Modélisation, dimensionnement et optimisation des systèmes d'alimentation décentralisés à énergie renouvelable - application des systèmes multi-agents pour la gestion de l'énergie

(1)

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Modélisation, dimensionnement et optimisation des

systèmes d’alimentation décentralisés à énergie

renouvelable - application des systèmes multi-agents

pour la gestion de l’énergie

Jérémy Lagorce

To cite this version:

Jérémy Lagorce. Modélisation, dimensionnement et optimisation des systèmes d’alimentation

décen-tralisés à énergie renouvelable - application des systèmes multi-agents pour la gestion de l’énergie.

Energie électrique.

Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2009.

Français.

�NNT :

2009BELF0119�. �tel-00604024�

(2)

É ole do torale S ien es Pour l'Ingénieur et Mi rote hniques

THESE

Présentée à

L'Université de Te hnologie de Belfort-Montbéliard

en vue de l'obtention du titre de

Do teur

par

Jérémy LAGORSE

Ingénieur de l'Université de Te hnologie de Belfort-Montbéliard

Département Génie Éle trique et Systèmes de Commande

Modélisation, dimensionnement et optimisation des

systèmes d'alimentation dé entralisés à énergie

renouvelable - Appli ation des systèmes multi-agents

pour la gestion de l'énergie

Le 5 novembre 2009

Membres du jury :

M. Philippe COSTERG Total, Paris

M. Mar elo GODOY SIMÕES Colorado S hool of Mines, Etats-Unis

M. Xavier GUILLAUD É ole Centrale de Lille,L2EP (Rapporteur)

M. Nouredine HADJSAID G2Elab,Grenoble (Rapporteur)

M. Abderrafìâa KOUKAM UTBM, SeT, Belfort

(3)

(4)

Siunethèse devait serésumer à ettesorte de longmanus rit que onstitue e

do ument, ela serait bien triste pour son auteur, et tout autant ennuyeux pour

es le teurs. Rassurez-vous, ela n'a pas été le as grâ e à la ri hesse etla variété

desren ontres quej'aieul'o asiondefaireau oursde estrois( ourtes?)années

de travail.

Je souhaite tout d'abord exprimer toute ma gratitude envers les membres du

juryquiontbienvoulu onsa reràmathèseunepartiedeleurtempstrèspré ieux.

Mes remer iementsvont tout d'abord à MonsieurMohamed MACHMOUM,

Pro-fesseur àl'Universitéde Nantes pourm'avoirfaitl'honneur de présider e jury.Je

remer ie enparti ulier eux quionta eptélalourde harged'êtrelesrapporteurs

de e travail etpour levifintérêtqu'ils y ont porté :

M.XavierGUILLAUD,ProfesseurauLaboratoired'éle trote hniqueet

d'éle -tronique de puissan e de Lillede l'É ole Centrale de Lille

MonsieurNouredineHADJSAID,ProfesseuràInstitutpolyte hniquede

Gre-noble Je tiens également à exprimermes plus vifs remer iements à:

M.PhilippeCOSTERG,Dire teuradjointdel'a tivitésolairephotovoltaïque

hez Total, pour l'intérêtindustrieletlesen ouragementssur e travailtout

au longde ette thèse

M. Abderrafìâa KOUKAM, Dire teur du laboratoireSeT de l'UTBM, pour

sadisponibilitéetégalementpour avoirété àl'originede la réationetde la

dénition de e sujetde thèse

Jetiens àexprimer mes plus sin èresremer iementset mare onnaissan e

en-versmondire teurdethèse,leProfesseurAbdellatifMIRAOUI,quiatoutd'abord

(5)

par-ti iper à e projet passionnant. Au ours de es trois années, il a su me donner

laliberténé essaire àl'explorationde nouvellessolutions,touten m'en ourageant

dans les moments d'in ertitudes fa e au hoix que nous devions prendre. Aussi,

bienau-delàdesmoyensmatérielsmisàmadisposition,ilm'adonnél'o asionde

ren ontrer un grand nombre de personnes an d'établirdes é hanges s ientiques

très intéressants. Tout ela a in ontestablement ontribué à l'a omplissement et

àl'aboutissementde e travail.

Enn, j'aimerais remer ier M. Mar elo GODOY SIMÕES, Professeur au

Co-lorado S hool of Mines, qui m'a fait l'honneur de venir assister à ma soutenan e

malgré la distan e. Il a eu la ourtoisie de m'a ueillir pendant 4 mois au sein

de son laboratoireaux Etats-Unis.Grâ e àson immensegentillesse, je n'oublierai

jamais ette période durant laquellej'aitantappris àses téssur lesplans

s ien-tique, ulturelet humain.

Malgré la distan e qui désormais nous sépare, je n'oublierai jamais mes

ol-lègues de travail :

Jérémie M'BOUA et Dimitri TORREGROSSA qui ont eu le ourage et la

patien e de partager le même bureau que moi durant deux années. Je leur

souhaitesin èrement la meilleureréussite dans leur dernière année de thèse

ainsi que de trouverun lieu d'a ueil après thèse oùles parkings sont vides

à16h le vendredisoir... (ils omprendront).

DamienPAIRE( itéendeuxièmeuniquementpourfaire roireauxdeux

pre-miersqu'ils sontplus importants)qui aregroupé deux qualités prin ipales :

lapatien e de m'avoiren adré en tantqu'étudiant lorsde la préparationde

mon y le ingénieur, puis le ourage de travaillé ave moi. Son seul défaut

restera sûrement de m'avoir onnu. Ensemble, nous avons eu des idées sur

tout... Nous avons eu surtout des idées!

BenjaminBLUNIER,pour, omment dire...Les mots memanquant pour le

remer ieretpourdé rire etteArtiste.Ilfûtpourmoiun aînés ientiqueet

m'a énormément inuen é dans mon travail.Je le remer ie également pour

ses grands momentsde dis ussion musi ologau hopoliti artisti ologique.

(6)

TD.

Fabri eLAURIetVin entHILAIREpournosnombreusesDOA(Dis ussions

Orientées Agents).

Béatri e BOURIOT, pour ses pré ieux onseils en CEM (Curri ulum-vitae

Emploi Mobilité).

Agnès GRANDMOUGIN pour son organisation in omparable et pour les

nombreux servi es qu'elle m'a rendus.

Fei,Minh-Dinh,Patri e, Jawad, Daniel,RijaetHuangfu ave quijen'ai pas

for ément beau oup travaillé mais ave qui j'ai pris beau oup de plaisir à

dis uter.

Je remer ie également tous mes amis qui ont su me faire relativiser

l'impor-tan e de e travail tout en y éprouvant un très grand intérêt : Laurent, Simona,

Daniela,François,Amélie,Elo,Sam,Numérobis, SébastienetMamour.Jeme

per-metsderéserverunremer iementtoutspé ialàChristopheBOURGEOIS,ave qui

j'ai passé l'ensemble de mes années d'études supérieures ainsi qu'à sa ompagne

Hélène BELLE (faites vos valises, on rentre à Paris!). Votre ompagnie, votre

soutien et l'intérêt parti ulier que vous avez porté à mon travail (des smart-grid

auré hauement limatiqueen passantpar lesmousseurs)m'ontparti ulièrement

tou hé.

J'aimeraisexprimermare onnaissan elaplusprofondeà Célinequi m'alaissé

un sursis de trois ans pour faire ette thèse. Ton soutien in onditionnel durant

ette thèse et ton aide pré ieuse lors de son a hèvement furent indispensables à

la réussite de e projet. J'en prote pour remer ier mes beaux-parents, qui ont,

ertainementin ons iemment,osé laisserleur lleaubrasd'un thèsard-guitariste.

Enn, ma plus grande re onnaissan e s'adresse à ma famille et plus

parti u-lièrement à mes parents qui ont su me donner un environnement familial

ex ep-tionnel durant mon enfan e. Depuis mes premières dé ouvertes du travail dans

l'atelier d'ébénisterie paternel, jusqu'au tuyau maternel pour trouver un premier

stage dans le domaine du génie éle trique, vous avez su medonner la liberté

(7)

(8)

Fa e au dé énergétique a tuel, les systèmes hybrides à énergie renouvelable

apparaissent ommeune solution potentielle pour laprodu tion d'éle tri ité.

Ce-pendant, de nombreux verrous, omme par exemple le oût, l'intermitten e de

l'énergieproduiteouen orelaabilitéde es systèmes,empê hentlere ours

mas-sif à l'utilisation de telles solutions. An de les surmonter, des solutions doivent

être apportées aux deux problématiques majeures de es systèmes que sont le

di-mensionnement optimal et la gestion de l'énergie. Cette thèse propose don des

solutions pour ha une de es deux thématiques.

