FR3045194A1

FR3045194A1 - Conception et pilotage d'un systeme de production energetique mixte

Info

Publication number: FR3045194A1
Application number: FR1562417A
Authority: FR
Inventors: Duy Long Ha; Franck Bourry
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-16
Also published as: WO2017102732A1

Abstract

Procédé de conception d'un système de production énergétique (1) mixte comprenant au moins un dispositif de production d'énergie intermittente (2, 3) et éventuellement au moins un dispositif de stockage d'énergie (5), comprenant une première phase (P1) de mise en équations déterminant un système d'équations représentant un problème d'optimisation, caractérisé en ce que le système d'équations utilise des variables de dimensionnement, des variables d'état et des variables d'échange et en ce que le procédé comprend une seconde phase (P2) de résolution du système d'équations, qui comprend les étapes suivantes : (E22) : première étape itérative de calcul des variables d'état et d'échange du système d'équations en considérant les variables de dimensionnement du système d'équations à une valeur fixe ; (E24) : seconde étape itérative de calcul des variables de dimensionnement du système d'équations en considérant les variables d'état et d'échange à une valeur fixée à leur valeur obtenue par la première étape itérative ; (E26) : étape de test de fin d'itération, et répétition des deux étapes itératives (E22, E24) si le test est négatif, en fixant pour la première étape itérative (E22) les valeurs des variables de dimensionnement aux valeurs obtenues par la seconde étape itérative (E24), et considération de la solution obtenue en fin des deux dernières étapes itératives (E22, E24) si le test est positif.

Description

Conception et pilotage d’un système de production énergétique mixte L'invention concerne un procédé de conception ou de dimensionnement d’un système de production énergétique mixte. Elle concerne aussi un dispositif de conception associé mettant en oeuvre ce procédé, ainsi qu’un programme d’ordinateur adapté pour la mise en œuvre de tout ou partie des étapes de ce procédé. L’invention concerne aussi un procédé d’opération optimale d’un système de production énergétique mixte, avec le dispositif associé pour la mise en œuvre de ce procédé et le programme d’ordinateur adapté.

Sur certains territoires particuliers, notamment dans les zones isolées, il est connu d’installer des systèmes de production énergétiques mixtes, de tailles moyenne ou petite et dénommés micro-réseaux, et souvent indépendants, non reliés à un réseau de distribution énergétique d’un territoire plus vaste. L’objectif de ces systèmes est de tenter de combiner les avantages de moyens de production énergétique différents et complémentaires, comme par exemple dans le cas de la production d’électricité des dispositifs de production d’énergie dite renouvelable, comme un dispositif de production photovoltaïque et éolienne, complété par un groupe électrogène et un dispositif de stockage d’électricité. La production d’énergie photovoltaïque ou éolienne est avantageuse mais présente la particularité d’être intermittente, c’est-à-dire qu’elle ne produit pas une énergie constante avec le temps. Cette intermittence complique son utilisation et la maîtrise d’une production en correspondance avec la demande et finalement le coût de cette énergie produite. Pour atténuer ce phénomène d’intermittence, il est connu de lui associer un dispositif de stockage d’énergie et un groupe électrogène, pour former un système global de production d’énergie, souvent appelé du fait de cette architecture système hybride ou mixte. Le dispositif de stockage d’un système hybride joue alors par sa nature un rôle tampon permettant d’alterner des phases de stockage de l’énergie produite par la source d’énergie intermittente et des phases de restitution de cette énergie, pour atteindre une production dans le temps plus stable et plus facile à exploiter. Le groupe électrogène intervient aussi en cas de forte demande énergétique et/ou de trop faible production par les sources de production intermittentes.

Toutefois, la construction d’un tel système de production énergétique mixte nécessite de définir le dimensionnement de chacun des moyens de production et leur future utilisation, c’est-à-dire leur fonctionnement dans le temps et leurs échanges énergétiques et coopérations mutuelles, autrement dit la gestion opérationnelle du système énergétique mixte. Cette construction et gestion opérationnelle reposent aujourd’hui sur une approche très simplifiée, qui aboutit à des solutions loin d’être optimales.

Ainsi, un objet général de l’invention est de proposer une solution de définition optimale d’un système énergétique mixte, comprenant sa conception, son dimensionnement et sa gestion opérationnelle. A cet effet, l’invention repose sur un procédé de conception d’un système de production énergétique mixte comprenant au moins un dispositif de production d’énergie intermittente et éventuellement au moins un dispositif de stockage d’énergie, comprenant une première phase de mise en équations déterminant un système d’équations représentant un problème d’optimisation, caractérisé en ce que le système d’équations utilise des variables de dimensionnement, des variables d’état et des variables d’échange et en ce que le procédé comprend une seconde phase de résolution du système d’équations, qui comprend les étapes suivantes : - première étape itérative de calcul des variables d’état et d’échange du système d’équations en considérant les variables de dimensionnement du système d’équations à une valeur fixe ; - seconde étape itérative de calcul des variables de dimensionnement du système d’équations en considérant les variables d’état et d’échange à une valeur fixée à leur valeur obtenue par la première étape itérative ; - étape de test de fin d’itération, et répétition des deux étapes itératives si le test est négatif, en fixant pour la première étape itérative les valeurs des variables de dimensionnement aux valeurs obtenues par la seconde étape itérative, et considération de la solution obtenue en fin des deux dernières étapes itératives si le test est positif.

