Micro-réseau à Courant Continu (DC Micro-grid)

Equipe impliquée

Nom du responsable du projet :
Liouane Noureddine - Professeur
Nom des enseignants-chercheurs impliqués Grade
Hend Liouane

Maître assistante

Nom des doctorants à mobiliser dans le cadre du projet :

Rahma Mani

Sawcen Bacha

Rahma Jaballah

Préambule

Plusieurs composantes méritent leurs développements pour parvenir à la réalisation de ce projet qui contient les différents thèmes de recherche de ce groupe impliqué dans ce projet.

  • Energies renouvelables, éolienne et photovoltaïque,
  • Convertisseurs DC/DC et DC/AC,
  • Machines Spéciales, MRV et polyphasée à induction,
  • Optimisation multi-objective déterministe et stochastique, soft computing, métaheuristiques,.

Motivation:

Les démonstrations et les déploiements de micro-réseaux se développent dans le monde entier. Bien que les objectifs soient spécifiques à chaque implantation, ces micro-réseaux ont démontré leur capacité à fournir une plus grande fiabilité et une meilleure qualité d'énergie que les systèmes traditionnels d'alimentation et une meilleure utilisation de l'énergie. En plus, les fabricants, les concepteurs de systèmes électriques et les chercheurs démontrent et déploient des systèmes de distribution d'énergie en courant continu pour des applications où les charges d'utilisation finale sont en mode continu, par exemple les ordinateurs, l'éclairage à semi-conducteurs (LED) et les réseaux de bâtiments. Ces applications DC précoces peuvent fournir une plus grande efficacité, une flexibilité accrue, des coûts d'investissement réduits par rapport à leurs homologues AC. De plus, lorsque la production est renouvelable sur site, les véhicules électriques et les systèmes de stockage sont présents, les micro-réseaux à courant continu peuvent offrir des avantages supplémentaires. Les premiers succès de ces efforts soulèvent une question: une combinaison de concepts de micro-réseaux et de systèmes de distribution à courant continu peut-elle apporter des avantages supplémentaires par rapport à ce qui a été réalisé individuellement?


Objectifs:

Avec la demande croissante d'amélioration de la fiabilité et de l'efficacité énergétique dans tous les bâtiments commerciaux, il existe une formidable opportunité de capitaliser sur les avantages du micro réseau à courant continu. Les initiatives de développement durable et les objectifs énergétiques incitent à utiliser des sources d'énergie renouvelables, telles que les systèmes solaires photovoltaïques, éoliens et autres sources alternatives. Ces sources d'alimentation DC peuvent être intégrées pour une utilisation directe par un système de micro-réseau, éliminant les pertes de conversion DC-AC-DC.

L'objectif de ce projet est de réaliser un prototype d'un micro-réseau à courant continu permettant d'intégrer des productions décentralisées d'énergies renouvelables, éolienne et photovoltaïque afin d'examiner et fournir les avantages et les inconvénients des applications potentielles des micro-réseaux à courant continu par rapport à leurs contreparties AC et de fournir des recommandations pour de futures activités de recherche et de déploiement potentielles. Les performances des micro-réseaux à courant continu seront estimées et comparées à leurs homologues à courant alternatif. Cette comparaison portera essentiellement sur les indices suivants :

  1. sécurité et protection
  2. fiabilité
  3. coût en capital
  4. efficacité énergétique
  5. coût d'exploitation
  6. coûts d'ingénierie
  7. impact environnemental
  8. qualité de l'énergie
  9. résilience.

Résumé :

La génération distribuée tire parti des avantages du courant continu (DC) par rapport au courant alternatif (AC). En présence des systèmes d'énergie renouvelable qui sont plus efficaces aujourd'hui, les possibilités d'économies d'électricité pour les clients ont augmenté. DC se prête également au stockage dans des batteries, pour une utilisation ultérieure si l'alimentation régulière en énergie est interrompue.

Beaucoup d'utilisateurs d'électricité cherchant à réduire leurs coûts ou à «passer au vert» se préoccupent de la production et de l'utilisation de l'électricité de leur côté du compteur, et non de la vente de courant alternatif au réseau local. Il se peut qu'il n'y ait pas beaucoup d'excédent à vendre, et le prix que le service public local est autorisé à offrir peut ne pas être attrayant. Le véritable objectif est de réduire la dépendance au réseau. Les systèmes à courant continu alimentés par des cellules photovoltaïques, par exemple, peuvent atteindre cet objectif avec une plus grande efficacité, grâce à la génération locale et à l'utilisation de l'énergie sur un «micro-réseau» appartenant au client.

Un micro-réseau est un système indépendant qui fournit de l'électricité à une entité physique définie, comme un magasin, un immeuble de bureaux ou une usine. Il peut accepter l'énergie de toutes sortes. Le propriétaire peut toujours être connecté au réseau de distribution local et aura toujours besoin de cette source de courant alternatif. Cependant, en cas de besoin, le micro-réseau générera et stockera efficacement l'énergie DC, ce qui est nécessaire pour la plupart des appareils électroniques. Si l'alimentation en courant continu doit dépasser la demande, l'excédent peut être converti en courant alternatif et revendu au réseau.