Lapremièrepartie de e mémoiredénit es deux problématiques.Puis, avant

de proposer ertaines voies d'améliorations,lessolutionsdéjà apportéessont

ana-lysées en soulignantleurs intérêts mais aussi leurs limites.

Lase onde partie détaille la solutionapportée pour le dimensionnement

opti-mal,en s'appuyantsur unsystème omposéd'ungénérateur photovoltaïque(PV),

de batteries et d'une pile à ombustible (PàC). La solution repose sur

l'utilisa-tion d'une fon tion de oût, d'un modèle énergétique permettant d'évaluer les

ontraintes subies par les omposantset d'un algorithmegénétiquepour

l'optimi-sation. A partir de deux as d'études, les résultats d'optimisationsont donnés et

l'intérêt du ouplage PV-PàC est analysé.

Les deux dernières parties présentent l'appli ation du prin ipe des systèmes

multi-agents(SMA) pour lagestiond'énergie d'un système multi-sour es.Le

ha-pitre 3 expose l'intérêt de ette méthode et détaille sa mise en oeuvre. Ensuite,

la réation d'un modèle de simulation du système permet de valider le prin ipe

imaginé. Enn, le dernier hapitre présente les résultats expérimentaux obtenus

à partir d'un système omposé de super- ondensateurs, d'une batterie, d'un PV

et du réseau. Pour la première fois, es résultats montrent expérimentalement le

(9)

(10)

Hybridsystemsusing renewable energyappear asapotentialsolutionfor

ele -tri ity generation. Many barriers su h as ost and the intermittent nature of the

power produ tion or the reliability of these systems prevent the massive

appli a-tion anduse of thosesolutions.Solutionsmust bemade forthe majorproblems of

thesesystemsthatareoptimalsizingandenergymanagement.Thisthesisproposes

solutions toboth topi s.

Therst hapterofthispaperdenes thesetwoissues.Then,beforesuggesting

some ways of improvements,previous solutionsare analyzed by highlightingtheir

interests but alsotheir limits.

The se ond hapter details the solution for the optimal design, based on a

system onsisting of a photovoltai array (PV), a battery and a fuel ell (FC).

The solutionis based onthe use of a ost fun tion,anenergy modelto assess the

stresses in the omponents and a geneti algorithmfor optimization.From those

two ase studies,the resultsof optimizationare given andthe interestof oupling

PV-FC isanalyzed.

Thelasttwo hapterspresent the prin iples of multi-agentsystems (MAS)for

energy management ofa multi-sour essystem. Chapter 3 des ribesthe usefulness

of this method and des ribes its implementation. Then, a simulation model of a

system is reated and isused tovalidatethe proposedprin iple. Thenal hapter

presents the experimental results obtained from a system omposed of

super a-pa itors, a battery, a PV and the grid. These results show experimentally the

(11)

(12)

Liste des symboles utilisés xxiii

Introdu tion générale 1

1 Les systèmes hybrides dé entralisés 7

1.1 Présentation générale . . . 7

1.2 Problématique du dimensionnement . . . 10

1.2.1 Dénition du dimensionnement . . . 10

1.2.2 Méthode lassique de dimensionnement des systèmes PV-Batterie . . . 11

1.2.3 Dimensionnement de systèmes omportant un générateur auxiliaire. . . 12

1.2.4 Quelle solutionpour ledimensionnementoptimal? . . . 17

1.3 Problématique de la gestiond'énergie . . . 18

1.3.1 Dénition de la gestiond'énergie . . . 18

1.3.2 Vision lassique de lagestion d'énergie . . . 21

1.3.3 Vers une appro he dé entralisée . . . 22

2 Dimensionnement optimal des systèmes 25 2.1 Présentation du as d'étude . . . 25

2.2 Paramètres à déterminer lorsde la on eption . . . 27

2.3 Prin ipe généraldu dimensionnement optimal . . . 28

2.4 Fon tionde oût . . . 28

2.5 Modèle du système . . . 31

2.5.1 Né essité d'un modèle . . . 31

(13)

2.5.3 Pileà ombustible . . . 40

2.5.4 Batterie etmanque d'énergie. . . 42

2.5.5 Convertisseurs . . . 51

2.5.6 Prol de harge . . . 52

2.6 Résultatsetobservations du modèle . . . 52

2.6.1 Eetde l'orientation des panneaux . . . 52

2.6.2 Comportementdu modèle . . . 56

2.6.3 Fon tionà optimiser . . . 63

2.7 Optimisationdu dimensionnement. . . 66

2.7.1 Prin ipe généralde l'optimisation . . . 66

2.7.2 Lesalgorithmes génétiques . . . 66

2.7.3 Tests et résultatsde l'algorithme d'optimisationretenu . . . 70

2.8 Programmede dimensionnement. . . 73

2.8.1 Développement du programme. . . 73

2.8.2 Utilisationdu programme . . . 76

2.9 Etudedes résultatsd'optimisation . . . 80

2.9.1 Optimisationd'un système PV-BAT-PàC . . . 80

2.9.2 Optimisationde systèmes sans PàC . . . 85

2.9.3 Intérêt des PàC pour lessystèmes stationnaires . . . 87

2.10 Con lusion . . . 89

3 Gestion distribuée de l'énergie 91 3.1 Présentation du système . . . 91

3.1.1 Ar hite ture éle trique . . . 91

3.1.2 Ar hite ture de ontrle . . . 93

3.1.3 Quellegestion d'énergie pour e système? . . . 94

3.2 Gestiond'énergie par SMA . . . 96

3.2.1 Agentet SMA. . . 96

3.2.2 UnSMA pour lagestion d'énergie . . . 98

3.3 Modèle de simulation . . . 104

3.3.1 Le hoix de Matlab-Simulink. . . 104

3.3.2 Modélisationdu système . . . 105

(14)

3.4.1 Hypothèses . . . 119

3.4.2 Résultats . . . 120

3.4.3 Comportement général . . . 120

3.4.4 Evolutionde latension du bus . . . 126

3.4.5 Panne des SC . . . 128

3.5 Validationde la ommandedu PV . . . 132

3.5.1 Fon tionnement dans le as normal . . . 132

3.5.2 Choix des paramètresde l'algorithmeMPPT . . . 133

3.6 Con lusion . . . 137

4 Expérimentation de la gestion d'énergie 139 4.1 Présentation du système . . . 139

4.1.1 Partie puissan e . . . 139

4.1.2 Partie ommande . . . 142

4.2 Résultatsexpérimentaux . . . 145

4.2.1 Premier s énario: pas d'é hange du jeton . . . 145

4.2.2 Se ond s énario : é hangedu jeton . . . 150

4.3 Con lusion . . . 157

Con lusion générale 159 Liste des publi ations 163 Annexes 167 A Programme de dimensionnement 167 A.1 Code sour e de la batterie . . . 167

A.2 Code sour e de la PàC . . . 174

(15)

(16)

1 Produ tion mondialed'énergie éle trique totale et d'origine

renou-velable . . . 2

2 Part de la produ tion d'éle tri ité d'origine renouvelable dans la produ tiontotale . . . 2

1.1 S hémade prin iped'unsystème omposé uniquementde PVetde batteries . . . 7

1.2 S héma de prin ipe d'un système hybride omposé de PV, de bat-teries etd'un générateur auxiliaire. . . 9

1.3 L'indi ateur hybride pour un système asso iant au PV un généra-teur diesel [79℄ . . . 12

1.4 Extrait de l'interfa edu logi ielHOMER . . . 15

1.5 Classi ationdesdomainesd'utilisationdelagestiond'énergiedans legénie éle trique . . . 19

1.6 Analogie uidiquede lagestion d'énergie [6℄ . . . 21

2.1 S héma de prin ipedu système hybride étudié . . . 26

2.2 FigurePrin iped'a tivation de laPàC . . . 26

2.3 Stru ture générale du modèle de simulation. . . 32

2.4 Prin ipe du modèle . . . 32

2.5 Lesdiérents types de rayonnements solaires . . . 33

2.6 Extrait des données d'ensoleillementdire t

E

dir

. . . 34

2.7 Extrait des données d'ensoleillementdius horizontal

E

dif

h

. . . 35

2.8 Extrait des données d'ensoleillementglobal horizontal

E

g

. . . 35

2.9 Illustration de l'angle d'in iden e

θ

et de l'angle d'in linaison du panneau

Σ

. . . 36

(17)

