répartition des moyens complémentaires de production et de stockage dans les réseau faiblement...

8/2/2019 rpartition des moyens complmentaires de production et de stockage dans les rseau faiblement interconnects ou isols

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THSEPour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSIT DE GRENOBLESpcialit : Gnie Electrique

Arrt ministriel : 7 aot 2006

Prsente par

Thang VU

Thse dirige par Christian SCHAEFFER etcodirige par Xavier LE PIVERT

prpare au sein du Laboratoire des Systmes Solaires(CEA/INES)dans l'cole Doctorale Electronique, Electrotechnique,Automatique et Traitement du Signal (220)

Rpartition des moyenscomplmentaires de productionet de stockage dans les rseauxfaiblement interconnects ouisols

Thse soutenue publiquement le 14 Fvrier 2011 ,devant le jury compos de :

M, Christian, SCHAEFFERProfesseur des universits, Prsident

M, Xavier, LE PIVERTIngnieur Chercheur, Membre

Mme, Corinne, ALONSOProfesseur des universits, Rapporteur

M, Gilles, NOTTONMaitre de Confrence HDR, Rapporteur

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Rsum/Abstract

Rpartition des moyens complmentaires de production et de stockage dans

les rseaux faiblement interconnects ou isol

Cette thse se situe dans le cadre des tudes des rseaux isols ou faiblement interconnects

(puissance change limite), aliments principalement par les sources dorigine renouvelable. Afin

dquilibrer chaque instant entre la production et la consommation, des groupes lectrognes ou

des systmes de stockage sont insrs.

Les travaux porteront sur deux grands objectifs. Le premier est de dterminer une mode de

fonctionnement des moyens de stockage et de production afin dexploiter le systme cot minimal

en fonction des conditions mtorologiques (prvision de la production renouvelable), tarifaires et

de la consommation. Une optimisation avec les contraints du rseau est aussi dveloppe. Le

deuxime objectif est la recherche des meilleurs endroits pour l'installation de ces moyens sur le

rseau. Une bonne localisation permet de rduire les pertes de lignes et damliorer la qualit de

tension, ce qui aide limiter de renforcer le rseau aux certains points critiques. Le concept de

stockage rparti (ou dcentralis) sera introduit. La rpartition de la capacit globale de stockage et

le choix des paramtres de fonctionnement des onduleurs (pour rpartir les appels de puissance)

sont proposs. Les simulations sur un cas dapplication permettent de valider les outils dvelopps

Distribution of supplementary means of generation and storage in weakly

interconnected or isolated network

This thesis concern isolated or weakly interconnected networks (limited power exchanged), powered

essentially by renewable sources. To balance at any time between production and consumption,

generators and storage systems are inserted.

The work will focus on two main objectives. The first is to determine an operation mode of the

generators and storage system at minimal cost depending on the weather (forecast of renewable

generation), pricing and consumption. Optimization with network constraint is also developed. The

second objective is to find the best places to install these resources on the network. A good location

helps reduce line losses and improve voltage quality, which helps limit to reinforce the network at

critical points. The concept of distributed storage (or decentralized) is introduced. The distribution of

the overall storage capacity and choice of operating parameters of the inverters (to share the

demanded power) are proposed. The simulations on an application case help to validate the

developed tools.

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Remerciements

Avec ce mmoire qui vient clturer trois annes de recherche au sein du Laboratoire des

Systmes Solaire lInstitut National de lEnergie Solaire (INES), je tiens remercier tous ceux qui ont

contribu laccomplissement de ce travail, et qui ont marqu, par leur prsence, une tape

essentielle de ma vie.

Meilleurs salutations aux membres du jury de thse, Mme Corinne Alonso, M. Gilles Notton,

M. Marc Petit et M. Tran Quoc Tuan pour lhonneur quils montfait de participer lvaluation de

mon travail.

Enorme reconnaissance mon directeur de thse M. Christian Schaeffer pour ses conseils

judicieux, mon encadrant Xavier Le Pivert pour sa disponibilit, sa patience et surtout son

inspiration.

Infinie gratitude mes amis Benjamin et Cdric pour leurs aides dans la rdaction du

manuscrit ; Herv, Cdric, Fanny et Sylvain les conseils, remarques pour ma prsentation orale.

Grands remerciements mes amis Long, Kien, Vi, Lien pour leurs multiples aides dans ma vie

quotidienne et le jour de ma soutenance.

Cordiaux sentiments tous mes collgues du laboratoire, chercheurs, ingnieurs, techniciens,personnels administratifs, thsard et stagiaires, en particulier Nicolas, Herv, Franck, Olivier, Sylvain,

Pierre, Pascale, Camille, Kelly pour lambiance aussi professionnelle que chaleureuse cre au

laboratoire.

A mes parents pour leur dvouement, ma surpour son encouragement.

A ma femme Nhu pour son amour.

