est l’équilibre permanent de l’offre et de la demande, c’est-à-dire la correspondance entre l’énergie injectée sur le réseau par les unités de production et l’énergie consommée par ses utilisateurs. En effet, l’électricité ne se stockant pas encore à grande échelle et à long terme, cet équilibre est l’un des principes fondamentaux du bon fonctionnement des réseaux électriques. Cela requiert des ajustements constants, traditionnellement réalisés via la gestion de la demande à distance (comme la commande des ballons d’eau chaude), et le pilotage des moyens de production centralisés.
Le fonctionnement du système électrique global en France est fondé historiquement sur quatre segments :
— la production, assurée majoritairement par des unités de grande puissance telles que les centrales nucléaires, installées en un nombre restreint de lieux stratégiques ;
— le réseau de transport, acheminant la production vers les centres de consommation, et bénéficiant d’une gestion hiérarchisée et centralisée ;
— les réseaux de distribution, interfaçant le réseau de transport et les consommateurs. Jusqu’à présent, ceux-ci étaient caractérisés par la faible présence de sources de production locales, et donc par un sens de circulation de l’énergie unidirectionnel, depuis les “postes sources” (nœuds d’interconnexion avec le réseau de transport) vers les consommateurs ;
— les consommateurs, considérés comme des contraintes de charges pas ou peu pilotables.
Dans ce fonctionnement, l’électricité circule du “haut vers le bas”, c’est-à-dire du segment de production (tension autour de 400 kV) jusqu’au segment de consommation (tension usuelle de 230 V) via le segment de transport (400 – 90 kV) puis de distribution (20 kV – 230 V).
Les évolutions technologiques, ainsi que la prise de conscience de la question environnementale au sein de la société moderne a contribué à l’essor des énergies renouvelables et de nouveaux usages et équipements de production, dont le développement a un impact fort sur le fonctionnement de nos réseaux traditionnels, sur tous les segments.
Les énergies renouvelables sont destinées à être raccordées au réseau de transport, comme les grandes fermes éoliennes ou photovoltaïques, au réseau de distribution et même chez le consommateur, engendrant un nouveau système de production décentralisé. Cette décentralisation, couplée à une nature le plus souvent intermittente, implique un besoin de gestion grandissant ainsi que des moyens de stockage tels que des batteries.
Le segment des consommateurs subit également une profonde mutation, notamment grâce à l’apparition des compteurs communicants, indispensables à l’insertion des moyens de production et de stockage domestiques. Jusqu’alors considérés comme “passifs”, les consommateurs participent désormais à la gestion des contraintes du réseau en offrant des fonctionnalités de modulation de charge, mais aussi de nouvelles contraintes de gestion. C’est d’autant plus vrai avec le développement attendu des véhicules électriques, nouvel usage gourmand en énergie mais offrant un autre levier de flexibilité par sa capacité de stockage.
Ces transformations impactent les performances du réseau électriques, les moyens de gestion actuels n’étant plus adaptés. De plus, en cas de non respect de l’équilibre offre-demande ou des plages de fonctionnement des équipements, des accidents peuvent se produire, avec un risque de cascade pouvant conduire au black-out.
Le respect des contraintes de fonctionnement du réseau électrique ainsi que l’équilibre entre l’offre et la demande est de plus en plus difficile avec les solutions actuelles de contrôle-commande local sur les équipements. L’intégration des EnRV multiplie les sources de production à surveiller et piloter, crée des pics de tension difficiles à localiser, inverse parfois le sens de circulation de l’électricité. D’un point de vue commercial, le comptage devient un nouveau défi, les utilisateurs pouvant soutirer mais également injecter de l’énergie sur le réseau. La gestion de ce nouveau réseau électrique demande le traitement rapide et automatisé d’un nombre de plus en plus important de données.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Des réseaux électriques aux Smart Grids
1.1.1 Fonctionnement du réseau électrique
1.1.2 Les technologies de l’information au service de la modernisation du réseau
1.2 Enjeux et difficultés de la simulation industrielle des Smart Grids
1.2.1 Un contexte industriel
1.2.2 Un simulateur de Smart Grid
1.3 Problématiques des travaux et contributions apportées
1.3.1 Identification des problématiques
1.3.2 Contributions
1.4 Plan de la thèse
2 Contexte et défis posés par la simulation des Smart Grids
2.1 Notions fondamentales de la modélisation et simulation
2.1.1 Modèle
2.1.2 Langage de modélisation
2.1.3 Simulation informatique
2.1.4 Modèle de calcul
2.2 Défis posés par la simulation des Smart Grid
2.2.1 Un système complexe et cyber-physique
2.2.2 Intégration dans une démarche industrielle
2.2.3 Modélisation hétérogène du comportement
2.3 Conclusion
3 Conclusion
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