CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Amélioration de l'éfficacité et la fiabilité d'un micro-réseau multi-source à courant continu pour les applications résidentielles grâce à l'intégration de la gestion à double niveau – EREMITE

ANR JCJC EREMITE

Amélioration de l'efficacité et de la fiabilité d'un micro-réseau à courant continu (CC) multi-sources dédié aux applications résidentielles grâce à l'intégration de gestions à deux niveaux

Développement d'une stratégie avancée de gestion de l'énergie et d'une stratégie de gestion de la santé pour le fonctionnement efficace et fiable des micro-réseaux à CC à court et à long terme

Malgré ses nombreux avantages et ses applications étendues, le micro-réseau CC est encore une technologie relativement nouvelle et ses architectures de réseau, ses stratégies de contrôle, ses techniques de stabilisation, etc. méritent d'énormes efforts de recherche. A l'échelle européenne comme à l'échelle française, alors que de plus en plus de micro-réseaux CC renouvelables sont et seront installés, l'efficacité, la surveillance et la maintenance, la durabilité de ces systèmes deviennent des préoccupations de plus en plus importantes.<br />Comme les micro-réseaux CC impliquent de nombreuses sources d'énergie, unités de stockage et différents types de charges selon les applications concernées, l'efficacité et la fiabilité de l'ensemble du système dépendent de plusieurs facteurs, tels que les caractéristiques des sources adoptées, les conditions climatiques et les profils de charge. De nombreuses études ont été proposées pour améliorer l'efficacité et la fiabilité des micro-réseaux CC. Cependant, les études sur l'amélioration de l'efficacité sont généralement à la condition que tous les éléments du système soient en bon état ; les études sur l'amélioration de la fiabilité sont orientées pour récupérer la fonctionnalité du système lorsqu'un défaut survenu a été détecté et identifié.<br />Ce projet vise à améliorer l'efficacité et la fiabilité d'un micro-réseau CC multi-sources (Photovoltaïque/Eolien/Batteries/Supercondensateur) en intégrant à la fois des stratégies de gestion de l'énergie et de la santé. Plus précisément, les objectifs du projet sont triples. <br />(1) Développement d'une stratégie avancée de gestion de l'énergie (EMS) pour améliorer l'efficacité opérationnelle du système. Plus concrètement, un EMS basé sur l'intelligence artificielle prenant en considération à la fois la prévision des sources et la réponse à la demande de charge sera développé. <br />(2) Développement d'une stratégie de gestion de la santé (HMS) en ligne pour améliorer la fiabilité et la durabilité du système. Un HMS des sources distribuées sera intégré dans la phase de conception initiale du micro-réseau pour effectuer une surveillance de la santé et une méthodologie de diagnostic en temps réel.<br /> (3) Interaction de l'EMS et du HMS pour un fonctionnement efficace et fiable à court et à long terme. Les informations sur la santé et les facteurs de dégradation de chaque source viendront compléter les indices de performance des micro-réseaux existants pour améliorer l'efficacité, la fiabilité et la durabilité du système.

1. Un contrôleur de logique floue amélioré, en combinaison avec la méthode de reservoir computing (RC) pour la conception de l’EMS
Fondamentalement, un EMS en temps réel pourrait être formulé comme un problème de flux de puissance optimal multi-objectifs stochastique. Le module d'aide à la décision qui traite de la production SER, de la demande de charge, du marché de l'électricité (en mode connecté au réseau), ainsi que des informations prévisionnelles est hautement nécessaire.
L'une des difficultés majeures pour la réalisation en temps réel est la complexité de calcul compte tenu des couches de contrôle hiérarchiques impliquant les multiples sources, charges et conditions de fonctionnement variables dans le temps. De plus, les méthodes de contrôle conventionnelles telles que celles basées sur un modèle ne peuvent pas être adaptées de manière flexible aux situations telles que l'opération plug-and-play et peuvent échouer si des changements inattendus de topologie se produisent. Les contrôleurs flous et les réseaux de neurones artificiels (ANN) peuvent fournir des solutions potentielles pour gérer la complexité de calcul et atteindre l'adaptabilité souhaitée. Cependant, des recherches supplémentaires sont encore nécessaires pour déterminer les procédures de conception et d'étalonnage adéquates pour de tels contrôleurs. Dans ce projet, un contrôleur de logique floue amélioré avec une capacité de gestion des incertitudes, moins de complexité de calcul et une bonne capacité de généralisation, est développé pour la conception de l’EMS.
En outre, la capacité de prévision dans des conditions d'exploitation dynamiques (par exemple, l'éclairement, la température, la vitesse du vent et les charges changeants) couvrant à la fois des échelles de temps court/long (par exemple, des minutes pour la demande de puissance instantanée, des jours pour la programmation énergétique) est un élément critique. Dans ce projet, un nouveau cadre de l’ANN, nommé RC, est choisi pour la prédiction à court et à long terme (prédiction adaptative) dans différentes conditions de fonctionnement. La raison principale est sa forte capacité à gérer des signaux temporels d'une variété surprenante de types.
2. Convertisseurs CC/CC intégrés à la fonction EIS pour la gestion de la santé en temps réel du micro-réseau
Le principe de base est d'intégrer la fonctionnalité de caractérisation EIS en ligne des composants du micro-réseau sans intervention humaine ni matériel coûteux. L'EIS s'est avéré être une technique puissante pour la caractérisation de divers dispositifs électrochimiques, par exemple les batteries, les piles à combustible et les cellules solaires. En tant qu'outil non destructif, il fournit une haute résolution des processus fondamentaux du dispositif cible en obtenant les informations d'impédance dans le domaine fréquentiel. Néanmoins, du fait des facteurs coût et volume, les spectromètres sont fortement contraints pour des usages de caractérisation en temps réel.

