modÉlisation ÉnergÉtique et ptimisation … · système de gestion et de pilotage commande du...
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Participants au projet : Olivier GERGAUD (thèse soutenue 9 déc. 02)Bernard MULTONHamid BEN AHMEDDominique MILLERGaël ROBIN (thèse en cours)
MMODÉLISATIONODÉLISATION ÉÉNERGÉTIQUENERGÉTIQUE ET ET OOPTIMISATIONPTIMISATION ÉÉCONOMIQUECONOMIQUED’UND’UN SSYSTÈMEYSTÈME DEDE PPRODUCTIONRODUCTION ÉÉOLIENOLIEN ETET PPHOTOVOLTAÏQUEHOTOVOLTAÏQUE
CCOUPLÉOUPLÉ AUAU RRÉSEAUÉSEAUETET
AASSOCIÉSSOCIÉ À UNÀ UN AACCUMULATEURCCUMULATEUR
GdR « Energie décentralisée » 27-28 janvier 2003 TOULOUSE
Quelques rappels de la présentation du 21 juin 2002 (GdR Cachan)
Résultats d’optimisation dans différentes configurations
Poursuite des travaux
Validation énergétique globale
Système de gestion et de pilotage
Commande du niveau de tension de batterie
Accumulateurs PlombAccumulateurs Plomb--acideacide48V 48V -- 15kWh15kWh
Bus continuBus continu44V à 54V44V à 54V
Modules PV: 2kW crêtesModules PV: 2kW crêtes
Convertisseurs DC-DCMPPT
Transformateurs triphasés
+ redresseurs à diodes
AérogénérateursAérogénérateurs2*750Watts2*750Watts
Réseau 230V - 50Hz
ConsommateurConsommateur
ConvertisseurDC/AC
Mesure météoMesure météo
Centraled’acquisition
MS3~
Ω
turbine alternateur redresseur accumulateurs
vent
transformateur
distance 80m≅
=nominale_batVventP turbineP
inP m=0.343outP
fem 120Vp=8
48 V
1 2 3 4 5 6 7 8 90
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
Vbat= 48 V Transfo réel
Transfo Parfait
Simplifiée
Vw (m/s)
Puissance électrique
Pbat(Watts)
Pbat en fonction de VwExemple
Pbat2*10 panneaux ASE-100-GT-FT
DC DC
mppt
DC DC
mpptBus continu avecaccumulateurs
44V-54V
Vbat
Pbat
Es
Tj
ES
Tj
0 2 0 4 0 6 0 8 00
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0 M o d èleM esures
T ension (V o lt)
Pui
ssan
ce (
Wat
t)
Caractéristiques puissance/tensioncomparaison des mesures et du "modèle une diode" GROUPE 1.
200 400 600 800 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Puissance en entrée du convertisseur (Watt)
Ren
dem
ent (
%) Courbe moyenne
2101
1
KPKPP
ss
+⋅++=η
Caractéristiques des convertisseurs MPPT
Modélisation très complexe
Dispersion des caractéristiquesIdentification difficile
Dérives Vbat
nb.Rinb.Eb
Ibat
Modèle du CIEMAT
[ ] ( )TEDCIC
InEDCnV
bat
batbbdbat ∆⋅−⋅
++
+⋅⋅−⋅+⋅= 007,0102,027,0
1
412,0965,1 5.13.110
_
)005,01()(67,01
67,1
9.0
10
10T
IIC
C
bat
bat ∆⋅+⋅⋅+
=
batibbbbat IRnEnV ⋅⋅+⋅=
bat
d
CQEDC −= 1
Limitation d’utilisation jusqu’au phénomène de gassingEDCMAX = 0.9
24 éléments au plomb en série - C10 = 320 AhAccumulateur électrochimique
Commande en puissance
⋅⋅+⋅=
=
batibbbat
bat
batbat
IRnEnVVPI
,0EDC batP
EDC
,E iR0 10 20 30 40 50 60 70
-60
-40
-20
0
20
40
60
temps (heure)
Cou
rant
(A)
0 10 20 30 40 50 60 70temps (heure)
0
-60
40
-40-20
20
cour
ant (
A)
60 Modèle CiematMesures
Commande en tension
ib
bbatbat Rn
EnVI⋅
⋅−=
EDC
,E iR
,0EDC batV
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0
- 8 0
- 6 0
- 4 0
- 2 0
0
2 0
4 0
6 0
8 0
te m p s (h e u re )
Co
ura
nt
(
0
-60-40-20
80
20
6040
-80
cour
ant (
A)
0 10 20 30 40 50 60 70temps (heure)
Modèle CiematMesures
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Pertes JouleRendement coulombien
( )
−⋅+
−= 155,0
73,20exp1
10
_ EDC
IIbat
ccbη
1_ =dcbη
décharge charge
État de charge
nb.Ri(Ω)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10
0,2
0,4
0,6
0,8
1
CHARGE
DÉCHARGE
1kW
3kW2kW
4kW
Zone Optimale
Pbat
État de charge
Rendement énergétique global
