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Academic year: 2021

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(1)

Table des matières

Résumé... iii

Summary... iv

Remerciements... v

Liste des figures... xiii

Liste des tableaux... xv

Liste des acronymes... xviii

Liste des symboles... xx

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION... 1

1.1 Contexte ... 1

1.1.1 Au niveau national ... 1

1.1.2 Au niveau provincial (Katanga) ... 1

1.2 Objectif de la recherche …... 3

1.3 Subdivision de la dissertation ... 3

CHAPITRE 2 : DESCRIPTION DU RESEAU SUD KATANGA... 5

2.1 Introduction... 5

2.2 Le sous-secteur de l’électricité... 5

2.3 Présentation du réseau Sud... 5

2.3.1 La production... 6

2.3.2 Le réseau de transport ... 8

2.3.3 Les charges ... 9

2.4 Etat des lieux des installations du réseau sud... 9

2.5 Les améliorations... 10

2.5.1 Améliorations à court terme ... 10

2.5.2 Améliorations à moyen terme ... 11

2.5.3 Améliorations à long terme... 11

2.6 Politique de délestage tournant... 12

CHAPITRE 3 : TECHNIQUES D’EVALUATION DE LA FIABILITE DU SYSTÈME ELECTRIQUE 13 3.1 Définition de la fiabilité du système électrique ... 13

3.1.1 Hiérarchisation des fonctions du système... 14

3.1.2 Régime statique et régime transitoire ... 15

3.2 Les techniques d’évaluation de la fiabilité... 15

3.2.1 L’approche déterministe ... 15

3.2.2 Les techniques probabilistes ... 17

CHAPITRE 4 : CARACTERISATION DE LA PERFORMANCE DU RESEAU KATANGAIS ... 25

4.1. Introduction ... 25

(2)

4.2.1 Démarche générale ... 25

4.2.2 Construction du modèle ... 25

4.3 Modèle de la charge ... 25

4.4 Modélisation des unités de production ... 35

4.4.a Concave Approximation and Head Variation ... 36

4.4.b Best Efficiency Points ... 37

4.4.c Spillage Effects ... 37

4.4.d Pumped Storage Hydro Plants ... 37

4.5 Les indicateurs de fiabilité ... 38

4.5.1 Les indicateurs de fiabilité au niveau hiérarchique I ... 38

4.5.2 Les indicateurs de fiabilité au niveau hiérarchique II ... 39

4.6 Modélisation du parc katangais ... 40

4.6.1 Caractéristiques des systèmes purement thermiques ... 41

4.7 Modèle implémenté dans Plexos ... 42

4.7.1 Fonction Objectif ... 42

4.7.2 Bilan hydraulique ... 43

4.7.3 Limites de réservoirs et de débits turbinés ... 46

4.7.4 Limites de puissance ... 46

4.7.5 Limites de flux ... 46

4.7.6 Modèle des batteries ... 46

4.8 Linéarisation de la fonction production ... 47

4.9 Calcul de répartition de charges ... 47

4.10 Présentation de l’outil Plexos [69] ... 49

4.10.1 LT plan ... 50

4.10.2 PASA/ Preschedule ... 50

4.10.3 MT Schedule ... 51

4.10.4 ST Schedule... 51

4.10.5 Algorithme implanté dans Plexos ... 52

4.11 Résultats relatifs à l’état actuel du réseau ... 56

4.11.1 Adéquation du système de production ... 57

4.13.2 Adéquation du système de production transport ... 57

4.11.3 Sécurité du système ... 60

4.12 Conclusion ... 62

CHAPITRE 5 : STRATEGIES D’AMELIORATION DE L’APPROVISIONNEMENT ELECTRIQUE AU KATANGA ... 63

5.1 Introduction ... 63

(3)

5.3 Moyens de stockage à petite échelle ... 65

5.4 Moyens de stockage utilisables à petite et grande échelles ... 66

5.4.1 Batteries électrochimiques ... 69

5.4.2 Batteries à circulation (Red-ox flow) ... 69

5.4.3 Stockage sous forme d’hydrogène ... 69

5.5 Moyens de stockage à grande échelle ... 70

5.5.1 Stockage gravitaire STEP ... 70

5.5.2 Stockage par air comprimé CAES (Compressed Air Energy Storage) ... 70

5.6 Vieillissement de batteries ... 72

5.7 Modélisation du stockage ... 73

5.8 Scénarios d’évolution du parc de production ... 73

5.9 Résultats relatifs à l’adéquation du système de production ... 74

5.9.1 Résultats sans unités de stockage ... 74

5.9.2 Résultats avec utilisation de six Unités de Stockage (US6) ... 76

5.10 Résultats relatifs à l’adéquation du système de production transport ... 78

5.10.1 Choix des noeuds d’injection des nouvelles centrales ... 79

5.10.2 Résultats sans unités de stockage ... 81

5.10.3 Résultats avec US6 ... 84

5.10.4 Limite du stockage ... 86

5.11 Application au niveau de la distribution (Ville de Lubumbashi) ... 87

5.12 Etudes de sensibilité ... 88

5.12.1 Sensibilité des résultats relatifs à l’adéquation à la production ... 88

5.12.2 Sensibilité des résultats relatifs à l’adéquation à la production avec prise en compte du transport ... 90

5.13 Conclusions ... 90

CHAPITRE 6 : OPTIMISATION COUT MINIMUM ... 93

6.1 Introduction ... 93 6.2 Modélisation mathématique ... 94 6.2.1 Modèle DC ... 94 6.2.2 Modèle de transport ... 95 6.2.3 Modèle hybride ... 95 6.2.4 Modèle disjonctif ... 95 6.3 Fonction objectif ... 96 6.4 Coût minimum ... 97 6.5 Résultats ... 98 6.6 Conclusions ... 104

