Développement du système de gestion d`énergie

Rapport final sur le WP 3.6: Développement du système de
gestion d’énergie
CONTENTS
LISTE DES SYMBOLES ........................................................................................................................2
1
Résumé .............................................................................................................................................3
2
Introduction ......................................................................................................................................3
2.1
Définition............................................................................................................................. 3
2.2
Avantage de la gestion d'énergie dans un système de cogénération .................................... 3
3
Objectifs de la gestion d’énergie ......................................................................................................3
4
Approche ..........................................................................................................................................4
4.1
Système CHP en mode de fonctionnement isolé ................................................................. 4
4.1.1
4.2
Gestion de l'énergie en mode connecté au réseau............................................................... 5
4.2.1
4.3
4.3.1.1
Système de gestion de l'énergie dans un MG (MG-EMS)........................................... 7
Fonction de coût ...................................................................................................... 7
Résultats et Analyse..........................................................................................................................7
5.1
Résultats de la cogénération CHP en mode de fonctionnement isolé ................................. 7
5.1.1
Profil de charge: .......................................................................................................... 7
5.1.2
Profil de la tension de charge ...................................................................................... 8
5.1.3
Profil de la puissance de charge .................................................................................. 8
5.1.4
Définition des coûts ..................................................................................................... 8
5.2
Résultats de l'énergie de cogénération en mode connecté au réseau .................................. 9
5.2.1
Profil de charge: .......................................................................................................... 9
5.2.2
Entrées et sorties du moteur de cogénération ............................................................ 10
5.2.3
Profil de puissance..................................................................................................... 10
5.3
6
Système de gestion de l'énergie de cogénération (CHP-EMS).................................... 5
Gestion de l'énergie de cogénération dans un système en micro-réseau MG ..................... 6
4.3.1
5
Système de gestion d’énergie de cogénération utilisant la logique Floue- FLC ......... 4
Résultats de la cogénération CHP dans un système en micro-réseau MG ....................... 10
Références ......................................................................................................................................11
1
LISTE DES SYMBOLES
MG
EMS
SG
PL
QL
FC
CHP
DER
ESS
HRS
FLC
SSCHP
GA
Qg
Pg
PI
Ki
Kp
t
Micro-réseau
Système de gestion de l'énergie
Générateur synchrone
Puissance active de la charge
Puissance réactive de la charge
Pile à combustible
Cogénération
Ressources énergétiques distribuées
Système de stockage d'énergie
Système de récupération de chaleur
Contrôleur logique floue
Micro-cogénération
algorithme génétique
Puissance réactive du réseau
Puissance active du réseau
Contrôleur proportionnel-intégral
Gain intégral du régulateur
Le gain proportionnel du régulateur
Temps
Le nombre de générateurs Distribués
Le nombre d’unités de stockage Distribués
Tarif de l’énergie produite par les générateurs distribués
Etat de marche-arrêt des générateurs distribués
Le coût de démarrage des générateurs
Tarif de l’énergie de stockage
Etat de marche-arrêt des batteries
Puissance du générateur distribué
Puissance de la batterie
Grille tarifaire du réseau principal d'alimentation
Grille tarifaire de vente pour le réseau principal d'alimentation
Grille tarifaire d’achat pour le réseau principal d'alimentation
2
1
RESUME
L'UCBN présente dans ce rapport, le système de gestion d'énergie (EMS) pour la cogénération
opérant en mode connecté au réseau et en mode isolé à l'aide de contrôleur à logique floue. En
outre, la gestion d'énergie d'unités CHP-FC fonctionnant en micro-réseau (MG) est illustrée et
analysée dans le détail. Pour le mode autonome de fonctionnement, le système vise à satisfaire la
demande à la fois en termes d'énergie électrique et thermique. En ce qui concerne le mode connecté
au réseau, le système de cogénération est étudié avec réseau de distribution de type alternatif AC.
Dans cette situation, le CHP est supposé fonctionner avec une demande de charge constante. Enfin,
le rôle principal de MG-EMS est de déterminer de manière autonome heure par heure l’énergie
nécessaire optimale fournie par le micro-réseau MG et le réseau principal pour satisfaire les besoins
de la demande de la charge.
