Conception et déploiement d’un microgrid dans le Gridlab

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.

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) .

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.

Le principe de base d’un microgrid ne change pas en fonction des applications. Les différents composants du réseau sont les mêmes : autoproducteurs, consommateurs, producteurs et les systèmes de stockage. De plus, un système de contrôle gère les différents composants en fonction de l’application 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.

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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