Le procédé de conception d’un système de production énergétique mixte peut comprendre une étape de pilotage du système de production énergétique mixte, en utilisant tout ou partie du système d’équations de la première phase pour déterminer les valeurs d’état et d’échange formant les données d’opération du système.

Le procédé de conception d’un système de production énergétique mixte peut comprendre une étape d’initialisation en début de la seconde phase consistant à attribuer des valeurs initiales aux variables de dimensionnement avant la première exécution des deux étapes itératives.

Le système d’équations peut utiliser tout ou partie des variables suivantes : - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la puissance installée d’un dispositif de production d’énergie intermittente ; et/ou - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la capacité d’un dispositif de stockage d’énergie ; et/ou - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la puissance installée d’un groupe électrogène ; et/ou - au moins une variable d’état d’un dispositif de stockage d’énergie consistant en une variable booléenne permettant de caractériser respectivement l’état en charge et l’état en décharge dudit dispositif de stockage d’énergie ; et/ou - au moins une variable d’état d’un groupe électrogène consistant en une variable booléenne permettant de caractériser respectivement l’état en marche ou non dudit groupe électrogène ; et/ou - au moins une variable d’échange par composant du système de production énergétique consistant en une énergie produite et/ou stockée et/ou échangée par chacun desdits composants. le système d’équations peut représenter un problème d’optimisation qui intègre une condition d’optimisation parmi : - la minimisation du coût global du système de production énergétique mixte ; ou - la minimisation des rejets en C02 du système de production énergétique mixte ; ou - la maximisation de la production énergétique du système de production énergétique mixte par un ou plusieurs dispositif(s) de production d’énergie intermittente.

La seconde phase peut comprendre une étape de test de robustesse permettant de déterminer si une solution obtenue en fin de seconde phase est robuste, et peut engager la recherche d’une autre solution si le test détermine que la solution n’est pas robuste.

La seconde phase peut comprendre une étape de test de fiabilité pendant les étapes itératives, consistant à vérifier si les valeurs obtenues entre différentes itérations sont suffisamment proches pour considérer qu’il va y avoir une convergence vers une solution, c’est-à-dire ne sont pas éloignées entre elles au-delà d’un seuil prédéfini.

La première phase de mise en équations peut comprendre une étape de mise en équations qui comprend la lecture et la transmission depuis une mémoire électronique d’un modèle mathématique pour chaque composant du système de production énergétique mixte envisagé.

La mémoire électronique peut comprendre un modèle mathématique pour chacun des composants suivants : - un dispositif de production d’énergie photovoltaïque ; - un dispositif de production d’énergie éolienne; - un groupe électrogène ; - un dispositif de stockage d’énergie ; - un ou plusieurs composants consommateurs d’énergie ; - un réseau de distribution d’énergie externe.

La première phase peut comprendre une étape d’acquisition de données numériques représentant des paramètres du système d’équations, cette étape comprenant des transmissions de données numériques depuis l’extérieur par des dispositifs de communication distants et/ou des saisies par une interface homme machine, ces données numériques comprenant : - des données numériques représentant des prévisions météorologiques ; - des données numériques représentant des informations géographiques du territoire concerné ; - des données numériques représentant des besoins futurs en énergie ou des souhaits de production future d’énergie. L’invention porte aussi sur un support d’enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé tel que décrit précédemment. L’invention porte aussi sur un système de production énergétique mixte comprenant au moins un dispositif de production d’énergie intermittente et éventuellement au moins un dispositif de stockage d’énergie, comprenant une unité de gestion qui met en oeuvre tout ou partie du procédé tel que décrit précédemment pour le pilotage du système de production énergétique mixte.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

La figure 1 représente schématiquement un système énergétique mixte selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 représente schématiquement un organigramme montrant les étapes du procédé de conception d’un système de production énergétique selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 3 représente de manière plus détaillée les étapes d’un algorithme du procédé de conception d’un système de production énergétique selon le mode de réalisation de l’invention.

La figure 4 représente une étape d’optimisation de la robustesse du procédé de conception d’un système de production énergétique selon le mode de réalisation de l’invention.

Le problème technique posé précédemment peut aussi se poser de la manière suivante : comment définir simultanément : - le dimensionnement des différents composants d’un système de production énergétique mixte, - ainsi que leur stratégie d’opération future, pour atteindre un certain objectif prédéfini ?

Cet objectif prédéfini peut consister à rechercher la fourniture d’une quantité de production énergétique souhaitée (ou estimée) de la manière la moins coûteuse possible, ou en générant le minimum possible de produit polluant comme du C02. En variante, l’objectif prédéfini peut consister à produire une quantité d’énergie supérieure au besoin (souhaité et/ou estimé) pour en revendre une partie, tout en optimisant l’aspect économique global. Dans tous les cas, le problème posé est de type problème d’optimisation, et repose sur la recherche d’une double dimension, le dimensionnement du système de production énergétique mixte et celui de sa stratégie d’opération future, qui induit son pilotage futur.