Ren
dem
ent
VW (m/s)
Tp (°C)
Es (W/m²) 0 8h 9h 12h 13h 20h 21h 24h
1450W
120W
Pconso sur une journée
Réseau secouru
Réseau Principal
OnduleurTRACE
0 9h30 47h30 70h
Commande coupure réseau sur la durée du relevé
1
Coupureréseau
AccumulateurProducteurSolaire
ProducteurEolien
PPV
PW
Pbat
Onduleurréversible
MesureProduction
Temps de calcul : 8600 pts ≈200 secondes
VW (m/s)
Tp (°C)
Es (W/m²) 0 8h 9h 12h 13h 20h 21h 24h
1450W
120W
Pconso sur une journée
Réseau secouru
Réseau Principal
OnduleurTRACE
0 9h30 47h30 70h
Commande coupure réseau sur la durée du relevé
1
Coupureréseau
AccumulateurProducteurSolaire
ProducteurEolien
PPV
PW
Pbat Onduleurréversible
Modélisation et validation énergétiqueModélisation et validation énergétiquedu système sur 70 heuresdu système sur 70 heures
Mesures Simulation Production solaire 25.1 kWh 25.5 kWh Production éolienne 0.5 kWh 1.5 kWh Énergie transitée par la batterie 18.1 kWh 19 kWh Énergie consommée par le réseau secouru 19.4 kWh 19.4 kWh Énergie fournie par le réseau principal -1.9 kWh -3 kWh
Producteuréolien
Producteursolaire
Accumulateur
Consommateur
Fournisseur réseauprincipal (EDF)
Onduleur
Utilisateur
Optimisation des transferts énergétiqueset du dimensionnement avec critère économique
Développement d’un formalisme économique
)()()()( tCtCtCtC UEI ++=Coût de l’énergie (produite ou consommée) :
Pour la production solaire : (pas d’usure liée à la production, coût énergétique nul)
tP
NtPCtC PVpPVaPVpPVIPV ⋅
⋅+=
8766),,,()( _
__β
δ
)(8766
)( 10 tAmtCCtC I
II ⋅⋅+=Coût d’investissement :
ττγβ∆⋅⋅+⋅= ∑
t
U xtCtC0
max )(8766
)()(Coût d’utilisation :
∑ ∆⋅⋅=t
E xtxsignextC0
max )(])),((,[)( ττταCoût énergétique :
Pour le réseau : ( βG = coût d’abonnement)
∑ ∆⋅⋅⋅+⋅+=t
GGGGpGGpG
aGpGIG PAPsignePtP
NtPCtC0
__
__ )()(])),((,[8766
)(),,,()( τττττα
βδ
6 €/Wc et 0,1 c€/Wc/an
Pour le stockage : (coût énergétique nul)
Pour l’onduleur : (seulement investissement)
Pour le système complet :)()()()()()( tCtCtCtCtCtC GconvbWPVTot ++++=Coût total :
Pour la production éolienne : (coût énergétique nul)
Optimisation minimisation de CTot sur une période T (15 ans)
≤
≤
≤
≤+++=
convpconv
bpb
GpG
bpb
GbPVWconso
PtP
PtP
PtP
EtEtPtPtPtPtP
_
_
_
_
)(
)(
)(
)()()()()()(Contraintes :
],0[ Tt∈∀
10 €/Wc (petit éolien cher)et 1 c€/kWh/an
7,72210
2__
_
=⋅
=⋅⋅
=pbpp
b NENbatterietotalCoûtγττ ∆⋅=⋅⋅ ∑
t
bbpp PEN0
_ )(2 c€/kWh
ττγδ ∆⋅⋅+= ∑t
bbabpbIb PNtPCtC0
__ )(),,,()(
30 40 50 60 70 801000
10000
Courbe réelle [MES 99]
Profondeur de décharge en %
Nom
bre
de c
ycle
s3000
5000
7000
Coût de cyclage
Hypothèse : (Nombre de cycles)*(Profondeur de décharge) = Np = Constante
Courbe Np constant (Np=1350)
Coût d’investissement :CT_b = 210 €/kWh
Batterie
100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
5
10
15
20
25
30
Coû
t (k€
)
Distance de raccordement (m)
25)0,0,,( __ ≈tPC GpGI k€/km
3 6 9 12 15 18 24 30 3623,1658,96
116,23166,77217,31267,84
447,24
626,65
806,05
-Pp_G 0 Pp_G
4,42
10,3212,58
3 kVA
ACHATVENTE
Puissance fournie ou reçue par le réseau
αG en c€
Coû
tde
l’abo
nnem
ent
βG en €
Puissance souscrite en kVA
∑ ∆⋅⋅⋅+⋅+=t
GGGGpGGpG
aGpGIG PAPsignePtP
NtPCtC0
__
__ )()(])),((,[8766
)(),,,()( τττττα
βδ
Réseau
(Sans stockage, en production au fil du soleil : 15,2 c€/kWh)
Dimensionnements et optimisations énergétiquesDimensionnements et optimisations énergétiques
sans production locale (mais avec stockage)
fonctionnement autonome
Système complet : éolien + solaire + stockage + réseau
DonnéesConsommationEnsoleillementVitesse du vent