2
INTRODUCTION
L'objectif principal de WP3.6 est d'élaborer une stratégie de gestion de l'énergie afin de gérer et
d'optimiser l'utilisation de celle-ci et de réduire les coûts et les déchets sans affecter la production et la
qualité.
2.1 Définition
La stratégie de réglage et d'optimisation de l'énergie s’effectue en utilisant des systèmes et des
procédures de façon à réduire les besoins en énergie par unité de production tout en maintenant
constants ou en réduisant les coûts totaux de production de l’énergie de ces systèmes. En outre, elle
peut être définie comme l'utilisation judicieuse et efficace de l'énergie pour maximiser les profits
(minimiser les coûts) et améliorer la compétitivité.
2.2 Avantage de la gestion d'énergie dans un système de cogénération
 Optimiser la disponibilité de l'alimentation du client (par exemple, répondre à la
demande instantanée aux besoins du consommateur).
 Réduire les facteurs économiques (par exemple, les coûts de carburant, les coûts
d'exploitation et de maintenance, les coûts Start-up/Shut-down, etc).
 Réduire l'impact environnemental dans l’exploitation des générateurs (par exemple,
les émissions, le bruit, les déchets dangereux, etc).
 Maximiser l'efficacité totale du générateur (par exemple KWh générés par rapport aux
combustibles consommés kJ).
3
OBJECTIFS DE LA GESTION D’ENERGIE
 Pour atteindre et maintenir l'approvisionnement en énergie et son utilisation optimale,
à travers toute la chaîne.
 Pour minimiser les coûts de l'énergie / déchets sans affecter la production et sa qualité.
Pour réduire la dépendance aux importations.
 Pour renforcer la sécurité énergétique, la compétitivité économique et la qualité de
l’environnement.
3
4
APPROCHE
4.1 Système CHP en mode de fonctionnement isolé
L'objectif principal de ce WorkPage est la mise au point d’un système de gestion de d'énergie
efficace (SME) pour l'unité de cogénération. L'EMS (Energy Management System) pour un système
de cogénération est présentée sur la figure 1, qui montre une représentation détaillée des principaux
éléments [1-2].
Ce système visant à satisfaire la demande d'énergie électrique et thermique d'une charge en
fonctionnement isolé, autonome comprend : (I) un moteur de cogénération, (II) un générateur
synchrone (SG), (III) un système de récupération de chaleur (HRS), (V) la demande de la charge
(besoins). Le générateur transforme l'énergie mécanique qui est transmise par l'arbre du moteur en une
énergie électrique. La quantité de puissance active (PL) et la puissance réactive (QL) est fournie pour
la charge en fonction des exigences de celle-ci. La chaleur résultant de la combustion est utilisée pour
la préparation du processus de chauffage. Les gaz d'échappement de combustion sont utilisés comme
une source de chaleur pour la chaudière qui en fournit à un réseau de chauffage. La Figure 1 montre la
configuration du système pour répondre aux besoins de la charge en mode isolé. Différents EMS sont
utilisés pour contrôler la consommation de carburant en fonction des besoins de la charge électrique et
de l'offre avec une tension de charge et la fréquence constante, sans l’utilisation de systèmes de
conversion d’électronique de puissance.
Figure 1 : Système de génération SSCHP en mode isolé
4.1.1 Système de gestion d’énergie de cogénération utilisant la logique Floue- FLC
Le SGE utilisant le contrôleur à logique floue (FLC) fournit un moyen de commande efficace
décrivant le comportement du système non linéaire. Contrairement aux contrôleurs classiques, le FLC
vise à modéliser les modes imprécis du raisonnement humain et la prise de décision, qui sont
essentiels pour prendre des décisions rationnelles dans des situations d'incertitude et d'imprécision. En
d'autres termes, le FLC est une approche sans modèle, et elle ne dépend pas d'un modèle du système à
commander. Les approches sans modèle permettent l’utilisation de contrôleurs avec une conception
simple, lorsque l'obtention d'un modèle mathématique du système est parfois une tâche très
compliquée. La Figure 2 montre le système de gestion d'énergie de cogénération en mode autonome à
l'aide de la FLC.