2.10 Illustrationdes diérentsangles intervenant dans le al ul . . . 37

2.11 Position du soleilselon l'angled'altitude etl'angled'azimut . . . . 37

2.12 Angles issus de la géométrie Terre Soleil . . . 38

2.13 Evolution de la dé linaisonsolaire sur une année . . . 39

2.14 Illustrationde l'angle de dé linaison à diérents momentsde l'année 39

2.15 Extraitd'unedo umentationdu onstru teurSonnens hein poursa

batterieA500. La apa ité apparente diminue lorsque la puissan e

augmente. . . 43

2.16 Analogieuidique du modèle inétique de la batterie . . . 43

2.17 Durée de vie de labatterieen fon tion de laprofondeur de dé harge 48

2.18 Extrait de l'évolution du SOC . . . 49

2.19 Illustrationde la méthode de omptage rainow . . . 50

2.20 Rendement d'un onvertisseur en fon tion de sa puissan e d'entrée . 51

2.21 Extrait d'un prolde harge sur 24 heures . . . 52

2.22 Inuen edel'in linaisondupanneausurlaprodu tiontotaled'énergie 53

2.23 Inuen edel'orientationdupanneausurlaprodu tiontotale

d'éner-gie . . . 54

2.24 Répartition de la produ tion d'énergie sur l'année pour une

in li-naisonde

0 ◦

. . . 55

in li-naisonde

56 ◦

. . . 56

in li-naisonde

85 ◦

. . . 57

2.27 Evolutiondespuissan es dupanneau etde la hargelorsquelaPàC

est désa tivée . . . 58

2.28 Evolutionde lapuissan e de labatterielorsque laPàC est désa tivée 58

2.29 Evolution du niveau de harge de la batterie lorsque la PàC est

désa tivée . . . 59

2.30 Evolution des puissan es du panneau, de la harge et de la PàC

lorsquela PàC est a tivée . . . 60

2.31 Evolution de la puissan e de la batterielorsque la PàC est a tivée . 60

2.32 Evolutionduniveaude hargedelabatterielorsquelaPàCesta tivée 61

(18)

2.35 Inuen e de ha un des paramètres sur le oût total du système . . 64

2.36 Inuen e de la puissan e de la PàC et de l'angle d'in linaison du PV sur le oût total du système . . . 65

2.37 Stru ture générale du programme d'optimisation . . . 67

2.38 Prin ipe des algorithmes génétiques . . . 69

2.39 Evolution des paramètres au ours de l'optimisation . . . 71

2.40 Evolution du oût du système au ours de l'optimisation . . . 72

2.41 Dossier du hier éxé utable . . . 77

2.42 OngletSimulation du programmede dimensionnement . . . 78

2.43 OngletBattery du programme de dimensionnement. . . 78

2.44 OngletGA du programme de dimensionnement . . . 79

2.45 Prol de onsommationestivale . . . 81

2.46 Répartition des oûts pour une onsommationestivaleave PàC . . 82

2.47 Prol de onsommationhivernale . . . 82

2.48 Répartition des oûts pour une onsommationhivernale ave PàC . 83 2.49 Evolution du niveau de harge de labatterie lorsque la onsomma-tion est a rue en été . . . 86

2.50 Répartition des oûts pour une onsommationestivalesans PàC . . 86

2.51 Répartition des oûts pour une onsommationhivernale sans PàC . 87 3.1 Ar hite ture éle trique du système étudié . . . 91

3.2 S héma éle triquedétaillé du système . . . 93

3.3 Ar hite ture de ontrle des onvertisseurs . . . 94

3.4 Système de gestion lassique . . . 95

3.5 Un agent (l'agent A)intégré dans lesystème . . . 99

3.6 Stru ture du système ommandé par SMA.Pour une meilleure lisi-bilité de e s héma, les ontrleurs présents entre les agents et les onvertisseurs n'apparaissent pas. . . 100

3.7 Communi ation entre deux agents lorsdu passagede jeton . . . 101

3.8 Diagrammed'états simpliéde l'agent SC . . . 102

3.9 S héma équivalentdes super ondensateurs . . . 106

3.10 S héma de prin iped'un onvertisseur réversible en ourant . . . . 109

(19)

3.13 AlgorithmeMPPT P&O utilisé . . . 113

3.14 S héma de prin ipedu ontrle MPPT du onvertisseur boost . . . 114

3.15 Blo S-Fun tion utilisépour l'agent SC . . . 115

3.16 Ma hine d'étatsimpliée de l'agent réseau . . . 117

3.17 Prolsde harge etde produ tionPV . . . 121

3.18 Evolution des ourants délivrés sur le bus DC par les diérents éléments . . . 122

3.19 Détenteur du jetonde régulation de tension du bus DC . . . 122

3.20 Evolutions des niveaux de harges des batteries etdes SC . . . 123

3.21 Détailde l'évolutiondu ourant de labatterie (réel etréféren e) . . 124

3.22 Evolution de la tensiondu bus DC . . . 127

3.23 Détailde l'évolutionde latensiondu bus DC . . . 127

3.24 Détenteur du jetonde régulation de tension du bus DC . . . 128

3.25 Evolution des ourants des diérentséléments . . . 129

3.26 Evolution du niveau de harge des SC etdes batteries . . . 130

3.27 Evolution de la tensiondu bus DC . . . 131

3.28 Détailde l'évolutionde latensiondu bus DC . . . 131

3.29 Ensoleillementreçu par lePV . . . 133

3.30 Evolutiondesgrandeurséle triqueslorsdutestdel'algorithmeMPPT134 3.31 Puissan e générée par le panneau et puissan e inje tée sur le bus . . 135

3.32 Evolution du rapport y lique ave un temps rafraî hissementde

1 s

135 3.33 Puissan e générée par le panneau et puissan e inje tée sur le bus . . 136

3.34 Evolution du rapport y lique ave un temps rafraî hissement de

0, 1 s

. . . 136

4.1 Systèmehybride utilisépour l'expérimentation . . . 140

4.2 Photographiesdes diérentséléments utilisés . . . 141

4.3 Stru turedu système de ontrle . . . 144

4.4 Prolsde harge etde produ tionPV . . . 146

4.5 Evolutions des niveaux de harges des batteries etdes SC . . . 147

4.6 Evolution des ourants délivrés sur le bus DC par les diérents éléments . . . 148

(20)

4.9 Prols de harge et de produ tionPV . . . 152

4.10 Evolutions des niveaux de harges des batteries et des SC . . . 153

4.11 Evolution des ourants délivrés sur le bus DC par les diérents

éléments . . . 154

4.12 Détenteur du jeton de régulation de tension du bus DC . . . 154

4.13 Evolution de latensiondu bus DC . . . 156

4.14 Détailde l'évolution de latension du bus DC lors d'un é hange de

(21)

(22)

2.1 Amplitudesdes diérents y les . . . 51

2.2 Paramètres du modèle des batteries utilisées (batteries 6FM200D) . 57

2.3 Coûts unitairesdes éléments [4,68, 9℄ . . . 62

2.4 Plage de variationdes paramètres du modèlede simulation . . . 63

2.5 Illustrationdu roisement etde lamutation . . . 70

2.6 Dimensionnement optimalpour les quatre as étudiés . . . 88

2.7 Coût de l'énergieproduite pour lesquatre as étudiés . . . 88

3.1 Représentation des pages jaunes . . . 102

3.2 Codes utilisés pour les messages . . . 118

(23)

(24)

Symboles utilisés dans la partie dimensionnement

C éléments

: Coût des éléments

C :Coût

C PV

:Coût du générateur photovoltaïque

C BAT

: Coût des batteries

C PàC

: Coût de la pileà ombustible

C H2 : Coût de l'hydrogène

nb

: Nombres d'élément

DV

: Durée de vie C élément

: Coût d'un élément

CU : Coûtunitaire

P PV

c

:Puissan e rête du panneau solaire

Q BAT : Capa ité de la batterie P PàC n : Puissan e nominale de laPàC Q H2

: Quantité d'hydrogène onsommée

C pénalité : Coût de pénalité E manque : Energiemanquante C total

: Coût total du système

η

ConvPV

: Rendement du onvertisseur statique asso iéau PV

i

: Indi e désignantun ertainpas de simulation

η

ConvPàC

: Rendementdu onvertisseur statique asso iéà laPàC

P

BAT :Puissan e de la batterie

P

PV : Puissan e des PV

P

PàC : Puissan e de la PàC

(25)

