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