Température ambiante
Modèles technico-économiques
Approche systématique
Dimensionnement
Flux d’énergie
SolutionsOptimisation
3 configurations types :3 configurations types :
Données horaires sur 15 anscos φ = 1
Consommation = Données Enertech sur 1 an reproduit 15 fois
Données Météo France sur 15 ansEnsoleillementVitesse du vent
Température ambiante
0 50 100 150 200 250 300 3500
1
2
3
4
temps (jours)
Con
som
mat
ion
(kW
)
50 100 150 200 250 300 3500
200
400
600
800
1000
Enso
leill
emen
t (W
/m²)
temps (jours)168 169 170 171 172 173 1740
200
400
600
800
1000
Jour de l’année
Enso
leill
emen
t (W
/m²)
temps (heures)
Con
som
mat
ion
(kW
)
0h 24h 24h12h12h
1
2
3
4
0
Accumulateur
Consommateur
Utilisateur
Fournisseur réseauprincipal (EDF)
Onduleur
0 3 6 9 12 15 18 21 240
1
2
3
4
5
6
Temps (heure)
P con
so(k
W)
Sans production locale
Intérêts :Diminuer le coût d’abonnement
Diminuer le dimensionnement de la connexion
Pour le réseau : stockage décentralisé
Puissance nécessaire 6 kVA
Puissance maxisouscrite 3kVA
Ecrêtage
Puissance moyennejournalière
Lissage
0 3 6 9 12 15 18 21 24-3
-2
-1
0
1
2
3
4
temps (heure)
Puissance batterie calculéePuissance recharge possible
0 3 6 9 12 15 18 21 24-2
0
2
4
6
8
Ener
gie
écha
ngée
(kW
h)
Pas de limitation de la puissance de recharge
P bat(k
W)
temps (heure)
6 kWh
Limitation de recharge à 1kW
temps (heure)
P bat(k
W)
Ener
gie
écha
ngée
(kW
h)
temps (heure)
0 3 6 9 12 15 18 21 24-3
-2
-1
0
1
2
3
4Puissance batterie calculéePuissance recharge possible
limitation de recharge, Pch
0 3 6 9 12 15 18 21 24-2
0
2
4
6
8
4 kWh
Ecrêtage à 3 kW
0 3 6 9 12 15 18 21 24-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Temps (heure)
P bat
(kW
)Puissance batterie optimalePuissance batterie possible
Optimum = Répartition de la charge sur tout l'intervalleOptimisation des niveaux de chaque palier
tarifs de rachat de l’énergie inférieurs au tarif de venteintérêt économique insuffisant par rapport au gain sur l’abonnement
à stocker de l’énergie pour la revendre ensuite
Calcul systématique du coût pour tous les triplets (Ep_b, Pp_PV , Pp_W,)
Délestage en cas de surcharge ou sous-charge batterie
Flux énergétiques imposés par la production et la consommation
Autonome (sans réseau)
Producteuréolien
Producteursolaire
Accumulateur
Consommateur
Utilisateur
Onduleur
Dimensionnement optimal = solution à coût minimal
100 110 120 130 140 150 160Coût en k€
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200P p_W = 0 W
Puissance crête PV installée (kW)
Cap
acité
de
stoc
kage
(kW
h)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200P p_W = 1200 W
Puissance crête PV installée (kW)
Cap
acité
de
stoc
kage
(kW
h)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200P p_W = 2400 W P p_W = 3900 W
Puissance crête PV installée (kW) Puissance crête PV installée (kW)
Cap
acité
de
stoc
kage
(kW
h)
Cap
acité
de
stoc
kage
(kW
h)
7,2 kW
120 kWh
Production solaire Production éolienne Production totale
Énergie délestée Énergie produite
56%81000 kWh
44%64000 kWh
65%13000 kWh
35%7000 kWh
57%94000 kWh
43%71000 kWh
La connexion réseau permettrait :La revente du surplus d’énergieL’exploitation à 100 % des systèmes de productionLa mutualisation des ressources (production et stockage)
avec d’autres producteursDe dimensionner le système plus raisonnablement
Origine de l’énergie alimentant le consommateur
Energie provenant du réseauEnergie provenant des systèmes de production
57 %
43 %
Producteuréolien
Producteursolaire
Accumulateur
Consommateur
Utilisateur