A Celui qui tait, qui est et qui vient

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Table des matires

INTRODUCTION GENERALE 5

CHAPITRE 1 9

I. ELECTRICITE EN ZONE RURALE 11

A. QUELQUES FAITS ET SCENARIOS 11

B. ELECTRIFICATION RURALE 11

C. DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE PRODUCTION 13

D. EXEMPLES PROJETS DELECTRIFICATION RURALE PHOTOVOLTAQUE DANS LE MONDE 14

E. LES ARCHITECTURES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION 15

II. PRODUCTION DECENTRALISEE DENERGIE 17

A. LA DECENTRALISATION DES SOURCES DE PRODUCTION 17B. SOURCES DE PRODUCTION RENOUVELABLES 18

C. LENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAQUE 19

D. LES SURCOUTS TECHNIQUES LIES A L'INTERMITTENCE 20

E. EFFETS SUR LA TENSION 21

F. INTERET DU STOCKAGE DE LENERGIE 21

III. STOCKAGE DENERGIE 22

A. LES TECHNOLOGIES DE STOCKAGE 22

B. LES ROLES DU STOCKAGE DE LENERGIE 24

C. VERS UN SYSTEME DE STOCKAGE DECENTRALISE 25

D. EXEMPLE DU STOCKAGE DECENTRALISE 26

IV. DECENTRALISATION DU STOCKAGE ET DE LA PRODUCTION 26

A. PROBLEMATIQUE 26

B. OBJECTIFS 27

CHAPITRE 2 29

I. INTRODUCTION 31

II. PRINCIPAUX COMPOSANTS DU SYSTEME ETUDE 32

A. GROUPE ELECTROGENE 32

B. DELESTAGE DE CHARGE NON PRIORITAIRE 34C. SYSTEME DE STOCKAGE 35

III. MINIMISATION DU COUT DE FONCTIONNEMENT 36

A. CONTEXTE 36

B. HYPOTHESES 37

C. TYPOLOGIE DU PROBLEME 38

D. ALGORITHMES DE CONDUITE DE RESEAU 38

E. ADAPTATION DE LALGORITHME AU CAS DETUDE. 39

F. MODELISATION DU SYSTEME 40

G. MISE EN EQUATION 42

IV. APPROCHE DE RESOLUTION 46

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A. SYNTHESE ET CHOIX DES METHODES DE RESOLUTION 46

B. METHODE DE RESOLUTION 47

V. APPLICATION ET RESULTATS 50

A. LES HYPOTHESES DE SIMULATION 50

B. DIFFERENTES CONFIGURATION 53C. OBSERVATION GENERALE 57

VI. CONCLUSION 59

CHAPITRE 3 61

I. FONCTIONNEMENT DU REGLAGE PRIMAIRE DANS UN MICRO-RESEAU 63

A. INTRODUCTION 63

B. FLUX DE PUISSANCE ACTIVE ET REACTIVE 64

C. CONTROLE DE FREQUENCE ET TENSION DES RESEAUX EN HAUTE TENSION 65

D. CONTROLE DE FREQUENCE ET TENSION DES RESEAUX EN BASSE TENSION 66

II. PROBLEMATIQUE DES PERTES JOULE 69

A. ETAT DES LIEUX 69

B. METHODE PROPOSEE 70

III. ETUDES PRELIMINAIRES DU PROBLEME EN CONSIDERANT DES HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES 71

A. ETUDE DU AU U UDS AVEC DEUX UNITES DE STOCKAGES 71

B. ETUDE DU AU NU AVC N UNITES DE STOCKAGE 75

IV. LOCALISATION DU STOCKAGE SUR LE RESEAU 77

A. CALCUL APPROCHE DE LA REPARTITION OPTIMALE DE CAPACITE DU STOCKAGE 77

B. CHOIX DE LALGORITHME 78C. PRESENTATION SUR LALGORITHME GENETIQUE 78

D. MI UV LALGORITHME GENETIQUE SOUS MATLAB 79

V. REPARTITION OPTIMALE DE LA CAPACITE DE STOCKAGE 82

A. OPTIMISATION AVEC LE MODELE SIMPLE DE RESEAU 82

B. OPTIMISATION AVEC LE MODELE COMPLEXE DE RESEAU 85

VI. SIMULATIONS ET RESULTATS 88

A. CONFIGURATION DU CAS DETUDE 88

B. RESULTATS ET ANALYSES 90

VII. CONCLUSION 93

CHAPITRE 4 95

I. CALCUL DE REPARTITION DES CHARGES (LOAD FLOW) 97

A. MODELISATION DU RESEAU 97

B. PRINCIPE DE LA RESOLUTION DU CALCUL DE LA REPARTITION 99

C. LES LIMITES DE FONCTIONNEMENT DU RESEAU ELECTRIQUE 101

II. REPARTITION DU FLUX DE PUISSANCE OPTIMAL 102

A. MODELE DU RESEAU ELECTRIQUE 102

B. PROBLEME DE FLUX DE PUISSANCE OPTIMAL 103C. FORMULATION DU PROBLEME 103

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D. MISE EN EQUATION DU PROBLEME 105

E. CLASSIFICATION DES METHODES DE RESOLUTION DU PROBLEME OPF 107

III. SIMULATIONS ET RESULTATS 107

A. HYPOTHESES DE SIMULATION ET TOPOLOGIE DU RESEAU 107

B. RESULTATS 109IV. CONCLUSION 113

CHAPITRE 5 115

I. INTRODUCTION 117

II. RESEAU ELECTRIQUE DE CORSE 118

A. PRESENTATION GENERALE 118

B. CONSOMMATION 119

C. PRODUCTION 120

D. PREVISION 121

E. LES PROBLEMES DE LA CORSE 122

III. MODELISATION DU RESEAU DE CORSE 124

A. HYPOTHESE ET OBJECTIFS DE SIMULATION 124

B. TOPOLOGIE ELECTRIQUE 124

C. CARACTERISTIQUE DE LA CONSOMMATION 125

D. REPARTITION DE PRODUCTION 128

E. STOCKAGE 129

IV. RESULTATS ET OBSERVATIONS 129

A. SIMULATION POUR 2011 130

B. SIMULATION POUR 2015 134

V. CONCLUSION 137

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 139

BIBLIOGRAPHIE 141

ANNEXE 147

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Introduction gnrale

e nos jours, l'lectricit est une ressource essentielle et vitale pour lhomme :

lapprovisionnement en nourriture et en eau, le chauffage, la climatisation, lclairage, la sant, les

communications, le transport, linformatique en dpendant ainsi que les divertissements qui

deviennent de plus en plus importants dans la vie moderne.

Laccs lnergie et lapprovisionnement fiable en lectricit sont des lments cls quisoutiennent le dveloppement conomique local. Les rseaux dnergie, structures vastes et

complexes, ont le rle dacheminer llectricit depuis les centres de production jusquaux lieux de

consommation souvent sur de longues distances. Cependant dans beaucoup de rseaux lectriques,

la croissance de la demande dlectricit ne saccompagne pas en parallle dune augmentation des

capacits de transport et de production. Par exemple, lextension des rseaux vers les zones rurales

ou la construction des nouveaux rseaux aux sites lointains rencontre des contraintes conomiques

importantes. ncore 20% de la population na pas accs llectricit. Pour les rseaux isols ou en

milieu insulaire, il existe souvent un manque doffre de production.

Dans le contexte de forte mutation des rseaux de distribution lectrique avec une arrivemassive de producteurs dcentraliss pour satisfaire lquilibre doffre et demande, les activits de

recherche sur linsertion de moyens de stockage dnergie dans ces rseaux, notamment en milieu

insulaire ou isol, ont dbut depuis quelques annes.

Le plus souvent, les systmes de stockage sont centraliss. Les travaux prsents dans cette

thse ont pour objectif dapprofondir le concept de dcentralisation du stockage sur le rseau. Une

partie importante de cette thse est de dvelopper les algorithmes qui permettent de trouver la

bonne localisation pour ces units de stockage dcentraliss. Nous proposons aussi la mthode pour

rpartir dune capacit de stockage centralis en plusieurs units rpartis.

Les avantages du stockage de lnergie dcentralis concernent la fois les fournisseurs

dlectricit et les consommateurs :

le stockage peut tre install proximit du consommateur, do une baisse des cots

de transport et de distribution, ainsi quune diminution de pertes lectriques avec une

localisation et une rpartition optimale de la capacit de stockage ;

augmenter la continuit de service en cas de pannes des moyens de production (trs

frquentes pour les groupes de production de petite taille dans les rseaux isols ou

insulaires) ;

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la possibilit de retarder des renforcements (changement de cbles, construction de

nouvelles lignes, construction de nouveaux postes source) en cas dvolution rapide de

la consommation

Cependant, avant de trouver la bonne localisation et rpartition de la capacit de stockage,

nous devons dterminer tout dabord comment grer son fonctionnement. ans ce contexte, un

autre objectif de la thse est de dvelopp un outil qui permet de donner un plan de

fonctionnement optimis du stockage en termes de cot. Les moyens de productions du rseau

peuvent tre pris en compte dans cet outil. Avec des hypothses de tarification dynamique, les

moyens de production et le stockage peuvent participer loptimisation conomique de

lexploitation des rseaux. Le fonctionnement de ces rseaux devra tenir compte du contexte de

lmergence de nouvelles technologies de lnergie telles que les nergies renouvelables.

Pour satisfaire la demande ou pour pallier lintermittence des sources renouvelables, loutil

doptimisation dvelopp choisit les units de production/stockage selon leurs cots dexploitation.

Il peut ventuellement complter la capacit de production par des importations extrieures, ouinversement (exportations dlectricit) si le rseau est interconnect. i nous avons besoin dune

simple gestion du stockage sans faire appel loutil doptimisation conomique, nous prsentons

aussi dans cette thse la gestion du stockage dcentralis par le rglage en frquence/puissance

active.

Cependant, les rseaux sont soumis des rgles de fonctionnement strictes, qui obligent les

exploitants des centres de conduite les faire fonctionner dans leurs limites de scurit. Ces limites

sont dfinies en fonction de la tenue thermique des lments, mais aussi de leur tenue en tension et

des contraintes de stabilit du rseau. Considrant que les critres conomiques sont ncessaires

mais pas suffisants, des tudes techniques de fonctionnement (contraintes de scurit du rseau)permettent dans un second temps de la thse, de complter loutil doptimisation et dliminer

notamment certaines solutions non faisables. On peut aboutir ainsi des solutions optimales sur ces

deux critres.

Cette thse est organise en cinq chapitres:

Dans le premier chapitre, nous prsentons plus en dtail le contexte de llectricit en zones

rurales. ous analysons ensuite la dcentralisation de la production et du stockage dnergie. Ceci

permettra de mieux comprendre linfluence de leur insertion sur le fonctionnement du rseau.

Dans le deuxime chapitre, nous commenons par la modlisation des lments de notresystme et la prsentation des hypothses de tarification dynamique. Nous proposons ensuite un

outil doptimisation conomique qui permet de dfinir un plan de fonctionnement pour les moyens

de production et/ou de stockage cot dexploitation minimal.

Le chapitre 3 montre tout dabord le mode de fonctionnement en rglage en

puissance/frquence des onduleurs des units de stockage dcentralises pour une gestion simple.

ous dveloppons ensuite une mthode permettant de diminuer les pertes en lignes et damliorer

la qualit du rseau grce une localisation optimale de ces units de stockage et des autres

moyens de production. Nous illustrons ces localisations sur le cas du rseau dun petit village de

Guyane, en examinant trs attentivement la rduction des pertes.