Comme présenté au début, plusieurs thématiques sont nécessaires au bon déroulement de ce projet :


Des contrôleurs opérationnels seront conçus pour soutenir l'intégration de l'énergie éolienne et solaire dans les micro-réseaux. Un modèle précis et adéquat de production d'énergie renouvelable, éolienne et solaire pour la prévision sera proposé pour estimer en temps réel la quanté des réserves pour l'ordonnancement journalier. La combinaison des ressources éoliennes et solaires sur un même endroit conduit à réduire les exigences de stockage local. La combinaison de diverses, mais de technologies de stockage complémentaires peuvent à leur tour former un stockage d'énergie à plusieurs niveaux, où un supra-condensateur ou un volant d'inertie fournit un contrôle de la réserve d'énergie pour compenser les fluctuations de puissance rapides et pour lisser les régimes transitoires rencontrés par une batterie avec une plus grande capacité énergétique. Un micro-réseau ou un système hybride d'énergie constitue une structure efficace pour l'interconnexion locale de la production d'énergie renouvelable distribuée, pour les charges, et pour le stockage.

Le système micro-réseau à courant continu est proposé en tant que réseau électrique permettant l'introduction d'une grande quantité d''énergie renouvelable en utilisant des unités de production photovoltaïque et éolienne distribuées selon les trois conditions suivantes qui sont brièvement rappelées pour assurer le bon déroulement du micro-réseau à courant continu :

- Augmenter l'introduction des unités photovoltaïques et éoliennes distribuées.

- Réduire la dissipation d'énergie et les coûts d'installation résultant de la conversion AC / DC en intégrant la jonction entre le réseau commercial et bus DC qui relie les unités PV et accumulateurs.

- Fournir de l'énergie aux charges via des lignes de distribution régulières même pendant le blackout des réseaux commerciaux.

Pour satisfaire ces conditions, des convertisseurs DC-DC et AC-DC seront conçus et réalisés. Ces convertisseurs suivent toujours le point de fonctionnent maximum des sources d'alimentation (PV et/ou éolien : MPPT) qui varie respectivement en fonction de l'intensité du rayonnement solaire et du vent. Les batteries de stockage sont également liées au bus DC. Le système de distribution à courant continu réduit les coûts des installations et la dissipation d'énergie associés.

Comparée aux machines classiques intégrées dans des applications éoliennes, le générateur à réluctance variable montre une construction simplifiée associée à l'absence d'aimant permanant ou conducteurs dans le rotor, entrainant ainsi des couts de fabrication réduits. En outre ; la machine et le convertisseur de puissance associé sont tous deux robustes. Le rotor est d'une inertie faible permet à la machine de réagir rapidement aux fluctuations de la charge.

Ce projet analyse le mode générateur de la machine à réluctance commutée dans le couplage direct à l'arbre de la turbine sans boite de vitesse.

La solution pour la conversion d'énergie éolienne basse moyenne tension à vitesse variable est aujourd'hui basée sur la machine polyphasée. Vis-à-vis des machines triphasées conventionnelles, les machines à induction polyphasées présentent une meilleure tolérance aux pannes, un couple de pulsation plus faible et une plus faible puissance par phase pour une puissance donnée. Les générateurs polyphasés ont été beaucoup moins étudiés et ceci nous constitue un vrai thème de recherche d'actualité pour la conversion d'énergie éolienne. La modularité des enroulements triphasés dans plusieurs machines à enroulements triphasés peut tirer parti de la bien établie technologie en trois phases, permettant l'utilisation de produits prêts à l'emploi convertisseurs triphasés.

Pour parvenir au bon déroulement de tous ces thèmes d'ingénierie, une maitrise des outils de modélisation et d'optimisation est d'importance capitale. Ces outils permettent le calcul de solutions optimales robustes, c'est-à-dire des solutions optimales qui sont insensibles vis-à-vis de variations de paramètres aléatoires, lorsque des problèmes de substitution déterministes appropriés sont nécessaires. En se basant sur la distribution de probabilité des données aléatoires et en utilisant des concepts théoriques de décision, les problèmes d'optimisation sous incertitude stochastique sont convertis en problèmes de substitution déterministes appropriés.

Plusieurs méthodes d'approximation déterministe et stochastique sont proposées: méthodes d'expansion de Taylor, méthodes de surface de réponse et de régression, inégalités de probabilité, linéarisation multiple des domaines survie/échec, méthodes de discrétisation, approximation convexe/directions déterministes de descente/points efficaces, approximation stochastique et gradient procédures et formules de différenciation pour les probabilités.

Toutes les actions qui vont aboutir à concevoir et à tester les différentes composantes du micro-réseau DC se déroulent en parallèle dans le but de faciliter le suivi. Des exposés mensuels permettent de suivre l'avancement, la production scientifique et les difficultés rencontrées.