Développement et intégration de sources d'énergies renouvelables hybrides. Impact de la prise en compte des pertes sur le dimensionnement d'un générateur multisources d'une puissance de 3-10kW

par Xuan Linh Dang

Projet de thèse en Électronique, Électrotechnique et Automatique


Sous la direction de Mohamed Ben Ahmed.

Thèses en préparation à Cachan, Ecole normale supérieure, dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (Cachan, Val-de-Marne) depuis le 01-12-2010.


  • Résumé

    La maîtrise des sources d’énergies renouvelables telles que le solaire électrique ou l’éolien, aussi bien en termes de connaissances scientifiques que techniques, permet d’appréhender de manière plus globale leurs utilisations dans des réseaux d’énergies électriques. Le développement et l’état actuel des réseaux de distribution de l’énergie électrique posent les mêmes problèmes techniques, scientifiques et économiques à tous les pays. Le caractère intermittent de la plupart des sources principales d’électricité renouvelable pose de nouveaux problèmes de gestion dynamique des réseaux impliquant l’insertion éventuelle de nouveaux moyens de stockage. Les réseaux peu puissants y sont d’autant plus sensibles, mais en contre partie leur fort potentiel de développement offre l’opportunité d’une meilleure adaptation par le choix d’architectures mieux adaptées à l’intégration des sources renouvelables. Concernant le Vietnam et plus particulièrement sa capitale, Hanoï, nous souhaitons étudier l’apport et l’impact des sources d’énergie renouvelable électrique potentiellement disponibles en termes de développement, de sûreté de fonctionnement, de stabilisation statique et dynamique en tension et en fréquence du réseau qui permettrait de les valoriser. Le projet de recherche proposé viendra appuyer et confirmer la volonté de consolider les collaborations entre l’équipe SETE1 du laboratoire SATIE2, le département ESE3 de SUPELEC4, l’IPH5 et le laboratoire RERC6. 1 Equipe Systèmes d’Energie pour les Transports et l’Environnement 2 Laboratoire Systèmes et Applications des Techniques de l’Information et de l’Energie 3 Département Electrotechnique et Systèmes d'Energie 4 Ecole supérieure d’électricité 5 Institut Polytechnique de Hà Nôi (Viêt Nam) 6 Laboratoire Renewable Energy Research Center (Hà Noï, Viêt Nam) Le travail proposé constitue une synthèse des travaux effectués au cours de ces dernières années au sein des équipes de recherche précitées. Ce travail commencé constitue une occasion pour approfondir les collaborations entre les laboratoires spécialistes des systèmes d’énergie renouvelables. Il s’appuie sur les compétences d’optimisation système et de gestion d’énergie de SATIE, de conception et modélisation des réseaux électriques du département électrotechnique et systèmes d'énergie de SUPELEC ainsi que des compétences scientifiques et techniques au Vietnam de l’institut polytechnique de Hà Nôi et du laboratoire renewable energy research center. Nous nous appuyons sur les compétences acquises grâce à la partie expérimentale concernant les générateurs hybrides s’appuiera sur la plate-forme « énergie renouvelables » entièrement instrumentée de SATIE et celle concernant les réseaux électriques s’appuiera sur la plate-forme expérimentale de SUPELEC. Pour le bon déroulement de la thèse, le candidat effectue des séjours réguliers dans les deux équipes concernées. Le sujet de thèse porte sur : 1- Optimisation technico-économique de générateurs à énergie renouvelable hybrides en prenant en compte les pertes énergétiques des convertisseurs associés. 2- Impact de ces générateurs sur le réseau de distribution de la ville de Hà Nôi et en particulier sur la qualité de la tension du réseau basse tension. Concernant le point n°1, l’optimisation est précédée d’une phase de modélisation de l’ensemble des éléments constituant la chaîne de conversion d’énergie. Il s’agit donc d’établir, autant que possible, des modèles analytiques qui seront validés par des calculs numériques et par des expérimentations. L’élaboration d’une démarche d’optimisation sur cycle de fonctionnement (production intermittente), doit être adaptée à une sollicitation variable et aléatoire. Le critère essentiel est ici la minimisation des coûts d’investissement et de fonctionnement de l’ensemble de l’installation. L’étude de sensibilité vis à vis du caractère aléatoire de la ressource sur les coûts précités est ici fondamentale. Seul le cas d’une production raccordée au réseau sera étudié et l’influence de la « charge » (réseau+consommateur) sera traitée. Concernant l


  • Résumé

    E point n°2, l'étude de l'intégration des sources renouvelables est orientée vers un aspect qualité de la tension. Des études en régime statique et en régime dynamique doivent être menée. Dans notre cas d'étude, ce sont les risques liés à des surcharges qui seront étudiés avec une étude des impacts sur les protections ainsi que sur les niveaux de tension. Ce point doit permettre d'optimiser la localisation et la puissance des générateurs renouvelables hybrides. Cette optimisation devra donc intégrer les modes de gestion d’énergie les plus pertinents compte tenue d’une ressource et d’une consommation supposées. Cette optimisation concerne plusieurs aspects : (1) la maîtrise de l’indispensable équilibre offre-demande. Le caractère incertain des sources renouvelables requiert des réserves de puissance pour palier à une baisse soudaine de production. Si l’appoint est assuré par des groupes thermiques, il est nécessaire d’optimiser le fonctionnement (marche/arrêt/niveau de production) de ces groupes, sachant qu’ils ne peuvent fonctionner en dessous d’une puissance minimale, et que leurs temps de mise en marche sont longs. Seule la production hydraulique permet une réaction rapide sur une large plage de fonctionnement. Cette problématique n’apparait qu’au-delà d’une certaine limite de puissance renouvelable incertaine installée. En deçà, l’incertitude se gère comme une incertitude sur la demande. (2) le renforcement des infrastructures du réseau (lignes, postes électriques) si les capacités de production sont dans une zone où le réseau est « faible », ceci afin d’éviter des congestions (surcharges) pouvant conduire à des mises hors tension (ou délestage) voire des écroulements du réseau. (3) la gestion du plan de tension. En terme de qualité de l’énergie, les fluctuations de tension doivent rester dans un intervalle défini autour de la tension nominale (généralement +/- 5%). La présence de sources intermittentes complique le pilotage du plan de tension, surtout sur les réseaux de distribution où les moyens de réglage se situent au poste (poste source HTB-HTA ou de distribution HTA-BT). Il peut donc être nécessaire d’installer des équipements pour aider à régler la tension (banc de condensateurs par exemple, ou exploitation des capacités de fourniture de puissance réactive des convertisseurs électronique). (4) le plan de protection du réseau de distribution. Sur des réseaux arborescents sans production dispersée, la protection est essentiellement assurée par des relais ampère-métrique (à maximum de courant phase ou courant résiduel) qui ne savent pas identifier le sens d’écoulement du courant de défaut. Or la présence de sources dispersées va modifier les flux des courants de défaut, ce qui peut nécessiter l’installation de fonctions directionnelles plus couteuses. Dans le cadre de ce projet nous aborderons les points (2) à (4). Nous réaliserons des simulations – de type load flow – d’une partie du réseau électrique, afin d’identifier les contraintes sur le système électrique. Il nous faudra aussi construire des courbes de charge et de production renouvelable. Intérêt scientifique global : L’originalité de cette étude réside dans l’intégration des systèmes de production d’énergie intermittents, que sont les générateurs d’énergie électriques renouvelables hybrides, dans des réseaux de distributions d’énergie électriques saturés. L’effort est apporté à la modélisation aux limites des différentes parties, générateurs et réseaux, afin d’optimiser l’intégration des premiers dans les seconds.