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Linfluence des contraintes de fonctionnement sur loptimisation conomique feront lobjet

du chapitre 4. Le calcul de rpartition des flux de puissances de charge (Load Flow) pour une

configuration de rseau donne et le calcul dune configuration optimale technique et conomique

(Optimum Power Flow) sont aussi prsents.

Enfin, le cinquime chapitre sera consacr une validation des outils dvelopps sur lerseau lectrique Corse, de type insulaire.

Nous clturons cette thse par un regard critique sur nos travaux (apports et limitations des

outils dvelopps), ainsi que les perspectives que nous envisageons.

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Chapitre 1

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REPARTITION DES MOYENS COMPLEMENTAIRES DE PRODUCTION ET DE STOCKAGE DANS LES RESEAUX FAIBLEMENT INTERCONNECTES OU ISOLES - Chapitre 1

11

I. Electricit en zone rurale

A. Quelques faits et scnarios 1,6 milliard de personnes dans le monde n'ont pas accs l'lectricit dans leurs foyers, soit

plus d'un quart de la population mondiale.[1]

Quatre personnes sur cinq vivent sans lectricit dans les zones rurales des pays en

dveloppement, en particulier dans les zones urbaines priphriques et les zones rurales

isoles.

Le manque d'lectricit prive les gens des besoins fondamentaux tels que la rfrigration,

l'clairage et la communication ce qui, en consquence, entrave le dveloppement.

Le changement climatique a t reconnu lors du Sommet de G8 Gleneagles comme un

grand dfi long terme qui est susceptible d'affecter toutes les parties du globe. Si nouscontinuons sur les politiques actuelles lies l'nergie, lmission globale de CO2 devrait

augmenter de 52 % entre 2003 et 2030 [2]

Les consquences des changements climatiques (scheresse, inondations, ouragans, etc.)

affectent en premier les pays en voie de dveloppement. La plupart des grandes

catastrophes naturelles de ces dernires annes ont t concentres dans les zones les

moins dveloppes de la plante, mme si ces dernires ne sont responsables que dune

part relativement limite des missions mondiales de CO2 (37%)[3].

Pour les pays en dveloppement, la dpendance des importations d'nergie a un grand

impact sur leurs conomies. Certains d'entre eux consacrent jusqu' 50% de leurs excdents

commerciaux limportation dnergie. ur les 47 pays ayant des revenus par habitant

infrieurs 2 dollars par jour, 38 sont des importateurs nets de ptrole, parmi lesquels 25

importent la totalit de leur consommation.

La demande mondiale d'lectricit devrait doubler d'ici 2030. Ceci provient

essentiellement de la croissance des pays en dveloppement o le taux de dveloppement

de llectrification est bien suprieur la croissance de la population [4].

Un investissement total de 8,1 billions de dollars entre 2003 et 2030, soit une moyenne de

300 milliards de dollars par an, est ncessaire pour les pays en dveloppement afin de

satisfaire leurs besoins nergtiques dont l'lectricit reprsente environ 73%.

B. Electrification ruraleL'lectrification rurale est un processus qui consiste fournir l'nergie lectrique aux zones

rurales et loignes. L'lectricit est utilise non seulement pour l'clairage et llectromnager,

mais elle permet aussi la mcanisation de nombreuses exploitations agricoles, telles que le battage,

la traite et le stockage de crales, par consquent une plus grande productivit un cot rduit.

Parmi les 1,6 milliard de personnes qui n'ont pas accs l'lectricit, 80% vivent dans les zones

rurales. En Afrique subsaharienne, seulement 9 % de la population rurale a accs l'lectricit.[5]

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Electricit en zone rurale

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ans le monde rural, llectrification est considre comme un puissant facteur de

dveloppement socio-conomique. n effet, llectricit contribue lamlioration de la qualit de

vie. Les impacts sont positifs et nombreux :

Meilleur accs lducation : clairage et audiovisuel dans les maisons et les coles

Amlioration des conditions sanitaires:

o Limitation de lutilisation de la biomasse qui aggrave considrablement les pollutions

domestiques (infections respiratoires infantiles, maladies pulmonaires, etc.) du fait

dun taux dmission lev (CO2, CO, etc.)

o Mise en place de rfrigrateurs pour conserver les vaccins ou certains mdicaments

o Utilisation de pompes et de purificateurs deau.

Accroissement de lactivit conomique des villages concerns permettant de limiter lexoderural et la dsertification

Amlioration des problmes lis au manque de nourriture et la malnutrition grce une

augmentation des rendements de lagriculture apporte par la possibilit dirriguer (petites

pompes).

nfin, le gain de temps apport par lutilisation de llectricit pour les tches pnibles peut

tre utilis pour dautres activits productives amliorant ainsi le niveau de vie des populations.

Cependant, lextension des rseaux lectriques rencontre des contraintes conomiques

croissantes. Tout dabord, la demande dlectricit dans les zones rurales est relativement faible :usages essentiellement domestiques ou de petites industries. La consommation moyenne dans

certain village est souvent infrieure 30 kWh par mois par foyer. Ce qui rend impossible,

chance raisonnable, lamortissement des investissements de transport et distribution engags.

nsuite, le cot de la fourniture dlectricit est plus lev dans les zones rurales, soit du fait

des cots de production et de distribution dans le cas de lextension de rseau, soit des cots de

production dans le cas de production locale.

Llectrification rurale doit tre conue et optimise en termes de cots de la production

dlectricit. Cela implique la prise en compte de lusage efficace de llectricit dans l esquipements et appareils de consommation dans lvaluation des alternatives techniques.

Lassociation de techniques efficaces de consommation dlectricit et des technologies de

production adaptes la ressource locale et la taille des besoins, permet de dvelopper

llectrification rurale un cot conomique infrieur celui de lextension de rseau.

Les technologies sont actuellement largement disponibles mais prsentent encore un vaste

potentiel damlioration et de rduction des cots par la recherche & dveloppement et

laccroissement du march.

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C. Diffrentes technologies de productionLes groupes diesel de petite taille sont la technologie la plus rpandue. Des micro-rseaux

locaux peuvent utiliser des gnrateurs diesel fonctionnant au fuel ou des carburants drivs de la

biomasse (et oprant en cognration chaque fois que possible). Leurs plus gros avantages sont la

flexibilit, la gamme tendue de puissance possible et la simplicit de mise en uvre pour

llectrification rurale. Leurs inconvnients majeurs sont le prix du carburant, la maintenance et

aussi lmission de CO2. On constate quune grande partie des groupes diesel installs en zone rurale

sont en mauvais tat et subissent des pannes frquentes (exemple dans [6]).

Comme solution alternative, les systmes photovoltaques se sont dvelopps depuis les

annes 1980, notamment dans les iles pacifiques. Les premires installations ont rpondu aux

besoins primaires de petites communauts ou dindividuels. Aprs une trentaine dannes

dexprience, grce aux recherches dans les pays industrialiss, de nombreux projets

dlectrification rurale utilisant le photovoltaque bnficie des progrs de la technologie.

Particulirement pour les le, dans les tudes de [6, 7] ,les auteurs ont montr que le photovoltaque

est globalement moins cher quun groupe diesel (acquisition, installation, exploitation,

maintenance). Depuis, avec la diminution des cots des panneaux photovoltaques et

laugmentation du prix du carburant, ce gain est certainement plus important.

Lolien est relativement peu rpandu cause de la difficult dvaluation de son potentiel

de production : les campagnes de mesures longues et chres. Les contraintes climatiques et

logistiques sont deux facteurs qui pnalisent lolien pour llectrification rurale.

Lhydraulique est une solution intressante pour les lieux o les ressources sont disponibles.

Dans les zones rurales, lhydraulique a deux fonctions principales: production dlectricit ou de

puissance mcanique. Cette solution est simple mettre en uvre, fiable et ncessite peu

dentretien. Pourtant, elle a deux inconvnients : dpendance de la saison (pluviale ou non) et cot

trop variable (diffre selon le site dinstallation). Ces deux points rendent lhydraulique moins

favorable que les groupes lectrognes ou les panneaux photovoltaques.