P

CHARGE

: Puissan e de la harge

E

n

PV

: Ensoleillement nominaldes PV

E

dir

: Ensoleillementdire t

E

dif

h

: Ensoleillementdius horizontal

E

g

:Ensoleillementglobal horizontal

E

dirc

:Ensoleillementdire t reçu par le olle teur PV

E

dif c

: Ensoleillement diusreçu par le olle teur PV

E

gc

: Ensoleillementglobal reçu par le olle teur PV

θ

: Angle d'in iden e entre le rayonnement dire t etla normaleaux PV

Σ

: Angle d'in linaison des PV

Φ

C

: Angle d'azimutdu panneau solaire

β

: Angle d'altitudedu soleil

Φ

S

: Angle d'azimutdu soleil

L

:Latitude du lieude l'installation

δ

: Angle de dé linaison solaire

H

:Angle horaire

HS

: Heure solaire

P

H2

:Puissan e onsomméesous formed'hydrogène

∆T

: Pas de al ul du modèle de simulation

E H2

: Energie onsommée sous formed'hydrogène

N

:Nombre de jours é oulésdepuis ledébut de l'année

n

: Nombre de pas de al ul

nb

dPàC

: Nombre de démarrages de laPàC

nb

hPàC

: Nombre d'heures de fon tionnement de la PàC

nb

dPàC

max

: Nombre maximum de démarragesde laPàC

nb

hPàC

max

: Nombre maximum d'heures de fon tionnement de la PàC

Q

1

:Energie dire tement disponbileà lasortie de la batterie

Q

2

:Energie retenue dans labatterie

k

′

:Condu tan e entre lesdeux réservoirs du modèlede labatterie

Q

1 max

: Capa ité du réservoir 1 du modèle de la batterie

Q

2 max

: Capa ité du réservoir 2 du modèle de la batterie

q

1

: Energie sto kée dans le réservoir1 du modèle de labatterie

q

2

: Energie sto kée dans le réservoir2 du modèle de labatterie

P

BAT

(26)

P

BATd

: Puissan e demandée à labatterie

P

manque

: Puissan e manquante

DOD

: Profondeur de dé harge de labatterie

N

cy

: Nombre de y les subis par la batterie

C

R

: Nombre de y les avant rupture de labatterie P

PàC

n

: Puissan e nominalede laPàC

Symboles utilisés dans la partie gestion d'énergie

v

SC

: Tension des SC

R SC

: Résistan e série des SC

i

SC : Courantdes SC C SC :Capa ité des SC SOC SC

: Niveau de harge des SC

V SCn

: Tension nominaledes SC

Q BATn

: Capa ité nominalede labatterie

V

res

MAX

: Amplitudedes tensionssimples du réseau

v

1O

: Tension entre la sortie du bras 1 de l'onduleur et lamasse du bus DC

v

2O

v

3O

v

1N

: Tension simple du réseau (phase1)

v

2N

v

3N

v

NO

:Tension entre lepointneutre du réseau etla masse du bus DC

R L

:Résistan e parasitede l'indu tan e L

v

DC : Tension du bus DC C DC : Capa ité du bus DC

i

BAT DC

: Courant fournipar la batteriesur le bus DC

i

SC

DC

:Courant fourni par lesSC sur lebus DC

i

res

DC

: Courant fournipar leréseau sur lebus DC

i

PV

DC

:Courant fournipar lePV sur le bus DC

i

CHARGE

:Courantdela hargesurlebusDC(négatiflorsquela harge onsomme)

v

PV

(27)

i

PV

:Courant des panneaux solaires

V PV

max

:Tensionnominalede ir uitouvert des panneaux

I PV

max

: Courantde ourt- ir uitdes panneaux pour diérents ensoleillement

V PV

min

:Tensiondes panneauxsolaireslorsquel'ensoleillementreprésente20%du

nominal

V

b

: Tension des panneaux solaires lorsque le ourantreprésente 63%du ourant de

I PV

: Courant nominalde ourt- ir uitdes panneaux

TC

i

: Coe ientde température du PV en ourant TC

v

: Coe ient de températuredu PV en tension

v

H

: Tension haute d'un onvertisseur réversible en ourant

v

B

:Tensionbasse d'un onvertisseur réversible en ourant

i

B

: Courant du té de lahaute tensiondans un onvertisseur réversible

i

H

: Courant du té de la hautetension dans un onvertisseur réversible

v

L

(28)

Suite à la prise de ons ien e mondiale des enjeux liés à l'énergie, e début

de siè le sera sans doute marqué par l'évolution rapide des te hnologies liées à

la produ tiond'énergie d'originerenouvelable. Eneet, lesénergies renouvelables

béné ient de deux atouts majeurs leur permettant de répondre aux prin ipaux

problèmes énergétiques a tuels. Premièrement, omme leur nom l'indique, elles

se régénèrent naturellement, tout du moins à l'é helle de la vie humaine. Leur

deuxième atout permet de répondre à la problématique du ré hauement

lima-tique ar elles ne rejettent pas de polluants pendant leur utilisation, et la

fa-bri ation des générateurs entraîne peu d'émissions de gaz à eet de serre dans

l'atmosphère.

Cependant,lesénergiesrenouvelablessedéveloppentmoinsrapidementqueles

énergies fossiles qui, elles, ontinuent leur forte progression omme le montre la

gure 1 (sour e EIA

1

[23℄). En eet, entre 1996 et 2006, les EnR ont progressé de 22 % en valeur absolue au niveau mondial mais, dans le même temps, leur

part dans la produ tion éle trique totale a baissé de 10 % (voir gure 2). Ce i

s'explique simplement par l'augmentation de la onsommation, qui béné ie en

priorité aux énergies fossiles qui ont augmenté de 40 %, toujours pour la même

période. A tuellement les EnR représentent moins de 3 % de la onsommation

d'énergie primaire(hors biomasse) ar elles ont tout de même quelques défauts :

un prix élevé,

un manque de prévisibilité(intermitten e),

un potentiellimité ar renouvelable ne signie pas en quantité inépuisable.

Il est indéniable que lorsque les EnR interviennent dans un réseau éle trique

1. L'Agen ed'Informationsurl'Energie(EnergyInformationAdministration), rééeen1977,

est l'agen eindépendante de lastatistiqueausein duministèredel'énergie desEtats-Unis.La

(29)

1980

0 1985

1990

1995

2000

2005

0.5

1

1.5

2 x 10

4 Années

Electricité produite (TWh)

Totale

EnR

Figure1 Produ tionmondialed'énergie éle trique totale etd'origine

renouve-lable

1980

1985

1990

1995

2000

2005

18

19

20

21

22

23 Années

Part d’électricité renouvelable (%)

(30)

pro- entralisé,telsque euxquenous onnaissonsaujourd'hui,le oûtde l'énergie

pro-duite est plus important que le oût moyen proposé par les grands distributeurs

d'éle tri ité. C'est pourquoi,elles sont utilisées dans e adre uniquement grâ eà

defortessubventions.Onremarquerad'ailleursqueleprixdera hatdel'éle tri ité

d'origine photovoltaïque intégré au bâtiment a été porté à 60 entimes d'euro en

2009en Fran emétropolitaine.Celareprésente5à6foisleprixmoyende

l'éle tri- ité a hetéepar un abonné parti ulierfrançais. Mêmesi e prixpeut paraîtretrès

intéressant, il ne parvient pas à produire un retour susant sur l'investissement

dans une installationphotovoltaïque.

De plus, pour la régulation du réseau éle trique, l'intermitten e des sour es

éle triques renouvelables posent de nombreux problèmes. En eet, les réseaux

éle triques ne sontpas en ore onçuspour supporter uneprodu tionmassivement

dé entralisée;leur on eptionsuitles héma lassique:produ tion,transport,

dis-tributionet onsommation.Or,laprodu tionpeutmaintenantsefaireenplusieurs

points, et les onsommateurs deviennent également produ teurs. Le s héma

las-siquedevra don être profondémentrévisé pour assurerun développement orre t

des énergies renouvelables pour laprodu tiond'éle tri ité.

Néanmoins,leur priximportant,défaut très souventrepro hé auxEnR, est un

point à nuan er, surtout en e qui on erne la produ tion d'éle tri ité. En eet,

dans le as de systèmes dé entralisés, il onvient de remarquer que les EnR sont

d'oresetdéjàintéressantes sur lesplanste hniqueeté onomique.Eneet,dansle

as de petites ommunautés situées dans des zones isolées di iles d'a ès

(mon-tagnes, îles, déserts, amps itinérants, et .), la onstru tion de lignes éle triques

permettant la onnexion au réseau entraîne un sur oût très importantet un

sys-tème autonome de produ tion éle trique est très souvent préféré. An de palier

auproblème d'intermitten e des sour es renouvelables, d'autres élémentssont

as-so iés à es sour es notamment pour le sto kage de l'énergie. C'est ainsi que des

systèmes hybrides ouplant diérentes sour es etmoyens de sto kage sont réés.

