Rapport de Projet de Fin d`Etudes

Rapport de Projet
de Fin d’Etudes
Internet of Energy : Optimisation de l’utilisation des réseaux de
distribution
Apports de VHDL-AMS
SimFonIA SàRL
13 avenue de Strasbourg
67400 ILLKIRCH
Auteur : Mlle. LI Xiuming
INSA de Strasbourg, Spécialité Génie Electrique, Option Energie
Tuteur SimFonIA : Dr. SUN Qing
Ingénieur de développement
Responsable INSA de Strasbourg : M. BOYER Bertrand
Professeur du Département Génie Electrique
Le projet de Fin d’Etudes s’est déroulé du 15/02/2012 au 15/08/2012.

Génie électrique 2012 Xiuming LI 2
Résumé
Actuellement les réseaux de distribution d’énergie produite de façon centralisée sont des structures
surdimensionnées et inefficaces. Les réseaux exigent une surcapacité de production pour faire face
aux pointes de consommation énergétique. La « Troisième révolution industrielle » (TRI) popularisée
par Jeremy Rifkin est basée sur une production d'énergie non plus « centralisée » mais « distribuée »,
l'énergie circulant dans le réseau de manière « intelligente », comme l'information circulant sur
l'Internet [1]. Le projet Internet of Energy (IoE) chez SimFonIA a pour but de démontrer l’efficacité
d’une architecture innovante en utilisant des modèles VHDL-AMS, pour l’intégration efficace de
générateurs, de stockages distribués et de ressources renouvelables, permettant de mieux
dimensionner les réseaux et d’augmenter leur efficacité.
Abstract
Current energy distribution networks produced in a centralized way are oversized and inefficient
structures. The networks require an overcapacity of energy production to deal with the surges of
energy consumption [2]. The « Third Industrial Revolution » (TIR) outlined by Jeremy Rifkin designs a
new industrial revolution, which is based on a no centralized but distributed energy production
circulating on the intelligent network, just like the information circulating on the Internet [1]. The
objective of the SimFonIA’s IoE (Internet of Energy) project is to demonstrate the efficiency of an
innovative architecture, by using the VHDL-AMS models, for the integration of distributed generators
storages, and renewable energy resources, allowing a better resizing of the networks and an increase
of their efficiency.

Génie électrique 2012 Xiuming LI 3
Sommaire
Résumé ............................................................................................................................................................................................ 2
Abstract ........................................................................................................................................................................................... 2
Sommaire ........................................................................................................................................................................................ 3
1. Introduction ............................................................................................................................................................................. 4
2. Présentation de SimFonIA ....................................................................................................................................................... 5
3. Smart Grid ............................................................................................................................................................................... 7
4. VHDL-AMS ............................................................................................................................................................................. 10
5. Comparaison des logiciels ..................................................................................................................................................... 12
5.1. Introduction .............................................................................................................................................................. 12
5.2. Évaluation méthodologique ..................................................................................................................................... 12
5.3. Outils......................................................................................................................................................................... 13
5.4. Comparaisons [8] ...................................................................................................................................................... 16
5.5. Conclusion ................................................................................................................................................................ 18
6. Modélisations ........................................................................................................................................................................ 20
6.1. Introduction .............................................................................................................................................................. 20
6.2. Vérifications unitaires ............................................................................................................................................... 23
6.2.1. Production centralisée ................................................................................................................................. 23
6.2.2. Modèle de Maison ....................................................................................................................................... 26
6.2.3. Stockage domestique (Batterie) ................................................................................................................... 31
6.2.4. Production locale Photovoltaïque ................................................................................................................ 32
6.2.5. Routeur de Puissance (Energy Gateway / Energy Hub) ................................................................................ 34
6.2.6. SmartMeter (Compteur Intelligent) ............................................................................................................. 37
6.2.7. Disjoncteur ................................................................................................................................................... 38
6.2.8. Distribution des valeurs aléatoires ............................................................................................................... 39
7. Résultat de simulations ......................................................................................................................................................... 41
7.1. Simulations paramétriques ....................................................................................................................................... 41
7.2. Étude de Routeur de puissance (IoE, eHub) ............................................................................................................. 48
8. Conclusion ............................................................................................................................................................................. 53
Bibliographie .................................................................................................................................................................................. 54

