Soutenance mémoire
L’installation solaire photovoltaïque
Problématique d’exploitation simultanée des ressources distribuées à énergie renouvelable et de connexion au réseau électrique
Dans le contexte énergétique présenté, il devient indispensable pour les opérateurs de développer des techniques leur permettant de tirer le meilleur parti des ressources énergétiques à leur disposition. La figure ci-dessous donne l’aperçu d’une structure de micro-réseau hybride à énergie renouvelable offrant la possibilité de connexion à un réseau électrique .
Les configurations adoptées pour ces micro-réseaux sont fortement dépendantes de la forme sous laquelle est produite ou consommée l’énergie électrique. Ainsi, le bus principal, lié à la plus forte source du système peut être selon le besoin un bus continu ou alternatif ; les deux bus devant le cas échéant être reliés par une unité d’interconnexion assurant le transfert bidirectionnel de puissance. Cette dernière configuration dite hybride est celle étudiée dans le cadre de ce mémoire. Une difficulté liée au système résultant est qu’il met en jeu simultanément des moyens de
production conventionnels à forte inertie, utilisant comme dans notre cas une génératrice synchrone, avec des équipements d’électronique de puissance ayant des dynamiques très rapides et dont le contrôle doit de ce fait s’adapter à celui des autres sources ; le tout dans une configuration où il n’y a pas de source dite ‘principale’, dirigeant le système, mais plutôt une contribution partagée des différentes sources lors des contingences dans le micro-réseau.
Problématique de stabilité et disponibilité de l’énergie dans le système hybride AC-DC
Dépendamment de la structure et de la constitution des micro-réseaux, différentes stratégies de contrôles doivent être mises en œuvre pour assurer leur stabilité. Celle ci est caractérisée notamment par les marges de variations des tensions et fréquences à différents niveaux. De nouvelles contraintes sont donc à prendre en compte, car les réseaux du futur se veulent modulaires, pouvant changer de structure pour diverses raisons, mais devant répondre aux mêmes exigences [8]. En effet, la demande et la disponibilité des ressources étant des paramètres d’entrée très indépendants, des moyens de stockage sont souvent introduits dans le système. Ceux-ci apportent une nouvelle complexité quant à leur intégration dans le fonctionnement du micro
réseau, et à la prédiction de leur comportement lors de variations des paramètres du système.
Revue de la littérature
Une des raisons de l’attractivité des systèmes hybrides AC-DC est qu’ils tirent parti de la vaste littérature, et de la maitrise des systèmes conventionnels à courant alternatif;tout en profitant des développements récents dans les technologies de conversion depuissance, et d’exploitation d’énergie renouvelable sous forme de courant continu. En effet, les systèmes à courant alternatif ont des modèles dynamiques bien connus, avec des normes de protection établies, des méthodes de régulation de fréquence et de tension connues; tandis que les micro-réseaux à courant continu sont plus adaptés lorsqu’il est nécessaire d’optimiser et d’intégrer de manière rentable les ressources d’énergie distribuées (DER) [10]. Une revue de ces systèmes hybrides est faite dans . Une classification y est proposée en fonction des niveaux de couplage des sous-réseaux AC et DC entre eux et avec le réseau de distribution principal. En vue d’étudier la stabilité et de prédire le comportement de ces systèmes et des méthodes de contrôle développées, différentes approches de modélisation ont été présentées dans la littérature sur le sujet. Des modèles génériques tels que présentés dans [11] et [12] sont utilisés pour la gestion des transferts de puissance dans ces systèmes, et pour des études de répartition. Dans [13], des modèles dynamiques plus détaillés sont élaborés, afin d’étudier la régulation de tension et de fréquence dans un micro-réseau AC. Une étude dans des conditions de faible variation autour du point de fonctionnement y est faite et un modèle d’état du système dans son ensemble est simulé. Dans [14], un micro-réseau hybride constitué d’un générateur éolien côté AC, et d’une installation solaire photovoltaïque avec stockage à batterie du côté DC est présenté et étudié. Le modèle électrique équivalent de l’installation solaire y est utilisé, ainsi que celui du système de stockage à batterie. Afin de réduire la complexité
du modèle complet résultant, les équations du générateur éolien dans le repère synchrone de Park sont directement utilisées et couplées avec les modèles moyens des convertisseurs de puissance à commutation, ainsi que ceux de l’installation à courant continu; cette approche a également été utilisée dans le présent document. Largement connu pour son application dans la régulation de tension et de fréquence des réseaux de transport et de distribution électrique [15, 16], le contrôle
hiérarchique gagne un intérêt récent pour son application dans la régulation des micro-réseaux hybrides et AC. Une approche de standardisation de ce contrôle dans les micro-réseaux est présentée dans [17]. Une application du contrôle de statisme comme première couche du contrôle hiérarchique dans un micro-réseau est présentée dans [4]. Le travail présenté dans ce document part des formulations qui sont faites dans [4], ainsi que de la revue sur la gestion des micro-réseaux évoquée dans [18], afin d’élaborer une structure adaptée au micro-réseau hybride, et d’effectuer des simulations de fonctionnement qui jusqu’ici, au meilleur de notre connaissance, ne sont pas retrouvées dans la littérature.