1. Conception et mise en œuvre de l'EMS
Les caractéristiques de chaque composant du microréseau multi-sources ont été étudié. Cette partie a été suivie de la modélisation dynamique de chaque partie, y compris les parties de production PV et éolienne, la partie stockage, la partie contrôleur, et les charges. Une plate-forme de simulation de l'ensemble du micro-réseau a été développée. Sur la base de la plate-forme, deux EMS ont été conçus et initialement validés. Les deux EMS peuvent atteindre les objectifs principaux, notamment la stabilité du bus CC dans des conditions de fonctionnement statiques et dynamiques et le contrôle de l'état de charge des batteries et des supercondensateurs.
2. HMS intégré des sources distribuées
Le HMS est intégré dans la phase de conception initiale du microréseau. En particulier, une méthodologie de surveillance et de diagnostic de santé en temps réel basée sur les convertisseurs CC/CC est développée. Cette partie a commencé par une recherche documentaire sur les types de défauts et les méthodes de diagnostic des défauts dans les micro-réseaux CC. La méthode EIS a été choisie en raison de sa capacité de caractérisation et de détection de défauts, alors qu'il n'y a pas besoin d'intervention humaine et de matériel coûteux. La phase de simulation a été réalisée pour étudier l'influence de la région d'injection du signal alternatif, l'amplitude du signal alternatif et la sélection du modèle de circuit équivalent. De plus, une méthode originale de contrôle de coordination a été proposée pour basculer le système PV entre le mode MPPT et le mode EIS, sans influencer le fonctionnement normal du micro-réseau. En parallèle, une nouvelle version de convertisseur a été conçue et réalisée en laboratoire, à savoir le convertisseur boost à couplage magnétique avec étage de récupération assistée.
3. Développement de plateformes expérimentales
Les plates-formes expérimentales ont été construites et initialement testées, y compris une plate-forme de production PV, une plate-forme de production éolienne et le contrôleur en temps réel pour la mise en œuvre à la fois du EMS et du HMS conçus. La plate-forme de génération PV comprend 16 panneaux PV installés sur le toit de l'IUT de Thionville-Yutz, 8 convertisseurs CC/CC auto-conçus en laboratoire et un système de supervision. La plateforme de production éolienne a été développée avec la collaboration du département GIM de l'IUT. La plateforme a bénéficié d'un cofinancement du département à la fois pour des usages de recherche et d'enseignement. Outre le générateur éolien installé sur le campus, le même type de générateur a été installé à l'intérieur pour étudier le comportement de la production éolienne et la connexion avec le microréseau CC sans limitation des conditions météorologiques. La plate-forme comprend un générateur éolien, un moteur CC, un boîtier électrique auto-développé pour entraîner le moteur et imiter le comportement réel du vent et les convertisseurs correspondants.

1. Concernant la partie EMS, l'originalité et la nouveauté de ce projet réside principalement dans la conception et la réalisation d'un EMS multi-objectifs basé sur des méthodes d'intelligence artificielle, considérant à la fois la disponibilité actuelle et future des SER, la gestion de la demande et le marché de l'électricité.
Pour la prochaine étape, un contrôleur de logique floue amélioré avec une capacité de gestion des incertitudes, une complexité de calcul moindre et une bonne capacité de généralisation, en combinaison avec la méthode RC de prévision, sera développé pour la conception du microréseau EMS. Les performances du SME proposé seront évaluées plus avant et comparées aux stratégies existantes en termes d'efficacité énergétique, de précision des prévisions, de complexité de calcul, etc.
2. Le HMS du micro-réseau CC constitue un autre aspect important pour le fonctionnement fiable et durable de l'ensemble du système. Jusqu'à présent, la plupart des recherches contribuent aux problèmes de SGE en se concentrant relativement peu sur les problèmes de SHM. Plus précisément, le HMS comprend le diagnostic, le pronostic et le contrôle ciblé dédiés à l'amélioration de la fiabilité et de la durabilité au niveau des composants et du système. De nombreuses études actuelles sur le HMS ont été menées pour un seul composant dans les micro-réseaux. Un HMS systématique capable de coordonner différents défauts et problèmes de dégradation fait toujours défaut.
Dans l'étape suivante, une méthodologie de surveillance et de diagnostic de l'état en temps réel basée sur les convertisseurs DC-DC sera réalisée. Le principe de base est d'intégrer la fonctionnalité de caractérisation EIS en ligne des composants du micro-réseau sans intervention humaine ni matériel coûteux. Un autre avantage potentiel de cette technique de surveillance basée sur l'impédance est de faciliter l'analyse de la stabilisation de l'ensemble du système, en particulier dans des conditions de fonctionnement dynamiques. La technique EIS en ligne sera explorée à la fois pour la surveillance de la santé et l'analyse de la stabilité.
3. L'interaction des deux stratégies, c'est-à-dire l'EMS et le HMS sur les performances à long terme du système sera étudiée. Il convient de noter qu'un EMS axé sur l'efficacité pourrait agréger le taux de dégradation des composants du système. Pendant ce temps, la surveillance de la santé en ligne telle que l'EIS qui obtient les impédances des sources en introduisant de petites perturbations sinusoïdales sur les boucles de contrôle du convertisseur DC/DC, pourrait compliquer les stratégies de contrôle et avoir des effets néfastes sur la stabilité du système (par exemple, la stabilité du bus DC). Dans la prochaine étape, l'interaction de l'EMS et du HMS sera explorée plus avant.