Ande développerl'intérêtetd'améliorerlaabilitédetels systèmes,ilest

né- essaired'apporterdenouvellessolutionsets'intéresseren parti ulieren deux

pro-blèmes.Lepremierproblème est eluidu dimensionnementdes systèmeshybrides.

Eneet, la on eptiondu système doit passer parune phase de dimensionnement

(31)

l'énergieminimum.Ce dernierpointest une des lés pour garantir,d'un pointde

vue é onomique, l'attra tivité de solutions à base d'énergie renouvelable. La

se- ondeproblématiqueest elledelagestiondel'énergiepour lessystèmeshybrides.

Parnature, egenredesystème omporteplusieurséléments.Le ontrledes

dié-rents élémentsest réaliséparlesystème de gestiond'énergiequiest lassiquement

onçuàpartird'uneappro he entralisée.Or,un systèmehybridepouvantévoluer

et ontenirunnombrerelativementimportantd'éléments,uneappro he entralisée

peut être déli ate à mettre en pla e. C'est pourquoi, une appro he dé entralisée

peut-êtrepréférée.Ceprin ipepeutsestru turerautourdessystèmesmulti-agents

etdeplusenplusderéexionsetdeparutionss ientiquesabordent ethèmepour

la gestion d'énergie. En revan he, au une étude n'a présenté on rètement et

ex-périmentalement l'appli ation de e prin ipe à la gestion d'énergie de systèmes

hybrides.

Cette thèse, ee tuée au sein de l'équipe Commande et Conversion de

l'Ener-gie du laboratoire SeT, a traité es deux thématiques en proposant une solution

originalepour ledimensionnementoptimal de es systèmes eten développant

ex-périmentalement un système multi-agentspour lagestion de l'énergie. Ce dernier

a notamment été développé grâ e aux nombreux é hanges ave d'autres équipes

du SeT spé ialiséesdans le domaine des systèmes multi-agents,jusqu'i i très peu

onnusengénieéle trique. Ainsi, e mémoireprésentelestravauxréalisésdans es

deux domaines et est organisé de lamanière suivante.

Organisation du mémoire

Le hapitre 1 propose tout d'abord de présenter et de dénir e que sont les

systèmes hybrides à énergies renouvelables puis les deux problématiques sont

dé-veloppées.Lespré édentstravauxsontainsianalysésetnoussoulignonségalement

lespossibilités d'améliorationsur ha une des deux thématiques.

Le hapitre 2 présente la solution proposée pour le dimensionnement optimal

des systèmes hybrides. En s'appuyant sur un as d'étude, le modèle, la solution

d'optimisation et les résultats de l'outil sont développés. Les résultats montrent

l'importan e de ertains paramètres et l'utilité de ertains éléments, omme par

(32)

Demanièreàmontrer on rètement leprin ipeetlefon tionnementde lasolution

retenue, le développement s'appuie sur un as on ret, omme dans le se ond

hapitre. Ainsi, le prin ipe des systèmes multi-agents appliqué à la gestion de

l'énergieestexpliquéetestensuitetestéparunmodèlede simulation.Lesrésultats

permettentde jugerde l'intérêtetdel'e a ité d'uneappro hedistribuée pour la

gestion de l'énergiedans les systèmes hybrides.

Enn,le hapitre4présentelesystèmeréelsurlequellagestiondel'énergiepar

un système multi-agentsaété testée.Les résultatsexpérimentauxsont également

(33)

(34)

Les systèmes hybrides dé entralisés

à énergie renouvelable

1.1 Présentation générale

Lessour esd'énergierenouvelablepourlaprodu tiond'éle tri itéontplusieurs

atouts pour répondre au dé énergétique a tuel. Cependant, l'énergie produite

possède ertains défauts. Sur un plan te hnique, le prin ipal in onvénient de es

sour espouruneutilisationautonomeestl'intermitten e.Pourpalier

momentané-mentà e problème,ilfaututiliserdes moyens desto kagede l'énergietelsquedes

batteries. Ainsi,l'asso iationd'un générateurd'énergie éle triqueetd'un système

de sto kage de l'énergieformeun système hybride de base.

Lagure 1.1représente s hématiquementun système omposé uniquement de

batteries et d'un générateur photovoltaïque.

Figure1.1S héma de prin iped'un système omposé uniquementde PV etde

(35)

Lors des périodes ritiques,lorsque lessour esne produisent pas susamment

d'énergie pour re harger orre tement les batteries et assurer une alimentation

permanente de la harge, un système aussi simple n'est pas for ément idéal. En

eet,ildevraêtresurdimensionnédemanièreàrépondreàlapériode ritique.C'est

pourquoi,ungénérateurauxiliaireestsouventprésent.Ungénérateurauxiliaireest

un système qui, à partir d'un réservoir de arburant, peut produire de l'énergie

éle trique en fon tion des besoins de l'utilisateur. Pour remplir ette fon tion,

des groupes éle trogènes sont habituellement utilisés, omme par exemple dans

l'installationd'Artosilladansla régionde Hues aen Espagne[44℄.Ainsi,tantque le générateur est alimenté en arburant, il peut alimenter le système lorsque les

autressour es ne sont pas susantes.

Néanmoins, ette solution présente deux in onvénientsmajeurs: le bruit etla

pollution(gazàeetdeserre).Pourpalierà eproblème,dansle asd'appli ations

stationnaires,une alternativeaugénérateurdieselest aujourd'huipossible:lapile

à ombustible (PàC)

1

. Ave ette solution, le générateur diesel est rempla é par

une PàC etle réservoir de arburant par un réservoir d'hydrogènesous-pression.

Il existe diérentes te hnologies de PàC et elle qui est aujourd'hui la plus

aboutie et la mieux adaptée pour e type d'appli ation est la pile à membrane

é hangeuse deprotons(abrégépar PEMdansla littératureanglophone).Lespiles

PEM produisent de l'éle tri ité à partir d'hydrogène et d'oxygène, e deuxième

élémentétantdisponibledans l'air. L'hydrogène

2

,noté H 2

d'après saformule

hi-mique, peut être produit par éle trolyse de l'eau puis sto ké sous pression dans

des bouteilles.

Dansle adrede ettethèse,nousnoussommesnotammentintéressésàun

sys-tème hybride omposé de panneaux photovoltaïques (PV), de batteries et d'une

PàC alimentéeen hydrogène.Ce systèmedeprodu tionautonomepermetde

four-nirde l'éle tri ité à une harge, 'est-à-dire à un ensemble d'appareils éle triques

pourl'utilisateur.Commelemontrelagure1.2,tous esélémentssont onne tés

ensembleautourd'unbusà ourant ontinu(DC).Cebusest onstituédedeuxls

ondu teurs qui permettent à l'énergie éle trique de transiter. Les ux d'énergie

1. Cettesolutionalemérited'êtresilen ieuse,propreetrespe tueusedel'environnementdans

lequelelleestintégrée.

(36)

entre les éléments sont ontrlés par des onvertisseurs statiques. Ces

onvertis-seurs statiques peuvent être assimilés à des vannes apables de ontrler le débit

d'énergie. Un système de ontrle permetde gérer es uxd'énergie, par exemple

en dé idant d'allumer ou d'éteindre le générateur PàC ou en ore en dé idant de

harger ou de dé hargerles batteries.

Figure 1.2 S héma de prin ipe d'un système hybride omposé de PV, de

bat-teries et d'un générateurauxiliaire

Intérêt des systèmes hybrides Les systèmes hybrides utilisant des sour es

renouvelables peuvent être intéressants pour alimenter en éle tri ité des

ommu-nautés situées dans des zones isolées ou di iles d'a ès (montagnes, îles,

dé-serts, amps itinérants, et .). La onstru tion de lignes éle triques permettant la

onnexion au réseau entraîne un sur oût très important en fon tion de

l'éloigne-ment du réseau éle trique. Le oût de onstru tion de lignes éle triques est en

moyennede 50kEUR/km[42℄,auquel ilfautégalementajouterles oûts de main-tenan e. Deplus, siladistan e estimportante,laperted'énergie engendréepar la

ligne de transmission éle trique n'est pas négligeable 2 % selon RTE [70℄. Enn, dans le as de lignes de transmission aériennes, 10 fois moins oûteuses que des

(37)

reste un ritère subje tif. Pour es diérentes raisons,une alimentationéle trique

autonome stationnaireest de plus en plus onsidérée.