Contributions et originalité
Bien souvent, les systèmes de puissance sont représentés soit par des modèles complets incluant les dynamiques de flux dans les machines électriques et les états instantanés des équipements d’électronique de puissance, soit en utilisant des modèles très génériques où ces composantes du système sont représentées par des éléments passifs du circuit électrique. Les simulations résultantes s’avèrent lourdes, des problèmes de convergences sont rencontrés, et celles-ci ne sont très souvent pas faites sur des plages de temps permettant d’observer à la fois le comportement des systèmes de production conventionnels tels que les centrales et microcentrales hydroélectriques et l’influence des équipements à dynamiques rapides tels que les convertisseurs d’électronique de puissance et autres installations à énergie renouvelable. L’approche adoptée dans cette étude est d’effectuer une analyse intégrale de ceux-ci dans le repère tournant de Park d-q pour la partie AC du système, d’utiliser les modèles moyens des convertisseurs de puissance à commutation, ainsi que les équations dynamiques simplifiées des unités de production à énergie
renouvelable et du stockage à batterie. Ceci dans l’optique d’obtenir des réponses plus représentatives de la réalité, et d’observer avec un niveau de détail suffisant le comportement du système face à des perturbations. La hiérarchisation primaire, secondaire et tertiaire du mode de contrôle dans ces systèmes de puissance est également présentée, et le contrôle de statisme primaire appliquée au système hybride dans différentes conditions est simulé. Une stratégie de synchronisation, basée sur l’application de la méthode de restauration de fréquence et de tension au point de connexion commun, au travers du contrôle secondaire est alors proposée en
vue de la connexion du micro-réseau à un réseau électrique externe. Des résultats de simulations sont présentés pour le micro-réseau fonctionnant aussi bien en mode isolé, que connecté au réseau électrique.
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Table des matières
RÉSUMÉ
ABSTRACT
Remerciements
Table des matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des symboles
Liste des abréviations
CHAPITRE 1: INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Introduction
1. 2 Contexte
1.3 Problématiques
1.3.1 Problématique d’exploitation simultanée des ressources distribuées
à énergie renouvelable et de connexion au réseau électrique
1.3.2 Problématique de stabilité et disponibilité de l’énergie dans le
système hybride AC-DC
1.4 Revue de la littérature
1.5 Contributions et originalité
1.6 Objectifs et approche méthodologique
CHAPITRE 2: DESCRIPTION DES ÉLÉMENTS ET DU FONCTIONNEMENT DU SYSTÈME
2.1 Introduction
2.2 Structure du micro-réseau étudié
2.3 La microcentrale hydroélectrique
2.3.1 Concepts de base sur la microcentrale hydroélectrique (MCH)
2.3.2 Structure de la microcentrale
2.4 L’installation solaire photovoltaïque
2.5 Le système de stockage à batterie
2.5.1 Constitution et principe de fonctionnement d’une cellule
de stockage au Lithium-lon
2.5.2 Le système de gestion des batteries
(Battery management system)
2.6 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3: ÉLÉMENTS DE MODÉLISATION DES SYSTÈMES
3.1 Introduction
3.2 Modélisation de la microcentrale hydroélectrique
3.2.1 Structure de la microcentrale
3.2.2 Modélisation du circuit hydraulique
3.2.3 Modèle de la turbine hydraulique
3.2.4 Modélisation de l’alternateur synchrone
3.3 Éléments de modélisation de l’installation solaire photovoltaïque
3.4 Modélisation du système de stockage à batterie
3.4.1 Modèles de charge et de décharge de la batterie Lithium-lon
3.4.2 Le convertisseur bidirectionnel de charge, DC-DC
3.5 Étude et contrôle de l’unité de liaison AC/DC
3.5.1 Modélisation du convertisseur de liaison
3.5.2 Contrôle de l’unité de liaison
3.6 Représentation dynamique du réseau électrique externe,
problématique de connexion et de synchronisation
3. 7 Représentation dynamique des charges et lignes de transmission
dans le système
3.7.1 Modèle des charges AC
3.7.2 Modèle des lignes de transmission AC
3. 7.3 Modèle des charges DC
3.8 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4: FONCTIONNEMENT DU MICRO-RÉSEAU HYBRIDE
ET SIMULATIONS
4.1 Introduction
4.2 Stratégie de commande du micro-réseau et de coordination
des sources
4.2.1 Objectifs du contrôle
4.2.2 Contrôle hiérarchique du micro-réseau
4.3 Application et simulation
4.3.1 Schéma d’étude du système
4.3.2 Caractéristiques des équipements
4.3.3 Simulation et résultats
4.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5: CONCLUSION GÉNÉRALE
5.1 Résumé du travail effectué
5.2 Commentaires sur les résultats obtenus
5.3 Perspectives d’amélioration et travaux futurs
Annexe A: Formulations de base sur la microcentrale hydroélectrique
Annexe B : Éléments classiques sur la modélisation de la machine
synchrone
Annexe C : Compléments sur les modèles de charge et décharge de batterie. 91
Annexe D- Paramètres des différents contrôleurs
Annexe E : Implantation des modèles dans Matlab-Simulink®
BIBLIOGRAPHIE
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