La figure 1 représente ainsi à titre d’exemple un système de production énergétique 1 mixte conçu et fabriqué par le mode de réalisation de l’invention. Il comprend des dispositifs de production d’énergie photovoltaïque 2 et éolienne 3, un groupe électrogène 4, un dispositif de stockage d’énergie 5, par exemple une batterie. Ces différents composants formant le système de production énergétique 1 mixte sont reliés entre eux par des liaisons 6, notamment avec le dispositif de stockage 5, qui leur permettent d’échanger de l’énergie. Ce système de production énergétique 1 alimente en énergie des composants consommateurs 11 de l’énergie produite par un réseau de distribution 16. Ce système de production énergétique 1 est de plus dépendant des conditions météorologiques, caractérisées par un ensemble de données météorologiques 17, comprenant par exemple l’ensoleillement et le vent.

Un dispositif de conception et/ou de pilotage d’un système de production énergétique 1 mixte comprend une unité de gestion 20, qui se présente sous la forme d’au moins un calculateur, sur lequel est installé un logiciel. Cette unité de gestion 20 met en oeuvre un procédé de conception du système de production énergétique 1 mixte, qui sera décrit en détail plus loin. Selon une variante de réalisation, l’unité de gestion 20 peut avoir pour fonction de définir une modification de l’architecture d’un système de production énergétique 1 existant, pour l’améliorer, ce qui se rapproche fortement du procédé de construction.

Elle peut aussi mettre en oeuvre un procédé de gestion/pilotage d’un tel système de production énergétique 1 mixte lorsqu’il est conçu, pour le piloter selon un plan de fonctionnement optimisé afin d’atteindre un objectif prédéfini, par exemple lui permettant de répondre au besoin des composants consommateurs 11 à moindre coût ou à moindre pollution. Ce procédé de pilotage peut être mis en oeuvre sur une unité de gestion différente de celle utilisée pour la conception/dimensionnement, mais les modèles et algorithmes mis en oeuvre restent les mêmes. Dans le cas du pilotage, elle est reliée aux différents composants du système par des dispositifs de communications 18 pour pouvoir transmettre des commandes et agir sur le fonctionnement du système de production énergétique 1, par l’intermédiaire d’actionneurs par exemple. En retour, l’unité de gestion 20 peut recevoir des informations depuis ces mêmes composants du système, par exemple sur leur état électrique comme l’état de charge du dispositif de stockage, la tension et/ou le courant à leurs bornes, la puissance et l’énergie de sortie, etc., par exemple à partir de capteurs et par l’intermédiaire des dispositifs de communication 18. En remarque, cette unité de gestion 20 peut être physiquement à proximité du système de production énergétique 1 ou à distance, auquel cas elle supervise et commande le système à distance. L’unité de gestion 20 détermine notamment l’énergie qui doit être transmise ou restituée par le dispositif de stockage d’énergie 5 et la mise en route ou non du groupe électrogène 4.

Enfin, de manière optionnelle, une connexion 8 du système de production énergétique 1 lui permet de transmettre tout ou partie de sa production énergétique sur un réseau énergétique externe, par exemple selon un plan de vente établi au préalable, et éventuellement de recevoir de l’énergie depuis ce réseau énergétique externe.

En remarque, ce système de production énergétique 1 peut comprendre plusieurs dispositifs de production d’énergie intermittente comme représenté et/ou plusieurs dispositifs de stockage, et ces dispositifs peuvent se trouver sur un même site ou éloignés les uns des autres. Naturellement, il peut comprendre en variante d’autres composants de production énergétique que ceux représentés à titre d’exemple non limitatif. D’autre part, le système de production énergétique 1 illustré est destiné à la production d’électricité. En variante, l’invention peut porter sur un système de production énergétique 1 mixte destiné à produire de la chaleur.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’unité de gestion 20 du système de production énergétique 1 met donc en œuvre un procédé de conception/dimensionnement d’un système de production énergétique 1 mixte, incluant l’amélioration d’un système de production énergétique 1 existant. Ce procédé est illustré par les figures 2 à 4. La figure 2 représente schématiquement l’ensemble du procédé, la figure 3 représente de manière plus détaillée la seconde phase du procédé et la figure 4 une étape particulière de cette seconde phase.

Une première phase P1 du procédé consiste en la mise en équations du système de production énergétique. Pour cela, une période future T de fonctionnement dudit système est déterminée par un opérateur du système. Comme un tel système est destiné à un fonctionnement sur de nombreuses années, cette période future peut être de vingt ans. En variante, pour simplifier les calculs à effectuer, cette période peut être réduite à un an.

Cette première phase P1 comprend une première étape E11 d’acquisition de données. Pour cela, l’unité de gestion 20 reçoit dans une mémoire électronique un ensemble de données numériques formant les paramètres nécessaires au système d’équations. Ces données numériques comprennent notamment tout ou partie des données suivantes : - Des données numériques représentant des données météorologiques 17 futures, comprenant par exemple l’ensoleillement et le vent. Ces données numériques peuvent être estimées à partir de données réelles mesurées sur une période passée équivalente et/ou à partir de modèles de prévision météorologique. Elles couvrent toute la période future T choisie ; - Des données numériques représentant un dimensionnement maximal de chaque composant du système. Pour cela, il est par exemple possible d’indiquer la puissance maximale de production de chaque composant de production énergétique du système. Ce paramètre peut être fixé en fonction de la connaissance du besoin futur maximal en énergie et/ou en fonction de contraintes géographiques comme la surface disponible sur le territoire considéré pour installer des panneaux photovoltaïques ou installer des éoliennes. En complément, des données numériques représentant un dimensionnement minimal de chaque composant du système peuvent être prises en compte ; - Des données numériques représentant au moins un paramètre d’un critère d’optimisation choisi. Ce paramètre peut être un seuil d’optimisation, qui peut intervenir dans des équations et/ou conditions du système d’équations afin d’atteindre l’un des critères d’optimisation parmi par exemple : - le coût minimum de la production énergétique ; - le rejet minimal de C02 de la production énergétique ; - l’utilisation minimale de carburant pour un groupe électrogène ; - l’utilisation maximale de la production solaire... ;