1.2 Problématique du dimensionnement

1.2.1 Dénition du dimensionnement

Dans une installationhybride, telle que elle présentée dans la se tion 1.1, le

on epteurdusystèmedoitasso ierlessour esd'énergieetlesmoyensde sto kage

de manièreà satisfaire deux obje tifs :

assureruneprodu tionsusantepour ouvrirl'ensembledela onsommation

éle triquedes utilisateurs,

garantirle oût minimum de l'énergie onsommée par les utilisateurs.

Cette phase de la on eption s'appelle le dimensionnement. Il s'agit

notam-ment de déterminer quelle sera la puissan e etla apa ité des diérents éléments.

Cependant,à ausede lanatureintermittentedessour esrenouvelables,le

dimen-sionnement de l'installation s'avère di ile et doit, en toute rigueur, dépendre à

lafoisdes ara téristiquesmétéorologiquesdu lieuoùlesystème sera installétout

en intégrantle prol de onsommation.

En eet, omment dimensionner ha un des éléments en termes de puissan e

et de apa ité an d'assurer une alimentation permanente de la harge, tout en

obtenantuneénergieaumoindre oût?Parexemple,surunsimplesystèmeéquipé

de batteries et de panneaux solaires photovoltaïques, que faut-il privilégier : une

grande surfa e de panneaux photovoltaïques tout en minimisant la apa ité des

batteries ou l'inverse, au risque de faire subir des dé harges trop profondes qui

endommageraient les batteries? Répondre à e problème d'optimisation est

pré- isément l'un des obje tifs de ette thèse. Il s'agit de fournir au on epteur une

(38)

1.2.2 Méthode lassique de dimensionnement des systèmes

PV-Batterie

Dansle asdesimplessystèmesasso iantuniquementpanneausolaireet

batte-rie, ertaines solutionsexistent.La on eption lassiquede e genre de systèmese

base sur des données d'ensoleillement,moyennéesgénéralementsur un mois, ainsi

que sur la onsommationmoyenned'éle tri ité [44, 76℄. Apartir de es données il est alors possible de déduire la puissan e photovoltaïque qui devra être installée.

Ensuite,pourdéterminerla apa itéde labatterie,le on epteurxelenombrede

jourspendantlequel lesystèmedoit pouvoirfon tionner en autonomiedans le as

de l'absen e de produ tion photovoltaïque. Cette méthode de on eption est

au-jourd'huisouventutilisée ar,silenombredejoursd'autonomieaété orre tement

hoisi, ela garantit une alimentation ininterrompue de la harge. Une démar he

similaire est également adoptée pour des systèmes ouplant des éoliennes et des

batteries.

Cependant, ette solution présente un ertain nombre d'in onvénients. Tout

d'abord, le oût de l'énergie n'est pas du tout pris en ompte. Le système est

souvent surdimensionné an de répondre à l'unique ontrainte onsidérée :

l'ali-mentationininterrompuede la harge. L'utilisateurn'a don pas lagarantie

d'ob-tenirde esystèmeun oûtdel'énergieminimum.Ensuite, edimensionnementne

tientpas omptedes y les de harge /dé hargeinigés àlabatterie. Cette

te h-niquepeutdon entraînerunvieillissementprématuréde labatterie.Silepanneau

photovoltaïque est d'une puissan e insusante, la batterie subira plus de y les

de dé harges profondes, notamment dans les périodes hivernales ritiques. Enn,

ette méthode étant basée sur l'analyse ex lusive de la période la plus ritique en

termes de produ tion photovoltaïque, une grande partie de l'énergie

potentielle-mentproduitedansdespériodesplusfavorables(périodeestival)n'estpas sto kée,

nimêmeutilisée. Celaentraînedon une utilisationmoindredu photovoltaïqueet

allonge sadurée d'amortissementénergétique

3

.

Finalement,ilfautremarquerque, dansle as de systèmes omportanten plus

un générateur auxiliaire, ette méthode ne peut pas être appliquée.

(39)

1.2.3 Dimensionnement de systèmes omportant un

géné-rateur auxiliaire

Méthode lassique

Dimensionnement préliminaire du PV et des batteries Classiquement,

le dimensionnement d'un système omportant un générateur auxiliaire passe par

le dimensionnement d'un système omposé uniquement de PV et batteries. Ces

élémentssontdimensionnésselonlaméthodedé ritepré édemment(se tion1.2.2).

Ensuite, an de déterminer s'il y a un intérêt à ajouter un générateur auxiliaire,

ilest ourant d'utiliserl'indi ateurhybride [79, 71℄.

L'indi ateurhybride Ilest représentésur lagure1.3 ommeune ourbeliant

l'énergie onsommée quotidiennement à un rapport panneau- harge. Le rapport

panneau hargeestlerapportentrelapuissan edupanneauetla hargejournalière

(W p

/

Wh ).

Figure1.3L'indi ateurhybridepourunsystèmeasso iantauPVungénérateur

diesel [79℄

A partirdu dimensionnementpréliminairedu panneau, silesystèmesesitue à

(40)

Prenons, par exemple, un système où l'énergie onsommée est de

4 kWh

par jour.Siledimensionnementpréliminairedonneunepuissan edepanneaude

1 kW

, le rapport panneau- harge est de 0,25. Il n'y a i i pas de raison d'utiliser un

système hybride ar l'énergie solaire reçue dans ette région est susante. En

revan he, si l'ensoleillement n'est pas susant, lapuissan e du panneau doit être

plus importante.Si,par exemple, ledimensionnement préliminairefaitapparaître

une puissan e de panneau de

3 kW

, le rapport panneau- harge augmente à 0,75 et un système hybride est alors intéressant.

Dimensionnement du PV Sil'utilisationd'un système hybride se justie, on

revient alors sur le dimensionnement du panneau solaire. Ladisponibilité du

sys-tème est réduite en diminuant la puissan e du PV. La disponibilité est

générale-ment hoisi autour de 80 %. Le reste de l'énergie sera fournie par le générateur

diesel.

Dimensionnementdugénérateurdiesel Lapuissan edugénérateurest

hoi-sie égale à la puissan e maximum de la harge. De ette manière, la batterie se

harge lorsque la harge est plus faibleetlegénérateur opère toujours àune

puis-san e quasiment onstante.

L'a tivationdugénérateurdépenddu niveau de hargeminimaledelabatterie

re ommandé par le onstru teur ou hoisi par le on epteur en fon tion de la

duréedeviede labatterie.Ladésa tivationdugénérateurintervientgénéralement

lorsque la batteriea retrouvé 80% de son niveau de harge.

In onvénients de ette méthode Comme pré édemment, e

dimensionne-ment permet d'assurer une alimentation éle trique permanente aux utilisateurs

dans la limite de lapuissan e du générateur auxiliaire. Enrevan he, ilne permet

toujours pas d'assurer un dimensionnementoptimald'un point de vue du oût de

l'énergie délivrée. En eet, même si dans ette méthode l'intérêt de l'hybridation

est vériée,ledimensionnementdes élémentsne prendpas dire tementen ompte

etobje tif.Parexemple,ledimensionnementduPVestbasésurune ertaine

dis-ponibilité du système. Or, selon l'ensoleillement reçu par le site de l'installation,

(41)

vientpas ommeparamètrede dimensionnement.Sonimportan eest illustrédans

lasuite de e mémoire(voirse tion 2.6.1).

Les paramètres de ontrle du générateur apparaissent dans le

dimensionne-ment mais au une méthode quantitative ne permet d'estimer leurs inuen es sur

le oût total du système. Pourtant, es paramètres peuvent modier :

la durée de vie de la batterie : en imposant des y les de dé harge plus ou

moinsimportant,

laquantité de arburant onsommée,

la durée de vie du générateur en modiant la durée d'a tivation de et

élé-ment ouen ore le nombre de y les de démarragequ'il subira.

Méthodes plus approfondies développées dans la littérature

Commenousvenonsdelevoir,laméthode lassiqueprésenteun ertainnombre

de désavantages. Il est don né essaire de proposer une solution permettant de

prendre en ompte l'ensemble des paramètres du système et de les lier au oût

total.Pour elaunemodélisationdusystèmeestné essaire.Certainsoutilsexistent

sur lemar hé. Cependant, es outils ne permettentpas d'optimiserdire tementle

dimensionnement du système de manière à satisfaire les ontraintes imposées par

l'utilisateur.