Génie électrique 2012 Xiuming LI 4
1. Introduction
Actuellement les réseaux centralisés de distribution d’énergie sont souvent énormes et inefficaces.
Les réseaux exigent une surcapacité de production pour faire face à une augmentation imprévue de la
consommation énergétique. De plus ils permettent seulement une communication à sens unique, du
fournisseur vers le client. Dans la plupart des pays, l'intégration des énergies décentralisées dans le
réseau (par exemple celles issues de panneaux solaires) est impossible. Ce mode de fonctionnement
est de plus en plus intenable, notamment de par la hausse des coûts du fuel. Les producteurs
d'électricité ne peuvent plus se permettre de gaspiller l’énergie.
Le pilotage des réseaux électriques devient un exercice de haute voltige. La « Troisième révolution
industrielle » (TRI), popularisée par Jeremy Rifkin [1] désigne une nouvelle révolution industrielle et
économique. Elle est basée sur une production d'énergie non plus « centralisée », mais « distribuée »,
l'énergie circulant dans le réseau de manière « intelligente », un peu comme l'information circulant sur
l'Internet. Cette révolution pourrait ouvrir la porte à une ère nouvelle post-énergies fossiles et où le
nucléaire trop coûteux, serait remplacé par une constellation de microcentrales mises en réseau
fonctionnant un peu comme le modèle de l’Internet décentralisé, grâce aux « Smart Grids ».
Le projet Smart Grid (Internet of Energy) chez SimFonIA a un but de démontrer qu’une architecture
innovante utilisant VHDL-AMS pour optimiser l’intégration des générateurs distribués, des stockages
et des ressources renouvelables serait une réponse à la demande et à l'efficacité. Plusieurs critères
de performance ont été listés à savoir: l’intégration des ressources, l’application des technologies et
des standards critiques, le lissage de la courbe de la demande, la stabilité du réseau, etc.

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2. Présentation de SimFonIA
SimFonIA SARL (www.simfonia.fr) est une société de recherche sous contrat au statut de jeune
entreprise innovante (JEI) pouvant lui faire bénéficier du CIR (crédit impôt recherche). Elle est
constituée d'une équipe d'ingénieurs spécialistes dans la modélisation système pluridisciplinaire. Ses
travaux sont basés sur une longue expérience des problématiques industrielles dans différents
domaines techniques. SimFonIA travaille pour des grands comptes aussi bien en France qu'à
l’étranger.
Outils
 Langage utilisé (préférentiellement, non exclusif) : VHDL-AMS ;
 Simulateur : SMASH (Dolphin Integration), MATLAB, AMESim, MODELICA, etc ;
 Dessin 3D : importation de modèles CAD et dessins dans SketchUp ;
 Animateur 3D : SimFonIA Animation Tools (logiciel développé par SimFonIA et mise en vente
depuis janvier 2012).
Méthode de travail
La mission de SimFonIA est de mettre de la science dans la technologie. Sa méthode est la
déclinaison industrielle des méthodes de recherche des grands laboratoires. Tous ses projets
débutent par l'étude de la littérature scientifique récente pour cerner les phénomènes constitutifs. Ses
modèles (ou prototypes virtuels) sont recalés/recalables avec des mesures expérimentales. SimFonIA
effectue une approche système et intègre les phénomènes physiques dans toutes leurs complexités,
dans une description générale pour une restitution des résultats dans le contexte d'utilisation. La
maîtrise des différentes étapes du cycle de conception en V assure notamment une présence dans
l’ensemble de la chaîne industrielle
Les missions et les compétences de SimFonIA
SimFonIA est compétente dans les domaines suivants :
 aide à la réflexion scientifique ;
 aide à la réflexion et conseil aux choix technico-stratégiques ;
 participation aux réunions de projet élargies aux autres intervenants ;
 analyse de documents scientifiques et techniques, études bibliographiques ;
 validation d’approche sur des données issues des informations fournies ;
 recommandations sur les campagnes de mesures à mener ;
 production d’Archétypes de principe pour validation système ;
 production de prototypes virtuels fonctionnels en vue de choix et de compromis technologiques,
de prévisions de performances (avec intégration de résultats d’outils métier produits par des
tiers) ;