4
Figure 2 : Gestion d’énergie dans un système à base de CHP en mode isolé utilisant la logique floue FLC
4.2 Gestion de l'énergie en mode connecté au réseau
Le système de cogénération étudié est maintenant connecté avec le réseau AC. Dans cette situation,
le CHP est supposé fonctionner à l’aide d’une charge à profil constant. Cela permet au système
fonctionnant en présence du système de micro-cogénération SS-CHP, un niveau de rendement élevé
et constant. Si l'alimentation électrique de cogénération (PCHP) ne répond pas à la demande des
besoins de la charge électrique (PL), l'électricité supplémentaire dont nous avons besoin est achetée
sur le réseau de distribution (EDF) (Pg) [3-5]. Lorsque la production d’électricité du système SSCHP
est excédentaire, elle peut être stockée dans des dispositifs de stockage de l'électricité ou injecté dans
le réseau jusqu'à ce que la cogénération atteigne sa capacité, comme indiqué figure 3.
Figure 3 : Gestion d’énergie dans le générateur CHP en mode connecté au réseau
4.2.1 Système de gestion d'énergie de cogénération (CHP-EMS)
Sur la base du schéma de principe de la stratégie de contrôle présenté sur la Fig.4, le système
d'alimentation électrique proposé est simulé en utilisant Matlab / Simulink. La méthodologie du mode
connecté au réseau se distingue par le fait que les variables sont contrôlées par le variateur. Autrement
dit, les puissances (Pg et Qg) doivent suivre la référence de puissance active et réactive (Pref, Qref).
Ces valeurs de référence sont égales à la différence entre la puissance SSCHP (PCHP) et la puissance
de charge (PL). Les pertes de commutation et de conduction sont très petites. Par conséquent, ces
pertes sont négligeables. Il en résulte donc que PCHP = Pinv (puissance de sortie de l'onduleur).
5
Figure 4 : Système de génération SSCHP en mode connecté au réseau
4.3 Gestion de l'énergie de cogénération dans un système constitué en
micro-réseau MG
Le concept de l'intégration des ressources d'énergie distribuées (DER) et le système de stockage
d'énergie (ESS) dans micro-réseau moderne (MG) sera considéré comme la préoccupation principale
dans un avenir proche. Le micro-réseau MG peut fonctionner en mode interconnecté au réseau
principal, ou dans un mode isolé. L'opération coordonnée du MG et du réseau avec une demande de la
charge variable (besoins en énergie) comme sur la figure 5, est contrôlée en utilisant le système de
gestion de l'énergie (EMS). Le rôle principal du SME est de déterminer de manière autonome, heure
par heure l'envoi optimale de l’énergie par la contribution du MG et du réseau pour répondre aux
besoins de la demande de la charge. Ce travail est axé sur l'élaboration d'un modèle de SME capable
de déterminer les stratégies optimales de fonctionnement en minimisant les coûts de l'énergie, en
réduisant les émissions polluantes et en permettant une meilleure utilisation des ressources d'énergie
renouvelables telles que le vent et l'énergie solaire pour répondre à la demande de la charge
quotidienne en hiver et pendant la saison d'été. Le modèle d'optimisation proposé pour MG-SME est
formulé à base d'algorithme génétique [6-8].