Outils de modélisation disponibles Certains outils existent pour simuler et

observer le omportement du système. Nous pouvons notamment iter les deux

logi iels HOMER et HYBRID2 développés respe tivement par le NREL

4

et le

CEERE

5

. Ces logi ielssontgratuits maisnon libres; onne peut don pas utiliser

librementles odes sour es de es programmes.

Lelogi ielHYBRID2estunoutilquipermetd'ee tuerdesétudesde systèmes

hybrides ainsique des analyseste hni o-é onomiques. Ce programmeutiliseentre

autresdes séries de données sur la harge,lavitesse du vent,l'ensoleillement,an

de prévoir les performan es du système. HOMER permet d'étudier une grande

variétéde systèmeshybrides onne tés ounon auréseau éle triqueprin ipal(voir

4. National RenewableEnergy Laboratorysitué à Goldendans leColorado.Ce laboratoire

faitpartiduDOE,DepartmentOf Energy

(42)

Mas-une apture d'é rangure1.4).Enplusdeprésenter des ara téristiquessimilaires à HYBRID2, il permet de faire des séries d'analyses an d'estimer l'inuen e de

ertains paramètres de on eption. En revan he, il ne possède pas d'algorithme

permettant d'optimiser dire tement ledimensionnementdu système.

Figure1.4 Extrait de l'interfa e du logi iel HOMER

Etude du dimensionnement à partir de modèles En utilisant le logi iel

HOMER, ertains arti les présentent des études de faisabilité à travers une

ana-lyse de sensibilitédes diérents paramètresde on eption[74,16℄.Pour autant, il ne s'agit pas d'une optimisation mais d'une analyse qui ne prend pas en ompte

l'ensembledes paramètresà étudier, ommeparexemple l'in linaisondu panneau

solaire dont l'importan ea déjà été démontrée par d'autres études [14, 15℄. Bien souvent, e type d'études vise à estimer les rejets de polluantsémis par les

géné-rateurs auxiliaireslorsque eux- i sont des moteurs diesel.

D'autres her heursontproposésdes modélisationsdiérentes de systèmes

hy-brides. Certains modèles proposent une modélisation assez ne pour permettre

l'étude et la on eption de onvertisseurs statiques mais ne permettent pas

d'ob-tenir les résultatsné essaires à l'estimationdu oût de l'installation [17℄.

(43)

HO- lusivementauxsystèmes onne tésauréseauenprenanten ompteles ontraintes

environnementales. Mais ommel'illustrebien l'étudede Kellogg[41℄, es modèles ne prennent pas en ompte l'analyse de la durée de vie des batteries ni l'angle

d'in linaisondes panneaux solaires.

Enn, àpartir de son propremodèle, Nelson [62℄présente une analyse de l'in-uen ede ertainsparamètresde on eptionen fon tiondes autressurun système

très omplet ouplantsour ephotovoltaïque,générateuréolien,pileà ombustible

et éle trolyseur. Il étudie, par exemple, l'inuen e ombinée de la puissan e du

panneau solaire et de la apa ité de la batterie sur la onsommation totale

d'hy-drogènedelaPàC.Cettedonnéeinueégalementsurlapuissan edel'éle trolyseur

né essaire pour générer l'hydrogène onsommé par la pile. Bien qu'une prévision

du oût apparaisse dans ette étude,il n'y avait pas en ore de lien dire t entre le

modèle, le oût et lesparamètres de on eption du système.

Solutions utilisant un algorithme d'optimisation Des études ont

ré em-ment été publiées sur l'utilisation de méthodes d'optimisation pour des systèmes

à énergie renouvelable. Certaines ont montré l'intérêt des algorithmes génétiques

pour la on eption de générateurs éolien onne tés au réseau[49℄ouen ore sur le pla ement optimum de plusieurséoliennes sur le mêmesite [31℄.

D'autres e sont intéressés au dimensionnement optimalde systèmes hybrides

onne tés au réseau [73℄ ou autonomes [75, 53, 43℄ . Les dimensionnements opti-maux proposés pour les systèmes autonomes montrent des résultats intéressants

mais les modèles utilisés ont un désavantage dans l'étude te hno-é onomique : ils

ne prennent pas en ompte le vieillissement de la batterie en fon tion des y les

de harge/dé harge qu'elle peut subir et ils ne onsidèrent pas non plus l'angle

d'in linaison du panneau solaire dont l'importan e a été montré dans [14, 15℄. Il estimportantdenoterquelaplupartdessystèmes hybridesétudiéssont ontitués

d'un générateurdiesel omme sour e d'alimentationauxiliaire.

Quelques études se sont intéressées non pas à l'optimisation du oût global

de l'énergie mais à la minimisation de la onsommmation de arburant par le

générateur auxiliaire, omme présenté dans [78℄. Ces analyses sont utiles pour un système PV-BAT-Diesel ar elles permettent a priori de réduire les émissions de

(44)

un algorithme génétique pour le ontrle optimal du générateur auxiliaire d'un

système hybride. Plus parti ulièrement,le générateur auxiliaire utilisé dans ette

étude est une PàC. La méthode her he, en s'appuyant sur un modèle de

l'instal-lation, à diminuer les ontraintes inigées sur les batteries en dénissant un oût

de y lage de la batterie. Paradoxalement, l'appro he prend bien en ompte

l'analysede laduréede vie de labatteriemais ignore ellede laPàC entermes de

nombre de démarrages.

1.2.4 Quelle solution pour le dimensionnement optimal?

Lasolution proposée dans ette thèse (voir hapitre 2)repose don sur

l'utili-sationd'unmodèle,d'unefon tionde oûtetd'unalgorithmed'optimisationpour

la on eptiond'un système hybride autonome omposé :

d'un PV

d'une batterie

d'un générateur auxiliairealimentéen arburant

6

De plus, le modèle développé utilise des données horaires d'ensoleillement et

de prol de harge etprend également en ompte:

l'orientationdu PV (angles d'azimuth et d'in linaison)

la apa ité de la batterie

la puissan e maximum admissiblepar labatterie

l'analyse de la durée de vie de la batterie

la puissan e de la PàC

les paramètresd'a tivationet d'arrêtde laPàC

la duréede viede laPàC

la quantité d'hydrogène onsommée

l'évaluationlasatisfa tiondel'utilisateur(taux d'alimentationde la harge)

(45)

ali-1.3 Problématique de la gestion d'énergie dans les

systèmes hybrides

1.3.1 Dénition de la gestion d'énergie

Une notion très large

La dénition de la gestion d'énergie est un exer i e di ile ar depuis ses

dernières années, ette notiona tendan e às'élargiren étant utiliséedans des

do-maines assez diérents. Par exemple, ette expression vient parfois rempla er, à

tort, elle de maîtrise de l'énergie. La maîtrise de l'énergie est également une

notion assez large qui désigne l'ensemble des te hniques permettant de diminuer

la onsommationd'énergie d'unbâtiment,voire d'unpays, dansun sou i

d'é ono-mies nan ières etde rédu tion de l'empreinteé ologique.Elle adon une portée

assez large et 'est pourquoi lesdeux notions sont malheureusement trop souvent

onfondues.

Ausein dudomainedu génieéle trique, letermegestiond'énergien'estpas

nonplus en adrépar unedénitionpré iseetlaproblématiqueestdiérenteselon

le domaine d'appli ation. Nous proposons i i une distin tion de trois domaines

d'appli ationde la gestion d'énergie symbolisés dans la gure 1.5:

produ tionetsto kage,

transport et distribution,

onsommation.

Le dé oupage proposé repose en fait sur les 3 prin ipaux domaines

lassique-ment étudiés en éle tri ité. Notons ependant que le sto kage est habituellement

onsidéré omme un domaine séparé. Nous l'avons i i groupé ave la produ tion

ar,dansle as delaprodu tiondé entraliséed'éle tri itéparunsystèmehybride,

produ tionetsto kage sont liéset lagestion d'énergie intervientsur es deux

do-maines. Dans ette partie, la gestion d'énergie doit, par exemple, permettre de

produiredel'énergieéle triquedemanièreabletoutenrespe tantles ontraintes

des éléments de produ tionou de sto kage.

Ensuite,lapartietransportetdistribution on ernel'a heminementde

(46)

Figure1.5Classi ationdes domainesd'utilisationdelagestiond'énergiedans

le génieéle trique

entre lespointsde produ tionetde onsommation.Par exemple,dans le as d'un

réseau maillé, ela permet de abiliser et de répartir le transit d'énergie sur les

diérentes lignes disponibles, de manière àne pas sur harger ertaines lignes età

diminuer lespertesen lignes.