Pour cela, les données numériques suivantes peuvent aussi être utilisées : le coût maximum de la production énergétique, le rejet maximum de C02 de la production énergétique, l’utilisation maximale de carburant pour un groupe électrogène, l’utilisation minimale de la production solaire, etc. - Un besoin en consommation future par des composants consommateurs 11 et éventuellement par un réseau relié à la connexion 8 du système.

Ces données numériques sont déterminées et connues sur la période future T selon un certain pas temporel. Ce pas temporel peut être de l’ordre d’une heure. Il forme un compromis entre la précision et la complexité des calculs. Il peut être choisi et prédéfini de manière figée dans une mémoire électronique associée à l’unité de gestion 20, ou être un paramètre de calcul saisi par un opérateur et mémorisé.

Toutes ces données numériques formant les paramètres du procédé sont finalement avantageusement saisies par un opérateur par l’intermédiaire d’une interface homme machine ou transmises par un moyen de communication depuis un ordinateur distant. A titre d’exemple, les données numériques météorologiques peuvent être transmises par un ordinateur distant d’une entité météorologique. Toutes ces données numériques sont stockées sur une mémoire électronique associée à l’unité de gestion 20.

Ensuite, l’unité de dimensionnement 20 réalise la mise en équations du système en ayant recours à une bibliothèque de modèles mathématiques pour chaque composant du système. Cette bibliothèque est disponible sur une mémoire électronique accessible par l’unité de dimensionnement.

Chaque modèle mathématique utilise des variables qui correspondent au dimensionnement du composant considéré, dites variables de dimensionnement, des variables qui concernent son état, dites variables d’état, ainsi que des variables caractérisant les flux d’énergie d’un composant, dites variables d’échanges. A titre d’exemples, les variables de dimensionnement comprennent les puissances installées de chaque composant de production d’énergie, la capacité d’un dispositif de stockage, la puissance nominale d’un groupe électrogène, etc. Certains modèles sont détaillés ci-dessous à titre d’exemples. Dans tous ces modèles, l’indice k utilisé représente un pas temporel ou instant, qui varie sur toute la période T considérée selon le pas temporel choisi. Un modèle intègre au moins une équation qui caractérise le fonctionnement du composant modélisé, et une équation qui permet de considérer l’objectif à atteindre en termes d’optimisation. L’invention ne porte pas sur ces modèles en tant que tels, et d’autres modèles, connus de l’état de la technique ou non, pourraient en variante être définis et utilisés.

Un dispositif de production d’énergie photovoltaïque 2 peut par exemple être traité par un modèle formulé par l’équation suivante :

Epv(k) = PVtimeserie (k) X PpvX Δΐ OÙ

Epv(k) est l’énergie produite par le dispositif de production d’énergie photovoltaïque pour le pas temporel k considéré, qui forme une variable d’échange dudit dispositif,

Ppv est la puissance installée par le dispositif de production d’énergie photovoltaïque, qui représente une variable de dimensionnement dudit dispositif, PVtimeserie (k) est la série temporelle de puissance produite par une unité de puissance installée. Cette production peut être estimée via un procédé d’estimation connu ou par une série de mesures d’un dispositif de production d’énergie photo voltaïque réel comparable, Δΐ est le pas de temps utilisé. D’autre part, si le système est à optimiser sur le critère du coût minimal, le modèle propose aussi l’équation suivante de coût Costpv du dispositif de production d’énergie photo voltaïque 2 :

Costpv = (CAPEX + OPEX) x Ppv où CAPEX représente l’investissement financier initial par unité de puissance photovoltaïque installée, et OPEX représente le coût de fonctionnement annualisé du dispositif de production d’énergie photovoltaïque par unité de puissance photovoltaïque installée.

Un dispositif de production d’énergie éolienne 3 peut par exemple être traité de manière analogue par un modèle formulé par l’équation suivante :

où

Ewind(k) est l’énergie produite par le dispositif de production d’énergie éolienne pour le pas temporel k considéré, qui forme une variable d’échange dudit dispositif,

Pwind est la puissance installée par le dispositif de production d’énergie éolienne, qui représente une variable de dimensionnement dudit dispositif, Windtimeserie (k) est la série temporelle de puissance produite par une unité de puissance installée. Cette production peut être estimée via un procédé d’estimation connu ou par une série de mesures d’un dispositif de production d’énergie éolienne réel comparable. D’autre part, si le système est à optimiser sur le critère du coût minimal, le modèle propose aussi l’équation suivante de coût CosUnd du dispositif de production d’énergie éolienne 3 :

Costwind = (CAPEX + OPEX) x PWind où CAPEX représente l’investissement financier initial par unité de puissance éolienne installée, et OPEX représente le coût de fonctionnement annualisé du dispositif de production d’énergie éolienne par unité de puissance éolienne installée.