Les solutions hybrides associant un groupe diesel avec le photovoltaque ou lolien sont un

compromis. Le groupe lectrogne sert pallier le manque de soleil ou de vent. Cependant, les

principaux inconvnients de ces hybridations sont la complexit de linstallation et de la

maintenance, ainsi que des cots dinvestissements levs.

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D. Exemples projets dlectrification rurale photovoltaque dansle monde

La Chine a lanc le China Township Electrification Program en 2001 pour fournir de

l'lectricit d'origine renouvelable 1000 communes, lun des plus importants programmes dans le

monde. Celui-ci est suivi par le China Village Electrification Program, en utilisant galement desnergies renouvelables, qui vise lectrifier 3,5 millions de foyers dans 10 000 villages en 2010, qui

sera suivie par de nombreux autres projets d'lectrification rurale jusquen 2015 [8].

Bien que la grande majorit des pays dvelopps soient couverts par un rseau lectrique, il

reste toujours des rgions non connectes, car trop distantes de ces rseaux. n France, avec laide

du gouvernement et des organisations comme lAM, les projets dlectrification avec PV

(photovoltaque) bnficient dun budget important. La puissance PV installe est plus importante

pour couvrir presque tous les besoins de llectromnager.

Le tableau suivant donne une liste non exhaustive quelques grands projets

Description

France :Nouvelle-Caldonie, Guadeloupe etMarie-Galante [9]ADEME[10]

Dbut 19853000 systmes installs500-1500W PV

Indonsie : projet 50 MW [11] Dbut 197850W PV1000000 SHS (Solar Home System)

Chine[8] Dbut 1997/199823-53W PV

Brsil : programme Luz Solar [12] Dbut 2002, dure 8 ans50 ou 100W PV pour 5500 SHS360-1000W PV, 20-70kWh pour 90 coles

Bolivie, Prou, Ecuador : Andeanprogramme [13]

Dbut 2001 budgets 7M euros50 ou 600 W PV, 210 kW au total1030 systmes installs

Inde[14] Dbut : 2001 Fin 200418W ou 37W ou 74W1-25kW par village2000 villages

Colombia

Kenya

Morocco

Mexico

Sri Lanka

Tunisia

Zimbabwe[15]

12 000 SHS

30 000 SHS20 000 SHS45 000 SHS5000 SHS3000 SHS5000 SHS

Tableau 1 Quelques projets dlectrification rurale photovoltaque dans le monde

Dans les pays en voie de dveloppement, ces projets sont souvent supports par des

cooprations internationales.

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Les Solar Home System (SHS) reprsentent une grande partie de ces projets (figure

suivante). Il existe quelques projets o les maisons sont connectes entre elles. Dans ce cas, le

systme se compose habituellement de gnrateurs PV centraliss, dun onduleur, dune batterie et

dun rseau local qui fournit llectricit chaque maison. La puissance crte totale est typiquement

infrieure 20 kW.

Figure 1- Energie solaire entre les pays dvelopps et les

pays en voie de dveloppementFigure 2- Energie solaire dans les applications rurales

La gestion de ce systme est, en thorie, semblable celle d'un rseau lectrique

conventionnel. L'utilisation du courant alternatif permet un grand nombre dapplications. on

seulement les radios et les tlviseurs, mais galement les appareils lectromnagers, les machines

et les outils lectriques peuvent tre pris en compte.

E. Les architectures de rseaux de distributionIl existe diffrentes faons pour alimenter en llectricit les habitants dun village en zone

rurale. Pour les zones forte densit et assez proche des zones urbaines ou priurbaines, la solution

est de les raccorder au rseau lectrique centralis prexistant. Ceci se ralise en gnral par la

construction dune ligne dextension en moyenne tension HTA (Haute Tension A, niveau de tension

de 20 kV).

Le rseau de distribution de llectrification rurale centralise utilise deux niveaux de

tension : la HTA et la BT (Rappel : HTB>50kV, HTA>1kV, BTB>500V, BTA>50V, TBT


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Figure 3- seau de distribution pour llectrification rurale centralise

Ce type darchitecture (voirFigure 3) permet dalimenter facilement et un moindre cot des

points de consommation de faible charge (environ 10 kVA) et largement rpartis gographiquement(environ 100 km). Cependant, les lignes doivent tre bien dimensionnes : il faudra tenir compte de

diffrentes contraintes lies la puissance maximale; lintensit conduisant lchauffement

maximal admissible des conducteurs, la chute de tension (contraignant sur un rseau rural), et les

pertes Joule.

Par contre, pour les zones loignes dun rseau prexistant, cette solution savre trop

coteuse. Les projets dlectrification rurale sorientent vers la ralisation dun micro -rseau

autonome adapt au village lectrifier. Lnergie lectrique est alors fournie par un centre de

production qui peut utiliser une combinaison de diffrentes sources dnergie primaires (groupes

lectrognes, nergie renouvelable, etc.). Cette solution peut toutefois tre complmentaire des

programmes dextension du rseau interconnect, par exemple la pr-lectrification pour les zones

o la demande est encore trop faible ou la micro-lectrification dans les zones isoles.

Ces solutions sont pour linstant particulirement mises en uvre pour des sites insulaires.

Elles sont gnralement bases sur un systme de production utilisant les nergies renouvelables et

les groupes lectrognes. Les charges desservies sont en gnral peu consommatrices dnergie.

n fonction du type de production et du type dlectrification, huit types de systmes pour

llectrification rurale dcentralise ont t dfinis comme le montre le tableau suivant [16]:

Catgorie de

systmes

Type Commentaires

Alimentation de

processus au fil

des EnR

1 Alimentation en direct des procds (uniquement lors de la prsence desoleil ou de vent), fourniture dune quantit dnergie sur une certainepriode

xemple dapplication : pompage deau.

2 Lutilisateur ne veut pas tre dpendantdes conditions climatiques : prsence de

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Systmes

dlectrification

individuelle (SEI)

stockage Lutilisateur gre lui-mmeson nergie mais risque de sepnaliser en cas de mauvaisegestion.

Alimentation AC ou DC ou lesdeux

3 Le groupe lectrogne (GE) reprsenteune source dappoint qui permet lutilisateur de ne pas tre dpendant de

conditions dfavorables pendant delongues priodes.

Prsence dun gestionnaire dnergie

Systmes

dlectrification

collective (SEC)

4 Microcentrale Energie Renouvelable +Stockage

Alimentation par un microrseau (structure radiale)

Habitat rural concentr

Garantie de disponibilit

dune quantit dnergie

quotidienne

Alimentation en AC (230 V)

Possibilit de gestion delnergie (en prvision du

lendemain)

5 Microcentrale hybride (EnR + GroupeElectrogne) + Stockage

Le GE permet de secourir des charges

sensibles.Couplage synchrone entre EnR et GE,Batterie tampon (fixe la tension en entrede londuleur alimentation du systmependant la mise en route du GE).

6 Microcentrale GE

Le GE fonctionne dans des plages horairesprdfinies

7 Microcentrale GE + StockageLe GE fonctionne dans des plages horairesprdfinies

Tableau 2Types de systmes pour llectrification rurale

II. Production dcentralise dnergie

A. La dcentralisation des sources de production

Actuellement, la plupart des pays industrialiss produisent de l'lectricit au moyen degrandes centrales utilisant des combustibles fossiles (charbon, gaz), dinstallations nuclaires ou

hydrolectriques. Ces systmes sont trs conomiques grande chelle, mais le transport de

l'lectricit sur de longues distances entraine des problmes.

La plupart des centrales sont construites en tenant compte d'un certain nombre de facteurs :

conomique, de sant, de scurit, logistique, environnemental, gographique et gologique. Par

exemple, les centrales au charbon sont construites loin des villes, pour limpact de la pollution de

lair sur la population. n outre, ces installations sont souvent construites proximit de mines de

charbon afin de minimiser son cot de transport. Les centrales hydrolectriques sont limites par

leur nature l'exploitation des sites avec un dbit d'eau suffisant.