Enn, la gestion d'énergie pour la onsommation a pour prin ipal obje tif de

réduireoude diérerla onsommationdesutilisateurstoutenminimisantl'impa t

sur le onfortdespersonnes.C'estpré isémentsur e domainequ'interviennentles

ompteurs ditsintelligentstels que eux proposés ré emmentpar GeneralEle tri

en partenariatave Google [5℄etqui devraientêtre répandusmassivementdans la pro haine dé énnie.

Selon le domaine d'appli ation, la gestion d'énergie her he à satisfaire des

obje tifstrès diérents etson sens s'en trouve don modié.

La gestion d'énergiepourla produ tion et lesto kagedans les systèmes

hybrides

Lesalimentationshybridesstationnairespourlaprodu tiondé entralisée

d'éle -tri ité ont don besoin de gestion d'énergie, prin ipalement dans le domaine que

nous avons déni sous le nom de produ tion et sto kage . En eet, omme

nous l'avons déni, es alimentations sont onstituées de générateurs, de moyens

(47)

Ande ontrler ha un des élémentsqui omposentun système hybride, une

gestion d'énergie doit être mise en pla e. Sur un simple système omposé d'un

générateurPVetd'unebatterie,lesystème d'énergieleplussimpledoitpermettre

par exemplede tirer lemaximumde lapuissan e du panneau solaireetégalement

protéger labatterieen as de sur hargeoude sous- harge. Bienentendu,d'autres

règles plus évoluées peuvent être utilisées notamment pour garantir un y lage

minimumde labatterie.

D'une manièregénérale, unebonne gestiondoit enprioritéassurerune

alimen-tation permanente de la harge. Par la suite, d'autres obje tifs peuvent être xés

ommeparexemplelatoléran eauxpannesd'unélément,lamaximisationdu

ren-dement, la rédu tion des oûts de fon tionnement, et . Bien entendu, la gestion

d'énergiene peut pasalleraudelà deslimitesphysiquesdes éléments.Sile

dimen-sionnement du système a été mal réalisé, même une gestion d'énergie e a e ne

pourra l'améliorer.La gestion d'énergie doit don s'adapter ausystème ontrlé.

Analogie uidique Le rle de la gestion d'énergie d'un système hybride peut

s'expliquerparuneanalogieuidique.Lebusquirelieéle triquementlesdiérents

éléments entre eux, peut être imaginé omme un réservoir d'eau. Ce réservoir est

alimenté en eau par diérentes sour es. Certaines de es sour es sont

omman-dables et prédi tibles, d'autres ne le sont pas, omme les sour es intermittentes.

Ceréservoirest vidéparlesdiérentes hargesdes utilisateurs.Onpeutégalement

imaginer que des systèmes de sto kage sont présents et peuvent pomperou

rela- her une partie de l'eau. Le but de la gestion d'énergie est don de maintenir un

niveaud'eau onstantdansleréservoirdemanièreàassurerunepressionsusante

pour lesutilisateurs.Celarevient don àmaintenirlatensiondu bus onstantede

manièreàassurerunealimentationpermanentedela harge.Pour ela,lesystème

degestionpeut essentiellement ommanderlessystèmesde sto kage oulessour es

ontrlables.

Cette vision de la gestion d'énergie a notamment été proposée dans [6℄, mais pour la gestion d'unréseau éle trique à une é helle plus large, omme l'illustrela

(48)

Figure1.6 Analogie uidiquede lagestion d'énergie [6℄

1.3.2 Vision lassique de la gestion d'énergie

Présentation générale

Lorsdu développement d'unsystème de gestiond'énergie,le systèmeest

habi-tuellement vu omme un ensemble appelé système. Le on epteur ne her he

pas immédiatement à prendre en onsidération que et ensembleest en fait

onstitué de diérents éléments qui ont des ara téristiques et ontraintes

sou-vent très diérentes. Par la suite, le on epteur va bien évidemment prendre en

ompte les diérents éléments mais toujours ave ette vision d'un ensemble ni

et immuable. Ainsi retran hé dans ette appro he de supervision, le on epteur

doit prendre en ompte les ontraintes de haque élément et les intégrer dans

l'ensemble. La omplexité de ette appro he pour le on epteur augmente ave le

nombre de ontraintes et ave le nombre d'élémentsque omporte le système.

Ave ette appro he lassique, la gestion d'énergie est en pratique assurée par

un ontrleur entral dans lequel est implémenté un programme développé selon

(49)

des règles du type si labatterie est vide alors la harger.

Limites de la vision lassique

Cetteappro he lassiqueesttrèsrépandue arellevientdelavision lassiquedu

ontrle dessystèmes.Silagestiond'énergieestbien onçue, ellepermetd'assurer

une alimentation onstante de la harge, toujours dans la limite des ontraintes

physiquesdes diérents omposants.

En revan he, ette appro he que nous pourrions également qualier de

des- endante

7

,impose au on epteurdu système de gestiond'énergie d'êtreexhaustif

dans lestests des stru tures de ontrle. Siun événement non pris en omptepar

lesystèmesurvient, e dernier est in apablede réagir onvenablement. Deplus, si

la ongurationvientàêtre hangée(ajoutouretraitd'unélément),leprogramme

de ontrle doit être entièrement re onçu [24,25, 8, 65℄.

1.3.3 Vers une appro he dé entralisée

Vu les limites de l'appro he des endante, une appro he montante peut, par

opposition,sembler préférablebien que peu utilisée jusqu'i ipour e type de

pro-blème.

En eet, le on epteur sait, dans la plupart des as, omment haque élément

doit réagir séparément. Par exemple, il sait qu'une batterie ne doit pas être

dé- hargée trop profondément pour éviter sa détérioration. En revan he, il lui est

plus di ile de xer le omportement global du système hybride lorsqu'il y a

plusieurssystèmes de sto kage etplusieurs sour es. Ave l'appro he montante, la

gestion d'énergie émerge à partir de règles relativement simples établies selon les

ontraintes de ha un des éléments.

Cette appro he peut se stru turer autour du paradigme des systèmes

multi-agents(SMA).Deplusenplusd'étudesportantsurlagestiond'énergieparsystème

multi-agentsont fait l'objet de publi ation.

Dansledomainedeladistribution,beau oupdetravauxontétémenés,

notam-mentpour desappli ationsnavalesoudessystèmesàgrandeé helle[30,66,7,35℄. Ces études her hent à organiser un réseau de distribution à travers des

(50)

SMA permettentd'obtenir un système quis'adapte aux panneset quiaméliorele

rendementen séle tionnantle heminleplus ourtentre lessour esetles harges.

Les premières appli ations des SMA à la gestion d'énergie semblent avoir été

utiliséespour ledomainede la onsommation[2,12,81℄. Lagestionde la onsom-mationrelèvenalementduproblèmedupartagedesressour es:ils'agitde

ontr-ler les harges de manière à préserver les sour es d'énergie. Dans es travaux, les

harges sont des agents qui vont se oordonner, généralement à travers des

négo- iations, de manière à satisfaire l'utilisateur de la harge tout en préservant les

ressour es. Les harges étudiées sont ontrlables, omme par exemple des

sys-tèmes de hauage et de limatisation dont la onsommation peut être ontrlée

et éventuellement retardée.

Enn,ledomainedelaprodu tion ouvrantlagestiondessour esetdesmoyens

de sto kage n'apasété beau oupétudié.Laplupartdes étudessesont on entrées

sur des systèmesà grandeé helle, notammentpour la ompensationde puissan e

réa tive [77℄. D'autres travaux ont investi la possibilité d'un réseau ontra tuel pour oordonner les a tions des sour es et des harges [48, 39, 19℄. Cependant, es appro hes proviennent pour l'essentiel du domaine informatique et leurs

ap-pli ations on rètes et pratiques n'apparaissent pas évidente pour la plupart des

ingénieurs et her heurs du domaine éle trique. Ainsi, toutes es études se sont

antonnées àde lasimulationave parfois un haut niveau d'abstra tion.

Dans ette thèse,l'appli ationd'unSMAàlagestiond'énergieest détaillée,et

plus parti ulièrement la gestionde la produ tion et du sto kage de l'énergiedans

un système hybride ra ordé au réseau. Dans un premiertemps, l'étude d'un as

on ret est présentéavantd'expliquer leprin ipe utilisépour la gestiond'énergie.

Ensuite, le modèle de simulation du système et sa gestion d'énergie, développés

ave Matlab Simulink,sont détaillés dans le hapitre 3et lesrésultats obtenus en simulation permettent de valider l'appro he proposée. Enn, les tests

(51)

(52)

expérimen-Dimensionnement optimal des