(4)

7.1 Conclusions ... 105

7.2 Perspectives ... 107

Annexes ... 109

Annexe A : Les traitements de données (charges) ... 109

A.1 Les charges ... 109

A.1.1 Calculs des coefficients linéaires et des densités de probabilité. ... 109

A.1.2. Analyse de la courbe de charge journalière ... 110

A.2 Evolution démographique ...111

A.3 Consommation énergétique 2016 ... 111

A.4 Souscription de la charge 2015 ... 112

Annexe B : Les Modélisations ... 113

B.1 Modèles du réseau électrique ... 113

B.2 Modélisation mathématique des unités de stockage ...113

B.3 Modèles des charges ... 115

B.3.1 Modèle logarithmique ... 115

B.3.2 Modèle de régression multiple ... 116

B.3.3 Modèle de régression multiple en pourcentage ... 116

B.4 Technologie de stockage à petite échelle ... 117

B.4.1 Super-condensateur ... 117

B.4.2 Inductance supraconductrice (SMES : Super conducteur Magnetic Energy Storage). ... 118

B.4.3 Volant d’inertie ... 118

Annexe C : Techniques de résolution pour les fonctions linéaires ... 120

C.1 Techniques de résolution pour les fonctions linéaires ... 120

C.1.1 Programmation dynamique déterministe ... 120

C.1.2 Programmation dynamique stochastique ... 120

C.1.3 Programmation stochastique en deux et plusieurs étapes ... 120

C.1.4 Programmation de contraintes probabilistes ... 121

C.2 Approches techniques de solution de l’expansion du réseau ... 121

C.2.1 Méthodes heuristiques constructives ... 121

C.2.2 Méthodes d’optimisation classique ... 121

C.2.3 Méthodes de systèmes intelligents ... 122

Annexe D : Gestion de centrales hydroélectriques ... 123

D.1 Gestion de centrales hydroélectriques ... 123

D.1.1 Gestion à long terme des réservoirs ... 123

D.1.2 Gestion à moyen terme des réservoirs ... 123

(5)

Annexe E : Caractéristiques des groupes, lignes et transformateurs ... 125

Annexe F : Données de base Plexos ... 129

Annexe G : Autres données ... 131

G.1 Stabilisation de la tension ... 131

G.2 Bilan hydraulique annuel ... 131

G.3 Courbe de la PH en fonction du débit pour la centrale de Nzilo ... 133

G.4 Heures mensuelles d’arrêt des groupes ... 134

Annexe H : Résultats Adéquation production ... 135

H.1 Production actuelle ... 135

H.1.1 Production actuelle sans stockage ... 135

H.1.2 Production actuelle avec US6 ... 135

H.2 Centrales rénovées... 136

H.2.1 Centrales rénovées sans US ... 136

H.2.2 Centrales rénovées avec US6 ... 137

H.3 Injection de 120MW ... 137

H.3.1 Injection de 120MW sans US ... 137

H.3.2 Injection de 120MW avec US6 ... 138

H.4 Injection de 240MW ... 139

H.4.1 Injection de 240MW sans US ... 139

H.4.2 Injection de 240MW avec US6 ... 139

H.5 Injection de 500MW ... 140

H.5.1 Injection de 500MW sans US ... 140

H.5.2 Injection de 500MW avec US6 ... 141

H.6 Injection de 120MW et 240MW ... 141

H.6.1 Injection de 120MW et 240MW sans US ... 141

H.6.2 Injection de 120MW et 240MW avec US6 ... 142

H.7 Injection de 120MW et 500MW ... 143

H.7.1 Injection de 120MW et 500MW sans US ... 143

H.7.2 Injection de 120MW et 500MW avec US6 ... 143

H.8 Injection de 240MW et 500MW ... 144

H.8.1 Injection de 240MW et 500MW sans US ... 144

H.8.2 Injection de 240MW et 500MW avec US6 ... 145

H.9 Injection de 120MW, 240MW et 500MW ... 145

H.9.1 Injection de 120MW, 240MW et 500MW sans US ... 145

H.9.2 Injection de 120MW, 240MW et 500MW avec US6 ... 146

H.10 Injection de 120MW, 240MW, 500MW, SZ ... 146

(6)

H.9.2 Injection de 120MW, 240MW, 500MW, SZ avec US6 ... 147

Annexe I: Applications au niveau de la distribution (Ville de Lubumbashi). ... 150

I.1 Introduction ... 151

I.2 Le réseau ... 151

I.3 La charge ... 151

I.1.1 Prévision de La charge ... 152

I.4 Modélisation du réseau ... 152

I.5 La production... 154

I.6 Scénarios d’évolution de la production ... 154

I.6.1 Scénario de base ... 154

I.6.2 Scénarios court terme ... 154

I.6.3 Scénarios long terme ... 155

I.7 Stockage ... 155

I.7.1 Capacité optimale de stockage... 155

I.8 Aspects financiers ... 156

I.8.1 Définitions économiques ... 156

I.8.2 Production de l’électricité ... 156

I.9 Résultats ... 156

I.9.1 Méthodologie ... 156

I.9.2 Scénario de base ... 157

I.9.3 Scénarios à court terme ... 157

I.9.4 Scénarios à long terme ... 158

I.9.5 Augmentation de la charge ... 158

I.9.6 Implémentation du stockage ... 160

Annexe J: Stockage à trois noeuds. ... 162

J.1 Résultats avec utilisation de US3 HL1 ... 162

J.2 Résultats avec utilisation de US3 HL2 ... 162

Annexe K: Résultats détaillés optimisation coût minimum.... 163

(7)

K.10 Injection de 120 MW, 240 MW et 500 MW SZ ... 168

Références

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