Un groupe électrogène 4 peut par exemple être traité par un modèle formulé par les conditions suivantes :

où

Egen(k) est l’énergie produite au pas temporel k par le groupe électrogène, qui forme une variable d’échange du groupe électrogène,

Fgen est compris entre 0 et 1 et représente le facteur de puissance minimale de fonctionnement du groupe électrogène, 5gen(k) est une variable binaire qui représente l’état allumé (valeur 1) ou éteint (valeur 0) du groupe électrogène, et qui représente une variable d’état du groupe électrogène,

Pgen représente la puissance maximale du groupe électrogène, qui représente une variable de dimensionnement du groupe électrogène.

Ces conditions peuvent être complétées par la prise en compte de contraintes complémentaires liées aux durées minimales de fonctionnement et d’arrêt du groupe électrogène, qui peuvent s’écrire par les conditions :

pour tout k compris entre 2 et T inclus, et pour tout k1 compris entre k et le minimum de k+minON-1 et T inclus, et

pour tout k compris entre 2 et T inclus, et pour tout k2 compris entre k et le minimum de k+minOFF-1 et T inclus, où minON est le nombre de pas de temps correspondant à la durée de fonctionnement minimale du groupe électrogène, minOFF est le nombre de pas de temps correspondant à la durée de non fonctionnement minimale du groupe électrogène. D’autre part, si le système est à optimiser sur le critère du coût minimal, le modèle propose aussi l’équation suivante de coût Costgen du groupe électrogène 4 :

Costgen = CAPEX X Pgen + OPEX où CAPEX représente l’investissement financier initial par unité de puissance installée, et OPEX représente le coût de fonctionnement annualisé du groupe électrogène, qui peut être détaillé par la formule suivante :

Où

Mgen représente le coût de maintenance par unité de puissance installée, et a, b, c sont des facteurs de consommation qui permettent d’estimer le coût d’opération du groupe électrogène lié à la consommation de carburant.

Le modèle du dispositif de stockage 5 s’applique au système de stockage complet. Lorsque ce système de stockage est basé sur un stockage électrochimique, il comprend une batterie, un convertisseur et un composant auxiliaire. Le modèle de stockage est indépendant de la technologie ; il est par exemple aussi valable pour un dispositif de stockage basé sur l’hydrogène, comme un électrolyseur, une pile à combustible et des auxiliaires. Le modèle du dispositif de stockage 5 peut être formulé à travers les équation/conditions suivantes :

Avec

Est(k) correspond à la quantité d’énergie stockée dans le système à la fin du pas de temps k, qui forme une variable d’état du dispositif de stockage, Eess(k) est l’énergie chargée (lorsque négative) ou déchargée (lorsque positive) pendant le pas de temps k avec le rendement de charge pc, qui forme une variable d’échange dudit dispositif de stockage, 5ess(k) est la variable binaire qui permet de distinguer la phase de charge et celle de décharge (5ess = 0 lors de la charge, et 5ess = 1 lors de la décharge), et qui représente une variable d’état du dispositif de stockage ; Cess représente la capacité du système de stockage, et forme une variable de dimensionnement du dispositif de stockage,

Pmaxc est la puissance maximale de charge du système de stockage ; cette valeur est positive,

Pmaxd est la puissance maximale de décharge du système de stockage ; cette valeur est positive.

En remarque, ce système d’équations est avantageux et nouveau, notamment en ce qu’il repose sur une variable binaire 5ess(k), qui représente une variable d’état.

En variante, le modèle précédent peut prendre en compte : - le rendement variable en fonction de l’état d’énergie et de la puissance du stockage ; - les puissances maximales de charge et de décharge en fonction de l’état d’énergie.

Le coût Costess représenté par le dispositif de stockage 5 peut se calculer de la manière suivante : où

CAPEX est l’investissement initial du dispositif de stockage par unité de capacité, OPEX est le coût de fonctionnement annualisé par unité de capacité du dispositif de stockage,

Nremplace est le coût de remplacement par unité de capacité du dispositif de stockage durant la totalité de la durée T considérée.

En remarque, dans le mode de réalisation pour lequel le système de production énergétique 1 est lié à un réseau externe par une connexion 8, le modèle du réseau est aussi pris en compte. Ce modèle considère l’énergie Egridsource(k) qui peut être importée depuis le réseau par le système de production énergétique 1 pendant le pas de temps k par la condition :

Où Pgridsourœmax(k) est la puissance maximale de soutirage depuis le réseau pour le pas de temps k.

De plus, l’énergie Egridioad(k) qui peut être transmise au réseau par le système de production énergétique 1 pendant le pas de temps k se caractérise aussi par la condition suivante : 'Pgridloadmax(k) X Δΐ 2= Egridload(k) 2= 0 Où Pgridioadmax(k) est la puissance maximale d’injection pour le pas de temps k ; cette puissance est positive.