Figure 5 : Configuration du système MG System
6
4.3.1 Système de gestion de l'énergie dans un MG (MG-EMS)
Dans cette section, un modèle d'optimisation du système de gestion de l'énergie dans le microréseau étudié est introduit. Dans la prise de décision incluant la production d'électricité de DER, l’ESS
et le réseau de distribution principal permet d'allouer des valeurs de consigne de production d'énergie
optimales pour chaque source. Une commutation appropriée entre l’état ON ou l’état OFF est utilisée
pour optimiser le coût d'exploitation total du MG pour satisfaire toutes les contraintes d'égalité et
d'inégalité. Les fonctions mathématiques objectives de ce problème peuvent être décrites comme suit :
Fonction de coût
4.3.1.1
Le choix de la fonction coût représente la décision la plus pertinente à réaliser. En fait, une fonction
différente des coûts a déjà été proposée dans [5]. Dans cette fonction coût proposée, le coût total
d'exploitation de la DER, de la consommation d'énergie et le coût de vente / achat au niveau du réseau
principal sont considérés. La fonction coût prend également en compte le coût de la cogénération, le
démarrage de la pile à combustible FC et le coût de charge/décharge du système de stockage ESS
(energy stored system). L'objectif principal de la fonction coût est de satisfaire les besoins de la charge
au cours de la journée, d'une manière économique. Une telle fonction objective peut être écrite comme
suit:
( )
∑ {∑
( )
∑
4.3.1.2
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )}
Contraintes






4.3.1.3
Equilibre du bilan de puissance de la charge
Contrainte d'émission
Limites de la capacité d'approvisionnement
Les limites du DER Stop / Start
Contraintes de stockage de la batterie
Paramètres du système MG
Paramètres du microréseau




5
( )
Paramètres DER et ESS
Capacité du DER et l’ESS
Disponibilité de l'énergie du Vent et du PV
Tarifs et émissions du DER et ESS
RESULTATS ET ANALYSE
5.1 Résultats de la cogénération CHP en mode de fonctionnement isolé
5.1.1 Profil de charge:
La figure 6 montre un profil de charge journalier moyen d'électricité pris en PU pour un groupe de
maisons en hiver, le profil de charge est représenté sur 60s à l’aide du logiciel Matlab/Simulink. Le
premier intervalle de 0s à 15 secs représente la consommation électrique dans les 6 premières heures
de la journée et sa valeur est 0.275pu. L'étape suivante est de 15 à 30 secondes, qui représente les 6
7
heures suivantes de 7h à 12h et les besoins évalués à 0.525pu. La troisième étape est de 30 à 45
secondes et elle représente le temps réel entre 13:00-18:00 dont les besoins sont de 0,4 pu. Enfin la
dernière étape de 45s à 60 sec représente les dernières heures de la journée dont la demande est
maximale (0.8pu). Le temps de simulation total est de 60 secs. La Figure.7 montre la quantité de
chaleur d'entrée nécessaire pour satisfaire la demande en électricité de la charge et indique la chaleur
des gaz d'échappement selon la première approche. Cette chaleur de gaz d'échappement peut être
réutilisée pour satisfaire la demande en chaleur à l’aide d’échangeurs.
5.1.2 Profil de la tension de charge
La figure 8 illustre la tension aux bornes du générateur et la réponse indicielle pour une excitation
en courant après une variation de charge électrique. Pour des fins de comparaison, deux réponses sont
présentées : l’une avec une commande à logique floue et l’autre à l'aide du régulateur PI. Les
paramètres du PI après le réglage du régulateur de tension sont [KP=14, Ki=10]. Il ressort de cette
figure que la tension du générateur est revenue à son niveau souhaité plus rapidement et avec moins de
dépassement en utilisant le régulateur FLC.
5.1.3 Profil de la puissance de charge
La figure 9 et la figure 10 montrent la puissance mécanique du moteur et la réponse en vitesse du
générateur après la variation des besoins de la charge en électricité au cours de la consommation
journalière en utilisant le contrôleur à logique floue et le régulateur PI [KP = 40, Ki = 8]. Le dispositif
de commande de la régulation de vitesse a été intégré avec le système du générateur pour maintenir la
vitesse constante de 1 pu, il a été trouvé que la puissance mécanique du moteur suit le même profil que
la demande de puissance au niveau de la charge à vitesse constante comme on l’a souhaité. Le courant
de charge instantané de l'alternateur est représenté sur la figure 11.
5.1.4 Définition des coûts
La figure.12 montre une meilleure réduction des coûts en utilisant la FLC par rapport au contrôleur
PI sur une journée. L'hypothèse faite sur le coût de l'électricité est (0.09 C) € par kWh, où C : est le
coût de l'électricité de cogénération divisée par le coût du kWh du réseau principal.
Figure 6 : Profil de charge quotidienne
Figure 7 : La chaleur de sortie et la puissance
8
Figure 8 : La tension de sortie du générateur
Figure 9 : Générateur de puissance mécanique
Figure 10 : Générateur de puissance mécanique
Figure 11 : Générateur de puissance mécanique
Figure 12 : Coût total
5.2 Résultats de l'énergie de cogénération en mode connecté au réseau
5.2.1
Profil de charge:
La figure 13 montre les variations des besoins de la charge à des moments précis. On suppose que
les variations des besoins de la charge dans le premier, le deuxième et le troisième intervalle sont
inférieures à la puissance de microcogénération SS-CHP. Au cours du quatrième intervalle de temps, il
est supposé que la courbe de charge peut atteindre sa valeur maximale, qui est supérieure à la capacité
de puissance du générateur CHP (SS-CHP). Avec cette hypothèse, le cas du partage des sources entre
le réseau et le CHP peut être enregistré.