Revues internationales à comité de lecture
1. S. Ali, Z. Zheng, M. Aillerie, J.P. Sawicki, M.C. Péra, D. Hissel, 2021, “A Review of DC Microgrid Energy Management Systems Dedicated to Residential Applications”. MDPI Energies, 2021, 14(14): 4308 (Open-access journal) ?hal-03346267?.
2. F.Z. Naama, A. Zegaoui, A. Djahbar, M. Aillerie, “Simulation and modeling of a small permanent magnet synchronous generator wind turbine directly from its datasheet”, Przeglad Elektrotechniczny 1 (7), 10-14, 2020 < hal-02942213>.

Conférences internationales
1. X. Wang, Z. Zheng, M. Aillerie, J.P. Sawicki, M.C. Péra and D. Hissel, 2021, “Online Spectroscopy Imped-ance Fault Diagnosis Method for Photovoltaic Panels in Microgrids”, 47th Annual Conference of the IEEE In-dustrial Electronics Society (IECON 2021), Toronto, Canada (1-6 pages).
2. S. Ali, Z. Zheng, M. Aillerie, J.P. Sawicki, M.C. Péra and D. Hissel, 2021, “DC microgrid energy management systems dedicated to residential applications: A review study”, TMREES 2021 International Conference Ath-ens-Greece, Oral presentation, Online, 28-30 May 2021.
3. Z. Zheng, “Tutorial T05.02 Diagnosis, prognosis and fault tolerance control for fuel cell systems”, IEEE IE-CON 2020, Singapore, Oral presentation, online, 18-21 October 2020.
4. Z. Zheng, “Energy management of a Fuel cell/ultracapacitor/battery hybrid electric vehicle based on fuzzy logic”, TOP 10 EMS solution of IEEE VTS motor vehicles data challenge, IEEE VPPC 2020, 26-29 October 2020.

Conférences de vulgarization
1. IEEE IECON 2021, Organization of a special session SS23 on “Energy and health management of DC mi-crogrids”, Toronto, Canada. (Online, ieeeiecon.org/approved-special-session/)
2. IEEE ISIE 2021, Organization of a special session SS20 on “Reliability Analysis and Improvement Methods for Industrial Systems”, Kyoto, Japan. (Online, www.isie2021.org/special_session.html)

Le micro-réseau constitue une solution prometteuse et efficace pour augmenter la pénétration des sources d’énergie renouvelables (RES) et des systèmes de stockage, ainsi que pour améliorer la résilience et la fiabilité du réseau publique. Grâce à l’augmentation des RES et des charges à courant continu (CC), le micro-réseau CC a gagné une grande popularité. Par rapport à sa contrepartie AC, il présente des avantages principaux tels qu’une fiabilité et une efficacité supérieures, un contrôle simplifié et l’absence de problèmes d’effets de peau, d’harmoniques et de synchronisation. En Europe et en France, avec de plus en plus de micro-réseaux installés, l’efficacité, la surveillance et la maintenance, la durabilité de ces systèmes deviennent des préoccupations de plus en plus importantes. Ce projet vise à améliorer l’efficacité et la fiabilité d’un micro-réseau CC (Photovoltaïque/éolien/batteries/super-condensateurs) en intégrant des stratégies de gestion de l’énergie et de la santé.

Coordination du projet

Zhixue ZHENG (LABORATOIRE MATÉRIAUX OPTIQUES, PHOTONIQUE ET SYSTÈMES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LMOPS LABORATOIRE MATÉRIAUX OPTIQUES, PHOTONIQUE ET SYSTÈMES

Aide de l'ANR 208 366 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2020 - 42 Mois

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