Le coût Costgrid de cette connexion du système de production énergétique 1 au réseau peut se calculer de la manière suivante :

Où

Pgnd est la puissance de raccordement du système de production énergétique 1 au réseau. Pour tout pas de temps k, on a :

Ci(k) et C2(k) sont respectivement les coûts d’énergie importée et vendue au réseau pour le pas de temps k.

Le procédé prend de plus en compte un modèle de consommation des composants consommateurs 11. Cette consommation d’énergie E|0ad(k) peut s’exprimer simplement :

Où PLoadtimeserie représente la série temporelle de puissance consommée.

Le procédé utilise donc les différents modèles mémorisés pour chaque composant du système de production énergétique 1 puis considère de plus l’équation de bilan énergétique suivante : E|oad(k) + Egrjci|oac|(k) = Epv(k) + Ewjnd(k) + Egen(k) + Est0c(k) + Egrjcjsource (k) pour tout k compris entre 1 et T inclus.

Le procédé considère de plus une dimension lui permettant de caractériser l’objectif à atteindre. Par exemple, dans le cas de la minimisation du coût, la grandeur Obj suivante est calculée :

Obj = CoStpv + CoStwind + CoStgen + CoStess + CoStgrid

Les explications précédentes permettent de comprendre comment le procédé réalise une première phase P1 de mise en équations, qui comprend une seconde étape E12 de réunion des équations et conditions des composants individuels du système de production énergétique 1 et des équations et conditions reliant entre eux ces composants. Nous appelons simplement système d’équations cet ensemble obtenu. En remarque, comme ce système intègre une grandeur qu’il faut optimiser, c’est-à-dire mathématiquement minimiser ou maximiser, sa résolution est du type « problème d’optimisation >>.

Pour bien appréhender la complexité technique du problème technique de dimensionnement d’un système de production énergétique, il faut bien considérer que le système d’équations obtenu est de type « problème d’optimisation » et comprend un nombre très important de variables inconnues à déterminer. A titre d’exemple, pour un système de quatre composants, comprenant chacun une seule variable de dimensionnement et deux variables d’état, et considéré sur une période de un an avec un pas temporel d’une heure, le nombre de variables à déterminer s’élève à 4 + (2*4) x (365*24) = 70 084

Ce problème d’optimisation comprend naturellement trop de variables pour une résolution manuelle, et même trop de variables pour une résolution conventionnelle en problème unique du système d’équations. Pour cette raison, les solutions existantes de l’état de la technique ne permettent pas de prendre en compte une stratégie optimale d’opération du système pour le dimensionnement, comme cela a été rappelé en préambule.

Le procédé de dimensionnement d’un système de production énergétique 1 selon le mode de réalisation met en oeuvre une seconde phase P2 de résolution du système d’équations établi par la première phase P1 du procédé. Cette seconde phase P2 met en oeuvre deux étapes de calcul distinctes et complémentaires, qui permettent de découper le problème d’optimisation en deux problèmes distincts. Ces deux étapes de calcul sont répétées de manière itérative, pour converger vers une solution au problème global d’optimisation, dans un temps restreint et avec une ressource de calcul abordable.

Pour cela, la seconde phase P2 comprend d’abord une étape E20 d’initialisation, qui consiste à donner une valeur initiale aux variables de dimensionnement du système d’équations. Selon un mode de réalisation, ces valeurs sont choisies en considérant la valeur moyenne des dimensionnements minimaux et maximaux pour chacun des composants.

Ces valeurs minimales et maximales sont par exemple connues à partir de données géographiques, comme la surface disponible pour l’installation de panneaux photovoltaïques et/ou d’éoliennes sur le territoire considéré. En variante ou complément, elles sont fixées en tenant compte de la consommation maximale souhaitée par les composants consommateurs. Après cette étape d’initialisation, les étapes itératives sont mises en oeuvre.

La première étape itérative E22 consiste à fixer les variables de dimensionnement à une valeur considérée connue, et à résoudre le système d’équations en ne cherchant que les autres variables, c’est-à-dire les variables d’état et d’échanges. Lors de la première itération, les valeurs considérées pour les variables de dimensionnement sont donc celles fixées par l’étape d’initialisation E20.

La seconde étape itérative E24 consiste à fixer les variables d’état et d’échanges à leur valeur déterminée, considérée connue, par la première étape itérative E22, et à rechercher les variables de dimensionnement.

Selon le mode de réalisation, dans chacune de ces deux étapes E22, E24 de résolution du système d’équations, la méthode de programmation linéaire mixte est utilisée. Les modèles proposés pour les différents composants sont compatibles avec cette méthode d’optimisation. A la fin de la seconde étape itérative E24, le procédé met en oeuvre une étape de test E26 de fin d’itération, qui permet de stopper ou de poursuivre les itérations. A titre d’exemple, cette étape de test E26 peut comprendre la comparaison entre les différentes valeurs des variables du système d’équation obtenues et celles obtenues lors de l’itération précédente : si leur différence ne dépasse pas un seuil prédéfini, par exemple 10%, ce seuil pouvant être un paramètre du procédé établi lors de l’étape E11, sur les deux dernières itérations, alors le test est positif et peut conclure que la convergence est suffisante et le procédé retient alors ces dernières valeurs obtenues comme la solution du système d’équations et stoppe les itérations. Sinon, le test est négatif et les étapes E22, E24 sont de nouveau mises en oeuvre, en utilisant les résultats obtenus par cette dernière itération comme valeurs initiales de la prochaine itération. En variante, toute autre condition de test peut être mise en oeuvre, pour déterminer si la convergence vers une solution est considérée comme suffisante ou non.