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Production dcentralise dnergie

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Larchitecture centralise des systmes nergtiques que nous connaissons aujourdhui

rsulte dune volution historique qui a atteint son apoge dans le dernier tiers du XXe sicle. Cette

volution est marque par lloignement des lieux de production et de transformation de lnergie

des zones de consommation.

Le progrs des technologies, au niveau de la consommation comme de la transformation etde la production dnergie, permet de dcentraliser les systmes nergtiques et de favoriser

lclosion de lnergie rpartie dans de bonnes conditions conomiques [17].

La faible pollution est un avantage essentiel des centrales cycle combin au gaz naturel.

Cela permet ces centrales de se situer assez prs d'une ville pour tre utilises pour le chauffage

par exemple.

La plupart des centrales lectriques sont souvent considres comme trop loin pour que la

chaleur perdue soit utilise pour le chauffage des btiments. La production distribue est une autre

approche. Elle rduit la quantit d'nergie perdue dans le transport de l'lectricit parce quelle estproduite proximit du lieu o elle est utilise, voire dans le mme btiment. Cela rduit galement

la taille et le nombre de lignes haute tension qui doivent tre construites.

Les ressources nergtiques distribues (Distributed energy ressources - DER) sont des

systmes de production d'nergie petite chelle (typiquement de l'ordre de 3 kW 10.000 kW)

utiliss pour fournir une source alternative au rseau lectrique traditionnel. Le problme habituel

avec les gnrateurs distribus est leur cot lev. En l'tat actuel de la technique, la production

dcentralise prsente, par rapport la production centralise, les inconvnients suivants :

une participation faible ou nulle au rglage de la frquence et de la tension du rseau

lectrique,

une faible stabilit en cas d'incident majeur sur le rseau, une faible capacit participer la

reconstitution du rseau, un risque d'ilotage non matris,

pour certaines nergies comme l'olien ou le solaire, une forte intermittence, une faible

prvisibilit, une commandabilit faible ou nulle.

Les nergies dcentralises sont bien adaptes pour approvisionner les sites difficilement

raccordables au rseau (sites isols en montagne, les...). Cependant, en l'tat actuel de la

technologie, ces modes de production ne sont pas rentables compars aux quipements de grandetaille, pour les zones bien connectes au rseau.

B. Sources de production renouvelablesPendant dix ans, de 1998 2008, la production d'lectricit renouvelable dans le monde est

passe de 2794,9 TWh 3762,6 TWh, soit 967,6 TWh supplmentaires, presque deux fois la

production d'lectricit en France (en 2008). Dans le monde, l'hydraulique est la premire source de

production d'lectricit renouvelable : elle reprsente 86,3 % de la production renouvelable, bien

suprieure la biomasse (5,9 %) et l'olien (5,7 %).

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Figure 4- Pourcentage des sources de production renouvelable

La filire olienne a cependant un dveloppement impressionnant : la croissance moyenne

annuelle du secteur a t de 29,4 % entre 1998 et 2008. La barre des 100 000 MW installs dans le

monde a dj t franchie durant le premier semestre de lanne 2008, et le GWC (Global World

Energy Council) prvoit une puissance cumule de plus de 240 000 MW ds 2012. En Europe, la part

des nergies renouvelables augmente galement rgulirement. Elle est passe de 14,2 % en 1998

17 % en 2008, pour une grande partie grce l'olien. Sa croissance annuelle moyenne entre 1998et 2008 a atteint 26,6 % dans l'Union europenne.

En revanche, la croissance du secteur de la biomasse au niveau mondial a connu un lger

ralentissement entre 2007 et 2008 : 8,1 TWh supplmentaires ont t produits en 2008 par rapport

2007, contre 14,1 TWh entre 2006 et 2007.

Les autres filires renouvelables (solaire, gothermie, nergies marines) ont galement

progress, bien que leurs contributions la production d'lectricit soient trs faibles. Le solaire a

ainsi atteint en 2008 un niveau de production gal celui de l'olien en 1997. La capacit installe

dans le monde a franchi la barre des 10 000 MWc en 2008 et pourrait dpasser les 20 000 MWc en2010.

C. Lnergie solaire photovoltaqueLnergie solaire photovoltaque est un moyen intressant de rduire les cots de

distribution de llectricit dans certaines rgions. Particulirement disponible dans la plupart des

pays situs entre lquateur et les 45esparallles, cest une source dune fiabilit remarquable qui

prsente un bilan nergtique et environnemental favorable.

Lnergie solaire est une ressource relativement bien rpartie gographiquement, et donc

disponible en de multiples endroits. s lors, linstallation de cellules ou de modulesphotovoltaques peut produire llectricit sur place , proximit immdiate des besoins. Cest l

latout essentiel de llectricit solaire: elle permet dviter les cots de distribution inhrents aux

solutions conventionnelles, que ce soit lutilisation de groupes lectrognes aliments par nergies

fossiles (diesel, essence ou gaz), ou lextension dun rseau lectrique principal jusquau lieu de

consommation.

En effet, dans le premier cas, il est ncessaire de prendre en compte la disponibilit et le

cot dapprovisionnement du combustible jusquau site concern ainsi que la maintenance

priodique. ans le second cas, les cots de lextension ou du renforcement dune ligne

renchrissent de manire trs importante le cot du kWh, surtout si les besoins sont faibles. ilssont importants, lamortissement sur chaque kWh sera proportionnellement rduit. A lheure

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Production dcentralise dnergie

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actuelle, en fonction du march, le cot du kWh photovoltaque est environ de 3 10 fois plus lev

que celui atteint avec le gaz ou le nuclaire (une fois raccord au rseau), ce qui le handicape a priori

pour les puissances importantes.

Labsence de tout mouvement mcanique ou de circulation de fluide confre llectricit

photovoltaque une fiabilit exceptionnelle : les modules les plus vendus, base de silicium cristallin,font maintenant couramment lobjet de garanties de lordre de vingt ans, pour des dures de vie

escomptes largement suprieures. Le bilan nergtique est favorable, puisquun module

photovoltaque rend lnergie ncessaire sa fabrication en deux quatre ans dexposition au soleil,

selon sa technologie [18].

Le principal facteur limitant la faisabilit dun systme photovoltaque est la quantit

dnergie souhaite, qui doit correspondre aux possibilits de la ressource. Pour donner quelques

ordres de grandeur, des besoins dclairage se montant quelques heures par jour ncessiteront un

productible quotidien de quelques dizaines de Wh. Il correspond une surface de modules

photovoltaques nettement infrieure un niveau de confort moderne incluant : tlvision, hifi, etlectromnager, ou une installation de pompage pour une distribution deau qui demandera

plusieurs kWh, voire, dans certains cas, une dizaine de kWh par jour. Dans tous ces cas de figure, des

installations de lordre du m2 ou de la dizaine de m2 sont suffisantes, et celles-ci posent rarement des

difficults dintgration.

n revanche, lutilisation de llectricit solaire reste largement tendre pour des besoins

suprieurs, associs aux activits conomiques : cest le dfi en cours.

D. Les surcots techniques lis l'intermittence

Les cots techniques occasionns par l'intgration de sources d'nergie intermittentesdans les systmes lectriques sont lis au risque de non-disponibilit en priode de pointe et aux

besoins de rserves supplmentaires pour maintenir l'quilibre instantan entre offre et demande .

Les auteurs de larticle [19] confirment quen cas de pntration importante des sources non

programmables, les surcots techniques peuvent devenir significatifs pour le gestionnaire de rseau

de transport.

L'importance des surcots occasionns varie considrablement selon le mix de technologies

envisag, le niveau de pntration et la rpartition spatiale des units de production d'lectricit

renouvelable dans le systme lectrique. L'essentiel des cots supplmentaires serait occasionn par

la gestion de l'intermittence, dans une proportion de 66 100 % du surcot total [20].L'tablissement de la part de la production lectrique d'origine renouvelable au niveau de 10 20 %

se traduirait par des cots additionnels de 225 600 M/an, et de 300 750 M/an pour un niveau

de 30 %.

L'intgration massive de sources non-programmables gnre des cots supplmentaires

plusieurs niveaux :

Cots d'installation de rserves supplmentaires pour faire face la demande de

pointe (scurit du systme) cause dune proportion importante des sources

intermittentes

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Cots lis au besoin de disposer de rserves plus importantes pour maintenir en

temps rel l'quilibre entre consommation et production d'lectricit.