Fournisseur réseauprincipal (EDF)
Onduleur
Pp_PV = 2 kWPp_W = 1,5 kWEp_b = 15 kWh
Avec batterie en mode floating :
Système complet
Origine de l’énergie alimentant le consommateur
Energie provenant du réseauEnergie provenant des systèmes de productionEnergie provenant de l’accumulateur
30 %44 %
26 %
Avec exploitation maximale du système de production locale
Comparaison des coûts
Floating Gestion optimaleInvestissement
Exploitation
Total
34.8 k€ 35.5 k€4.3 k€ 7.1 k€39.2 k€ 42.7 k€
Surcoût dû au cyclage, nécessité de moyens de stockage à plus grande cyclabilité
Suite (travaux en cours et envisagés) :
- travaux en cours : prise en compte de l’aspect aléatoire desressources et de la consommation
- intégration de prévisions météo dans la boucle
- étude de l’intérêt d’un stockage décentralisé pour le réseau
- recherche des fonctions de corrélation entre caractéristiquesmétéo sur site de mesure et sur site d’exploitation
- étude d’autres systèmes multisources…
Modélisation et validation énergétique du systèmeModélisation et validation énergétique du système
0 10 20 30 40 50 60 700
500
1000
0 10 20 30 40 50 60 700
20
40
60
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
0 10 20 30 40 50 60 700
1000
2000
0 10 20 30 40 50 60 700
200
400
0 10 20 30 40 50 60 700
500
1000
1500
0 10 20 30 40 50 60 70
-1000
0
1000
0 10 20 30 40 50 60 70
-1000
0
1000
2000
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
Ensoleillement(W/m²)
Températuredes panneaux
(°C)
Vitesse du vent(m/s)
Puissance PV(W)
Puissanceéoliennes
(W)
Puissanceréseau secouru
(W)
Puissanceréseau principal
(W)
temps (h)
Puissancebatterie
(W)
Fonctionnement autonome
0 10 20 30 40 50 60 700
500
1000
0 10 20 30 40 50 60 700
20
40
60
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
0 10 20 30 40 50 60 700
1000
2000
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 00
2 0 0
4 0 0
0 10 20 30 40 50 60 700
500
1000
1500
0 10 20 30 40 50 60 70
-1000
0
1000
0 10 20 30 40 50 60 70
-1000
0
1000
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
temps (h)
Ensoleillement(W/m²)
Températuredes panneaux
(°C)
Vitesse du vent(m/s)
Puissance PV(W)
Puissanceéoliennes
(W)
Puissanceréseau secouru
(W)
temps (h)
temps (h)
Puissanceréseau principal
(W)
temps (h)
Puissancebatterie
(W)
Fonctionnement autonome
SIMULATIO
NS
SIMULATIO
NS
MESURES
MESURES
0 1 0 2 0 3 0 4 0 50
5 0 0
1 0 0 0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 50
1 0 0 0
2 0 0 0
0 10 20 30 40 5
1000
0
1000
2000
E nso leillem ent(W /m ²)
P uissance P V(W )
P uissancebatterie
(W )
Délestage en mode autonome :
Mesures
Simulations
0 1 0 2 0 3 0 4 00
0
0
0 1 0 2 0 3 0 4 00
0
0
0 1 0 2 0 3 0 4 00
0
0
0 1 0 2 0 3 0 4 0
0
0
0
E n s o le i l le m e n t( W /m ² )
P u is s a n c e P V( W )
P u is s a n c eé o l ie n n e s
( W )
P u is s a n c eb a t te r ie
( W )
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0
9 0 0
1 0 0 0
N ( t r /m in )
Pu
iss
an
ce
(W
V b a t= 4 4 V
V b a t= 5 4 VV b a t= 4 8 V
V w = 4 m / sV w = 5 m / s
V w = 6 m / s
V w = 7 m / sV w = 8 m / s
V w = 9 m / s
2 3 4 5 6 7 8 90
0.2
0.40.6
0.81
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Vw (m/s)
P W/P
W48
V
Vbat=44V
Vbat=54V
Vbat=48V
Préseau (kW)
Ren
dem
ent moyenne
modèle
0 1 2 3 4
0,6
0,8
0,4
1
Rendement onduleur
211101
/
1
1
KPKPP
DCDC
DCAC
+⋅++=η
En mode AC-DC (redresseur) En mode DC-AC (onduleur)
Pdc (kW)
Ren
dem
ent
0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
moyenne
modèle
2212021
1
KPKP
Pηreseau
reseau
DC/AC
+⋅++=
top related