Le procédé peut mettre en oeuvre une étape supplémentaire de test de fiabilité E27 à la fin de la seconde étape itérative E24, qui consiste de même à comparer les valeurs des différentes variables du système d’équation obtenues et celles obtenues lors de l’itération précédente. Si les valeurs diffèrent trop, il peut être considéré que la poursuite des itérations risque de conduire à une solution non robuste. Dans ce cas, le calcul peut être repris en modifiant les valeurs initiales, lors de l’étape d’initialisation E20, ou en proposant une autre méthode de résolution.

En fin de procédé, lorsque l’étape de test de fin d’itération E26 permet de conclure à une convergence vers une solution, le procédé peut mettre en oeuvre une étape supplémentaire, optionnelle, de test de robustesse E28. Cette étape consiste à comparer les différentes configurations au voisinage de la solution optimale trouvée : si ces configurations voisines amènent à un critère d’optimisation très dégradé, par exemple un coût élevé, éloigné au-delà d’un seuil choisi par rapport à celui de la solution trouvée, alors cette dernière est considérée comme non robuste et une autre solution est recherchée. La figure 4 illustre particulièrement cette étape de test de robustesse. Elle représente schématiquement l’évolution du coût associé à des systèmes énergétiques en fonction des variables qui varient sur un espace des solutions possibles. La courbe 30 du coût obtenue présente deux valeurs basses C* et C**, respectivement pour les solutions S* et S** : on s’aperçoit que si on s’éloigne très légèrement de la solution S*, le coût augmente très vite fortement, ce qui rend cette solution S* non robuste. Au contraire, la solution S** est beaucoup plus robuste. Cette étape de test de robustesse E28 permet de privilégier une solution de type S** plutôt que S*.

Enfin, le procédé de conception/construction peut comporter une troisième phase P3 de fabrication du système de production énergétique 1. Dans le cas d’un nouveau système, l’unité de gestion peut alors automatiquement transmettre des ordres de commande des différents composants du système par un moyen de communication vers une entité de fabrication desdits composants, en lui transmettant naturellement les valeurs de dimensionnement obtenues. Elle participe alors à une étape E31 de fabrication d’un système de production énergétique. Dans le cas de l’amélioration, de modification d’une installation existante, elle peut éventuellement agir par des actionneurs sur les composants existants, de sorte à les modifier automatiquement vers la nouvelle configuration obtenue, par exemple en désactivant certains panneaux photovoltaïques. En variante ou complément, le procédé de l’invention peut être utilisé pour le pilotage du système hybride seulement. L’unité de dimensionnement 20 agit alors comme une unité de pilotage, et agit sur le plan de production pour modifier les variables d’état du système de production énergétique pour l’utiliser de manière plus optimisée. Dans ce dernier cas, elle agit comme une unité de gestion d’un système de production énergétique et met en œuvre une étape de pilotage E32 dudit système de production énergétique. Avantageusement, elle utilise les mêmes algorithmes et modèles que ceux utilisés pour le dimensionnement, pour calculer les données d’opération pour le pilotage du système. L’invention porte aussi sur un dispositif de fabrication d’un système de production énergétique 1 mixte, comprenant une unité de gestion 20 comprenant un moyen logiciel et une mémoire électronique, et qui met en oeuvre le procédé de conception/construction d’un système de production énergétique 1 mixte tel que décrit précédemment. Elle porte aussi sur un support d’enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé tel que décrit précédemment. Cette étape de pilotage correspond à l’activation d’une partie seulement de l’ensemble de la méthode utilisée pour le dimensionnement : les variables de dimensionnement sont figées et les variables d’état et d’échange sont recalculées, formant des données d’opération du système, cette fois sur un horizon plus court que pour le dimensionnement. La mise en forme des données peut être réalisée de manière périodique, à chaque fois qu’est réalisée une optimisation de la stratégie. Dans ce calcul, des paramètres comme des données de prévision météorologiques qui couvrent la période relative à l’optimisation pour le pilotage, par exemple entre 12h et 48h, sont utilisées. L’invention porte aussi sur un système de production énergétique 1 mixte, par exemple tel qu’illustré sur la figure 1, comprenant par exemple au moins un dispositif de production d’énergie intermittente 2, 3 et au moins un dispositif de stockage d’énergie 5, et intégrant une unité de gestion 20 qui met en oeuvre tout ou partie du procédé décrit précédemment pour le pilotage du système de production énergétique 1 mixte, notamment par le calcul des variables d’état et/ou d’échange. Cette unité de gestion 20 peut aussi mettre en oeuvre le procédé pour un calcul d’optimisation du système, et proposer une transformation de l’architecture du système de production énergétique 1 mixte pour améliorer son optimisation. Cette modification peut par exemple être mise en oeuvre si les critères d’optimisation changent, ou si des paramètres météorologiques ou géographiques évoluent.