On estime gnralement que les surcots occasionns par le dveloppement des nergies

intermittentes dans le systme lectrique restent faibles tant que leur contribution la pointe est en

dessous d'un seuil estim entre 5 et 10 %. Les fluctuations de l'offre sont alors noyes dans lesvariations de la demande d'lectricit. Pour des niveaux de pntration plus levs, les surcots

augmentent, mais la diversification et l'talement gographique de la production intermittente

entranent galement un lissage des variations individuelles de chaque unit, rduisant d'autant

l'impact global sur le systme [21].

E. Effets sur la tensionLa connection dune production dcentralise donne gnralement une augmentation de

tension au point de raccordement avec le rseau. Ceci peut apporter des surtensions pour les

consommateurs au voisinage. Il est donc ncessaire de limiter cette augmentation de tension.

Laugmentation de la tension peut tre estime par cette quation suivante :

PR QX V

V

o V est la tension phase neutre, P et Q tant la puissance active et ractive injecte au

rseau par la production dcentralise. R et X sont la rsistance et ractance de ligne.

Dans certaines situations, les calculs (simulation des flux de puissances) montrent que les

tensions vont dpasser les limites de la norme seulement pendant une petite dure dans lanne. Il

est intressant de rduire la puissance fournie par la production dcentralise durant ces heures. Le

gain perdu est ngligeable face au cot de renforcement dune ligne.

Une autre faon de limiter lcart de tension est de prlever la puissance ractive au nud

de connection. Ceci peut tre ralis en installant des condensateurs ou autres moyens de

production de puissance ractive.

F. Intrt du stockage de lnergieLe photovoltaque, comme toute autre source intermittente, ncessite un systme de

stockage lectrique. Le stockage est un point faible du domaine nergtique. Il est pourtant un point

cl pour lessor des nergies renouvelables.

Les gnrateurs intermittents tels que les oliennes ou les panneaux photovoltaques font

appel des systmes daccumulation pour stocker lnergie produite au gr des lments naturels,

vent et ensoleillement en loccurrence, et la restituer en fonction de la demande. Lorsquil sagit

dutiliser finalement de llectricit, on a recours, en gnral, des batteries, dont le

dimensionnement et le mode de gestion doivent satisfaire aux plus ou moins fortes fluctuations et

au caractre alatoire de ces sources renouvelables. En particulier, si elle se trouve dans un site isol

qui ne peut pas tre raccord un rseau de distribution, le stockage est bien entendu

indispensable.

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Stockage dnergie

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Cette ncessit nest pas aussi vidente lorsquelle est relie au rseau, mais le stockage va

savrer important lavenir. n effet, avec la libralisation du march de llectricit, de

nombreuses sources dcentralises, le plus souvent dorigine renouvelable intermittente, seront

raccordes au rseau et pourront tre une cause de dsquilibre du systme. Pour pallier cet

inconvnient, le stockage et la gestion intelligente de diffrentes sources sont les meilleures des

solutions. Le stockage peut apporter les avantages suivants :

En se prmunissant contre les incidents potentiels sur la qualit de tension. Ils sont causs

soit parce que les procds ou techniques utiliss ncessitent une trs grande rgularit des

ondes de tension, soit parce que le rglage de procds continus ne supporterait pas une

interruption dalimentation dpassant une certaine dure. Le stockage permet alors de

soutenir localement la tension du rseau, que la source produise ou non, et/ou de disposer

dune alimentation dlectricit de bonne qualit sans coupures.

n accumulant de llectricit aux heures creuses o elle est la moins chre et en la

restituant au prix fort aux heures de pointe.

Figure 5- volution typique au cours de la journe de la consommation dlectricit en France

Actuellement, la production dlectricit est trs centralise. Lquilibre entre

consommation et production est dabord assur par une gestion prdictive journalire et saisonnire

des besoins [22, 23]. Quand la production de base devient insuffisante, on met en uvre des

moyens supplmentaires comme les centrales hydrauliques et thermiques. Ces centrales utilisent en

fait elles aussi une nergie stocke : leau pour les centrales de pompage-turbinage ou des nergies

fossiles pour les centrales thermiques [24].

III. Stockage dnergie

A. Les technologies de stockageLe stockage d'nergie lectrique est un dfi rcurrent de l'industrie de l'lectricit. Un

certain nombre doprateurs de rseaux sont en train de placer dans les zones d'habitation des

quipements capables de stocker plusieurs heures d'approvisionnement en lectricit. Le stockage

peut consister en des batteries lithium-ion, plomb, Ni-Cd, un systme d'air comprim souterrain ou

dautres. Les batteries au lithium-ion sont gnralement configures en units, leur taille est peu

prs d'un transformateur standard, et elles ont une capacit de fournir entre 1 et 2 MW depuissance pendant quelques heures. Le stockage souterrain d'air comprim libre de la pression

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Stockage dnergie

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Les stockages mtal-air sont les plus compacts, mais ils ont de faibles rendements et

dures de vie [25]. La technologie Plomb acide est actuellement la plus rpandue pour les

applications photovoltaques. Ce type de stockage a comme principal avantage des faibles cots

($/kW) pour des rendements satisfaisants. Linconvnient majeur est la dure de vie qui est la plus

courte des technologies compares. La technologie Nickel-Cadium (Ni-Cd) prsente un cot plus

lev que les batteries au Plomb, pour une dure de vie suprieure, mais un rendement plus faible.

Des efforts sont ncessaires pour faire du Ni-Cd une technologie concurrentielle pour lapplication

photovoltaque.

La technologie Lithium-ion (Li-ion) sannonce comme la concurrente la plus prometteuse. a

dure de vie et son rendement sont parmi les meilleurs des accumulateurs lectrochimiques (voir

Figure 8). Le cot est encore important par rapport la technologie Plomb, mais une baisse

significative dans les prochaines annes est attendue de sorte que le Li-ion devienne la technologie

la plus intressante pour les applications PV.

Figure 8- Dure de vie en nombre de cycle 80% profondeur de charge [26]

B. Les rles du stockage de lnergieLes progrs qui rduisent considrablement les cots des systmes de stockage de

l'lectricit pourraient entraner des changements dans la conception et le fonctionnement du

systme lectrique.

Le stockage amliore la viabilit des ressources nergtiques renouvelables. Le stockage en

combinaison avec des sources renouvelables est considr comme une solution alternative la

production fossile en fournissant un tampon pendant les priodes de fluctuations de production

d'nergie renouvelable.

Du point de vue du gestionnaire de rseau, le stockage distribu a le potentiel de rduire les

charges de pointe. Pendant les priodes de pointe, chaque kWh d'nergie consomme par le

stockage en local est un kWh fourni de moins par le rseau. Il peut aussi contribuer accrotre l'offre

globale d'nergie pendant les priodes de pointe, un cot moindre que par dautres sources deproduction.

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Des systmes de stockage de l'nergie combins avec l'lectronique de puissance avance

(llectronique de puissance fait souvent l'interface entre les systmes de stockage de l'nergie et le

rseau lectrique) ont un grand rle technique et prsentent de nombreux avantages :

Support de tension du rseau : fournir une puissance au rseau de distribution pour

maintenir les tensions dans la plage acceptable. Cela implique un compromis entre lapuissance active et ractive.

Support la frquence du rseau : cela signifie pouvoir injecter rapidement une puissance

active au rseau de distribution afin de rduire un dsquilibre entre production et

consommation, cela pour maintenir la frquence du rseau dans lintervalle tolr sur des

priodes de 30 minutes.

Stabilit angulaire (transitoire) du rseau : rduire les oscillations de puissance (en raison

d'vnements rapides) par linjection ou l'absorption de puissance active.

Rserve tournante : la rserve tournante est la capacit non utilise quun oprateur dtient

pour faire face une soudaine augmentation de la charge ou une perte de production[27].

Les fonctionnalits numres prcdemment prcisent que le stockage de l'nergie en

combinaison avec l'lectronique de puissance aura un impact norme dans les futurs systmes

d'alimentation lectrique.