9
5.2.2 Entrées et sorties du moteur de cogénération
Le moteur SSCHP en mode connecté au réseau fonctionnera à charge de référence constante. Dans
ce scénario, la micro-cogénération SSCHP fonctionne à puissance maximale de sortie durant chaque
heure de la journée, comme il est indiqué sur la figure 14. Les valeurs en « pu » sont liées à la
puissance nominale de 2 MW.
Figure 13 : Profil du besoin moyen quotidien de la
charge.
Figure 14 : Entrée/ Sortie du moteur
5.2.3 Profil de puissance
Figure15 montre l'évolution de la puissance active, à la fois du réseau principal Pg et la puissance
PCHP de la micro-cogénération SSCHP. La micro-cogénération peut répondre au besoin de la
demande de charge PL. Dans le premier intervalle de temps (0 à 15 secondes), PCHP est égal à (1.PU)
et PL est égale à 0,24 PU. Dans ce cas, le réseau reçoit la puissance active qui est égale à la différence
entre PCHP et PL. Au cours du quatrième intervalle de temps (45 à 60), la demande de charge est plus
élevée que la capacité en puissance du SSCHP. Par conséquent, le réseau fournit une puissance active
afin de satisfaire la puissance de la charge requise.
Figure 15 : Puissance active pour le SSCHP, la charge et le réseau
5.3 Résultats de la cogénération CHP dans un système en micro-réseau MG
Dans cette section, le modèle d'optimisation du système MG a été mis en œuvre en utilisant
CPLEX solveur pour trouver une allocation optimale pour chaque source dans le système MG. Deux
études de cas d'exploitation différents, du système en micro-réseau sont présentées. La première étude,
les modèles d'optimisation des micro-réseaux sont analysés pour un profil de charge représenté sur une
10
durée de 24 heures en période d’hiver (janvier). Le résultat est donné sur figure16. La deuxième étude
de cas, présente la même analyse pour le modèle d'optimisation en période d’été (Juillet) comme il est
indiqué sur la figure 17.
Figure 16 : Profil de charge en hiver
6
Figure 17 : Profil de charge en été
REFERENCES
[1] Sanjeev K Nayak , «Performance de flou système de génération de microturbine de logique à base
connectée en mode grille îloté , " International Journal of Systems Fuzzy Logic ( IJFLS ) de Vol.2 , n °
3 , Juillet (2012 ).
[2] M. Bianchi , « Analyse de la performance d'un système de cogénération intégrée avec thermique et de
stockage d'énergie électrique pour les applications résidentielles , " appliqué revue de l'énergie (2013 )
(article sous presse) .
[3] L. Barelli , «l'optimisation de la conception d'un système de cogénération à base de SOFC par l'analyse
dynamique», Revue internationale des energy38 d'hydrogène (2013 ) 354e369 .
[4] Amanda D. Smith, « Les avantages de l'option de stockage d'énergie thermique combiné avec le
système de cogénération pour différents types de bâtiments commerciaux , " Technologies de l'énergie
durable et les évaluations revue 1 (2013 ) 3-12.
[5] J. Pedro Mago , " Analyse et optimisation de l'utilisation des systèmes de cogénération ORC pour les
petits bâtiments commerciaux , " l'énergie et des bâtiments 42 (2010 ) 1491-1498.
[6] Prasenjit Basak , « Une revue de la littérature sur l'intégration des ressources énergétiques distribuées
dans la perspective de contrôle , la protection et la stabilité de microréseau , " l'énergie durable et
renouvelable Avis 16 (2012 ) 5545-5556 .
[7] Jackson John Justo , " AC- DC microgrids contre - microgrids avec des ressources énergétiques
distribuées : une revue , « l'énergie durable et renouvelable Avis 24 (2013 ) 387-405 .
[8] Huang Jiayi , «Un examen des ressources énergétiques distribuées et MicroGrid , " l'énergie durable et
renouvelable Avis 12 (2008 ) 2472-2483.
11