Claims

Revendications

1. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte comprenant au moins un dispositif de production d’énergie intermittente (2, 3) et éventuellement au moins un dispositif de stockage d’énergie (5), comprenant une première phase (P1) de mise en équations déterminant un système d’équations représentant un problème d’optimisation, caractérisé en ce que le système d’équations utilise des variables de dimensionnement, des variables d’état et des variables d’échange et en ce que le procédé comprend une seconde phase (P2) de résolution du système d’équations, mise en oeuvre par une unité de gestion (20) se présentant sous la forme d’au moins un calculateur, sur lequel est installé un programme d’ordinateur, qui comprend les étapes suivantes : (E22) : première étape itérative de calcul des variables d’état et d’échange du système d’équations en considérant les variables de dimensionnement du système d’équations à une valeur fixe ; (E24) : seconde étape itérative de calcul des variables de dimensionnement du système d’équations en considérant les variables d’état et d’échange à une valeur fixée à leur valeur obtenue par la première étape itérative ; (E26) : étape de test de fin d’itération, et répétition des deux étapes itératives (E22, E24) si le test est négatif, en fixant pour la première étape itérative (E22) les valeurs des variables de dimensionnement aux valeurs obtenues par la seconde étape itérative (E24), et considération de la solution obtenue en fin des deux dernières étapes itératives (E22, E24) si le test est positif, et en ce que le procédé comprend une troisième phase (P3) de fabrication du système de production énergétique (1) mixte conçu par la mise en oeuvre des deux premières phases (P1, P2) du procédé.
2. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de pilotage (E32) du système de production énergétique (1) mixte, en utilisant tout ou partie du système d’équations de la première phase (P1) pour déterminer les valeurs d’état et d’échange formant les données d’opération du système.
3. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’initialisation (E20) en début de la seconde phase (P2) consistant à attribuer des valeurs initiales aux variables de dimensionnement avant la première exécution des deux étapes itératives (E22, E24).
4. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d’équations utilise tout ou partie des variables suivantes : - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la puissance installée d’un dispositif de production d’énergie intermittente (2, 3) ; et/ou - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la capacité d’un dispositif de stockage d’énergie (5) ; et/ou - au moins une variable de dimensionnement correspondant à la puissance installée d’un groupe électrogène (4) ; et/ou - au moins une variable d’état d’un dispositif de stockage d’énergie (5) consistant en une variable booléenne permettant de caractériser respectivement l’état en charge et l’état en décharge dudit dispositif de stockage d’énergie (5) ; et/ou - au moins une variable d’état d’un groupe électrogène (4) consistant en une variable booléenne permettant de caractériser respectivement l’état en marche ou non dudit groupe électrogène (4) ; et/ou - au moins une variable d’échange par composant du système de production énergétique (1) consistant en une énergie produite et/ou stockée et/ou échangée par chacun desdits composants.
5. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d’équations représente un problème d’optimisation qui intègre une condition d’optimisation parmi : - la minimisation du coût global du système de production énergétique (1) mixte ; ou - la minimisation des rejets en C02 du système de production énergétique (1) mixte ; ou - la maximisation de la production énergétique du système de production énergétique (1) mixte par un ou plusieurs dispositif(s) de production d’énergie intermittente (2, 3).
6. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde phase (P2) comprend une étape de test de robustesse (E28) permettant de déterminer si une solution obtenue en fin de seconde phase est robuste, et en ce qu’il engage la recherche d’une autre solution si le test détermine que la solution n’est pas robuste.
7. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde phase (P2) comprend une étape de test de fiabilité (E27) pendant les étapes itératives, consistant à vérifier si les valeurs obtenues entre différentes itérations sont suffisamment proches pour considérer qu’il va y avoir une convergence vers une solution, c’est-à-dire ne sont pas éloignées entre elles au-delà d’un seuil prédéfini.
8. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première phase (P1) de mise en équations comprend une étape (E12) de mise en équations qui comprend la lecture et la transmission depuis une mémoire électronique d’un modèle mathématique pour chaque composant du système de production énergétique (1) mixte envisagé.
9. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mémoire électronique comprend un modèle mathématique pour chacun des composants suivants : - un dispositif de production d’énergie photovoltaïque (2) ; - un dispositif de production d’énergie éolienne (3) ; - un groupe électrogène (4) ; - un dispositif de stockage d’énergie (5) ; - un ou plusieurs composants consommateurs d’énergie (11) ; - un réseau de distribution d’énergie externe.
10. Procédé de fabrication d’un système de production énergétique (1) mixte selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première phase (P1) comprend une étape d’acquisition (E11) de données numériques représentant des paramètres du système d’équations, cette étape comprenant des transmissions de données numériques depuis l’extérieur par des dispositifs de communication distants et/ou des saisies par une interface homme machine, ces données numériques comprenant : - des données numériques représentant des prévisions météorologiques ; - des données numériques représentant des informations géographiques du territoire concerné ; - des données numériques représentant des besoins futurs en énergie ou des souhaits de production future d’énergie.
11. Support d’enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 10.
12. Système de production énergétique (1) mixte comprenant au moins un dispositif de production d’énergie intermittente (2, 3) et éventuellement au moins un dispositif de stockage d’énergie (5), caractérisé en ce qu’il comprend une unité de gestion (20) qui met en œuvre tout ou partie du procédé selon l’une des revendications 1 à 10 pour la conception, fabrication et dimensionnement du système de production énergétique (1) mixte d’une part ou le pilotage du système de production énergétique (1) mixte d’autre part.