C. Vers un systme de stockage dcentralisIl est souhaitable de penser implanter le stockage au plus prs des charges et des sources

de production, afin de rduire les transits de puissances entre eux. Cela permet de rpondre

efficacement aux demandes des consommateurs, de contrler rapidement les flux de puissances

actives et ractives

n dehors dune minimisation du cot des pertes en ligne dues la diminution de transits de

puissance, la possibilit dconomiser sur le dveloppement du rseau de distribution peut amener

dautres avantages. es capacits de stockage sont ajoutes/installes aux nuds loigns ds que

des besoins de renforcement sont ressentis. Le stockage peut amliorer ainsi la fiabilit du systme.

La dcentralisation du stockage aide le systme tre moins dpendant des composants du rseau

et par consquent permet de diminuer la redondance du systme. Cet aspect devient plus important

avec le vieillissement de l'infrastructure.

Contrairement la production dlectricit, le stockage est moins soumis leffet dchelle.

Il peut donc plus facilement tre dcoup. une part, chaque systme de stockage est un ensemble

de batteries (technologies lectrochimiques). Pratiquement elles sont peu sensibles leffet

dchelle. autre part, la puissance totale dun groupe donduleurs est la somme des puissances

individuelles. Par exemple, dans la gamme de puissance des onduleurs bidirectionnels monophass

pour le stockage, les puissances varient entre 1kW 25kW. Un systme de stockage centralis de

50kW ne prsente donc aucun gain conomique (sur effet chelle) par rapport deux systmes de

stockage de 25kW. Il est vident que deux systmes diffrents demandent par contre plus

dentretien, impliquent des cots dinstallation plus levs

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Dcentralisation du stockage et de la production

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Ltude de la rentabilit des systmes de stockage dcentraliss est un problme complexe.

De plus, la localisation et la rpartition de la capacit de stockage doivent intervenir dans le calcul du

bilan conomique. Bien entendu, le renouvellement du stockage en fin de vie doit tre pris en

compte.

D. Exemple du stockage dcentralisUn exemple de stockage rparti pourrait se mettre en place la faveur de lvolution des

systmes de traction des vhicules. La premire forme de ce nouveau systme de stockage

rsulterait du dveloppement grande chelle du vhicule lectrique, que ce soit en mode unique

ou hybride [28].

n effet, chaque vhicule lectrique dispose dune capacit de stockage. Il peut tre gr

la fois en fonction de ses besoins propres et des besoins en lectricit du rseau. Si la production

dlectricit du rseau dpasse la demande, tous les vhicules lectriques en stationnement, dans

les garages individuels ou sur les places de parking, peuvent stocker lnergie excdente et

inversement, si la production devient insuffisante, lensemble des batteries peut se dcharger pour

complter le manque dnergie.

La mise en place dun tel dispositif de stockage suppose de lourds amnagements

dinfrastructures, pour crer une possibilit de raccordement des vhicules sur les lieux de

stationnement. Cela suppose aussi dajouter de nouvelles fonctionnalits au rseau lectrique, pour

lui permettre de fonctionner non seulement en fournisseur, mais aussi en collecteur. Le rseau doit

dfinir les puissances tires ou fournies aux vhicules au cas par cas, en fonction du niveau de leurs

batteries [29].

IV. Dcentralisation du stockage et de la production

A. ProblmatiqueAu cours de la dernire dcennie, il y a eu un intrt croissant pour la dcentralisation des

sources de production dans les systmes lectriques. A premire vue, la production dcentralise

pourrait tre considre comme la rponse plusieurs problmes dans le dveloppement de

llectricit en zones rurales aujourd'hui.

La planification du systme lectrique avec la prsence de la production dcentralise exige

la dfinition de plusieurs facteurs, comme : la meilleure technologie employer, le nombre et lacapacit de chaque unit, le meilleur emplacement, le type de connection au rseau, etc. L'impact

de la production dcentralise sur les caractristiques de fonctionnement du systme, tel que les

pertes lectriques, le profil de tension, la stabilit et la fiabilit doit tre valu

L'installation de moyens de production dcentralises aux endroits non optimaux peut avoir

des consquences comme laugmentation des pertes du systme, laugmentation des cots

dinvestissement, et ainsi avoir un effet contraire celui dsir.

Le positionnement et le dimensionnement de taille optimale des sources de production sur

le rseau de distribution ont t particulirement tudis avec diffrents objectifs de recherche.

L'objectif peut tre la minimisation des pertes en ligne [30-32], ou la minimisation de tous les cots

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d'approvisionnement du rseau, qui inclut l'opration des gnrateurs et la compensation des

pertes [33-36], ou encore la meilleure utilisation de la capacit de gnration disponible [37]. Il

existe aussi des algorithmes pour la recherche du meilleur endroit pour les gnrateurs dans les

rseaux de distribution, avec lobjectif la fois damliorer le profil de tension et de rduire les

pertes en ligne[38].

En parallle des productions dcentralises, le stockage semble tre un lment

complmentaire. Pour le bon fonctionnement de ce couplage, on doit rsoudre les problmes de

gestion. La planification oprationnelle des moyens de stockage dans le systme a t l'objet de

nombreuses tudes au cours des dernires dcennies. Le problme est gnralement de rduire au

minimum lensemble des cots de fonctionnement du systme, soumis aux contraintes

technologiques du stockage ou du systme telles que l'quilibre de puissance. La planification des

ressources de stockage est donc un problme complexe d'optimisation multi scnarii avec de

nombreuses contraintes [39]. Le problme de la recherche de la meilleure localisation est aussi de

grande importance. Le choix des meilleurs endroits pour l'installation des units de stockage

rparties dans des systmes de distribution est un problme combinatoire complexe d'optimisation.

B. ObjectifsLa thse prsente ici a pour but de raliser des travaux autour de la thmatique de

promouvoir lintgration des systmes de production et de stockage dcentralise dans les rseaux

faiblement interconnects ou isols pour llectrification des zones rurales.

Lobjectif principal de cette thse est de dvelopper des outils qui amliorent le

fonctionnement de systmes composs dunits de stockage dcentralises et de sources de

production dlectricit, renouvelable ou non.

Le premier outil permet dexploiter le systme cot minimal en fonction des conditions

mtorologiques (prvision de la production renouvelable), tarifaires et de la consommation. Il sagit

de tirer les meilleurs bnfices du systme. Dans les premires simulations, les contraintes du

rseau (topologie, chute de tension) ne sont pas prises en compte.

Ce premier outil dfinit une planification de production pour les sources, et un mode de

fonctionnement pour le stockage.

Avec ces donnes, cette fois la topologie du rseau est concerne pour la recherche de la

localisation optimale et la rpartition de la capacit du stockage afin de rduire les pertes en ligne.

Cest le deuxime outil. Nous pouvons toutefois dvelopper cet outil vers dautres objectifs :

amliorer la qualit du rseau ou limiter de renforcer le rseau aux points critiques.

Un cas dapplication sera propos pour assembler ces outils. On traite le cas du rseau

lectrique de Corse, bas sur des donnes relles. En appliquant les outils dvelopps, on peut

dduire des gains ou des remarques observes en intgrer le stockage dcentralis au micro rseau.

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Chapitre 2

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I. IntroductionA lorigine, le systme ne contient que des productions renouvelables (photovoltaque,

oliens) et des charges. Lutilisation dlectricit est donc limite cause de lintermittence de la

production. Avec la croissance de la demande dlectricit, il faut ajouter au systme des nouveaux

lments pour satisfaire les besoins. ans le cas dintgration de nouvelles sources de production et

units de stockage, notre tude porte sur un systme multi sources, multi charges.

La solution la plus simple consiste faire fonctionner un groupe lectrogne de faon

continue (sans arrt) en parallle avec les sources dnergies renouvelables [40]. Cependant, garder

le groupe lectrogne au rgime ralentit pour une demande de puissance nulle suppose une

consommation non ngligeable de carburant. i le groupe lectrogne dmarre ou sarrte en

fonction de la variation de lnergie renouvelable et de la charge, le nombre de cycle de

dmarrage/arrt peut tre par consquent trs lev. Un autre problme est li au temps de

dmarrage du groupe. Le systme peut par exemple seffondrer pendant ce temps-l, si lnergie

renouvelable diminue plus vite que le temps ncessaire pour la phase de dmarrage. Un systme de

stockage, de dlestage des charges non prioritaire ou linterconnexion autre rseau peuvent aider

maintenir lquilibre nergtique.

La stratgie de gestion du stockage est applique par lintermdiaire de londuleur

bidirectionnel. On impose londuleur rversible une consigne pour injecter ou extraire de lnergie

du systme de stockage. Le stockage est charg partir du bus AC commun du systme, dont

lnergie peut parvenir du rseau interconnect, de la production renouvelable et/ou des groupes

de production.

Le systme complet est reprsent sur le schma suivant :

Figure 9- Architecture du systme dtude

Notre rseau contient donc :

Un ou des groupes lectrognes : considr comme une source de production

contrlable Un systme de stockage dnergie

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Un ou des dlesteurs pour les charges non prioritaires

Un point dinterconnexion avec un autre rseau : Ce rseau pourra tre un rseau

infini ou un rseau de mme type que notre systme (faible puissance). Cependant,

la puissance change au point dinterconnexion est limite.

Larchitecture de notre systme dtude ressemble celle des micro-rseaux (ou microgrid

en anglais). La notion de micro-rseaux" a reu un intrt considrable ces dernires annes [41].

Par dfinition, un micro-rseau est un petit rseau basse tension qui peut tre reli au rseau de

distribution ou peut tre utilis en mode autonome. Il consiste en une combinaison de sources

d'lectricit, de charges et dun systme de stockage de l'nergie. Lordre de grandeur des

puissances mis en jeu dans les micro-rseaux peut varier de 10 kW quelques MW.

Les micro-rseaux prsentent deux caractristiques intrinsques essentielles qui en font un

intrt majeur pour le dveloppement des rseaux lectriques du futur :

la proximit entre une production locale dlectricit et les consommateurs condu its

une minimisation immdiate des pertes lies au transport de lnergie consomme

en son sein,

la disponibilit dun gnrateur et son exploitation, toujours en local, apporte une

fiabilit accrue de la fourniture vis--vis des incidents survenant dans les grands

rseaux et la possibilit de fournir une nergie dune haute qualit.

Dans la partie suivante, nous prsentons les lments constituant notre rseau.

II. Principaux composants du systme tude

A. Groupe lectrogneUn groupe lectrogne est un dispositif autonome capable de produire de l'lectricit. La

plupart des groupes sont constitus d'un moteur thermique actionnant un alternateur qui fournit du

courant alternatif et/ou du courant continu. Leur gamme de puissance peut varier de quelque kVA

jusqu plus de 20 MVA. Les units les plus puissantes sont mues par des turbines gaz ou de gros

moteurs Diesel. Ils fonctionnent partir de tous les carburants. Les plus frquents sont l'essence, le

gazole, le gaz naturel, les biocarburants et pour les plus puissants le fioul lourd. Les groupes

essence sont gnralement utiliss pour des usages domestiques (bateau, camping, habitation,

etc.). Ils fonctionnent avec de lessence sans-plomb 95 ou 98. Les groupes diesel sont plus bruyants

sils ne sont pas insonoriss, leur utilisation est rserve aux usages professionnels et industriels. La

plupart des appareils fonctionnent en 220/230 V (monophas), seuls quelques appareils de gamme

professionnelle sont en 400 volts (triphas).

Les groupes lectrognes sont utiliss frquemment dans les zones o le rseau de

distribution lectrique ne dessert pas ou pour pallier une ventuelle coupure d'alimentation

lectrique (groupe lectrogne de secours). Dans le deuxime cas, ils sont alors souvent utiliss en

complment d'une alimentation sans interruption constitue d'une batterie d'accumulateurs qui

alimente un onduleur. Ces dispositifs sont gnralement utiliss dans des situations o l'interruption

de l'alimentation lectrique entraine des consquences graves ou des pertes financires, par

exemple dans les hpitaux, l'industrie, les centres informatiques, etc.

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Le rendement des groupes lectrognes crot avec leur puissance nominale et surtout varie

en fonction du point de fonctionnement (cf.Figure 10etFigure 11). Mais celui-ci reste limit cependant

un maximum dtermin par le cycle de Carnot (des phnomnes thermodynamiques, savoir 34%

dans les situations optimales).

Figure 10- Courbe de rendement dun moteur diesel ayant une puissance nominale de 75kW

La diminution de rendement se traduit par une augmentation de la consommation de

carburant pour tout fonctionnement du groupe lectrogne faible puissance. n fonction dun

seuil laiss larbitrage de lutilisateur, on peut dfinir une zone de fonctionnement et une zone

viter.

Figure 11- Consommation de carburant en fonction de la puissance dun gnrateur iesel 4.5 kW [42]

Le rendement du groupe lectrogne est moins bon que celui d'une centrale lectrique

(moins de 35% contre 38-55 %) [43]. Le reste de lnergie consomme est converti la plupart en

nergie thermique (environs 60% de pertes). Ces pertes thermiques sont les gaz dchappement,

leau de refroidissement, lhuile de graissage et etc... lles peuvent tre valorises par la

cognration.

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En plus, conomiquement parlant, l'investissement dans un nouveau groupe lectrogne ne

se justifie gnralement que lorsqu'il cumule la fois les fonctions de groupe de secours et de

systme d'crtage.

Un groupe lectrogne moderne est quip de deux rgulations. une part, la tension de

sortie est stabilise (par exemple : 230 V) par un dispositif lectronique qui agit sur l'alternateur.autre part, la vitesse de rotation du moteur et donc de l'alternateur doit aussi rester constante

afin de garantir la frquence de la tension de sortie (50 Hz en Europe). (voirFigure 12)

Figure 12- Boucle de rgulation du groupe lectrogne

B. Dlestage de charge non prioritaireIl est de la responsabilit du gestionnaire du rseau de maintenir tout instant l'quilibre

entre l'offre et la demande d'lectricit. Pour ce faire il sassure par une gestion prvisionnelle quil

dispose des marges de production pour tenir compte des alas pouvant survenir (consommation

plus leve quattendu, etc.). n cas doffres insuffisantes, le gestionnaire sollicite les diffrents

groupes de production pour disposer de nouvelles capacits et en dernier recours peut ordonner un

dlestage de la consommation. Le dlestage de consommation consiste couper une partie de la

consommation, et donc protger contre des coupures importantes et non maitrises dlectricit.

Actuellement, le but du dlestage est de sauvegarder le rseau. Il permet d'viter des baisses de la

frquence des rseaux lectriques en dessous de 49 Hz, des chutes de tension ou des surcharges

[44].

Le dlestage est mis en uvre par le gestionnaire du rseau de distribution sur la base dun

plan de dlestage prdfini. Des dlestages tournants de dure limite (de l'ordre de deux heures)

tour de rle sur les diffrentes zones peuvent tre organiss pour limiter les consquences au niveau

du public. Le programme de dlestage est tabli selon les critres suivants :

La puissance dlester.

Le jour et lheure o le dlestage doit se produire.

La puissance laquelle dclenche le dlestage.

ans nos tudes, nous nous intressons au dlestage en habitat individuel. Lobjectif est de

limiter la puissance globale consomme par une installation [45]. En fonction de l'volution de la

puissance mesure au compteur principal, le dlesteur doit tre capable de couper l'alimentation ou

de rduire la consommation de certains quipements nergivores sans faire disjoncter linstallation.

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Les quipements considrer pour le dlestage sont ceux dont l'importante inertie

thermique permet de supporter des coupures d'alimentation plus ou moins longues sans mettre en

pril la scurit et la sant des occupants et sans dgrader leur confort tels que les groupes

frigorifiques, rsistances lectriques de chauffage des locaux, les appareils de cuisson forte

inertie... Le dlesteur commande le dclenchement et le r-enclenchement des quipements

prprogramms.

Actuellement, un certain nombre d'appareils sont disponibles sur le march avec un cot

total d'acquisition (dlesteur, logiciel et mise en service) infrieur 1 000 [45, 46]. Le temps de

retour sur investissement simple (exprim en annes) est dfini comme le rapport entre

l'investissement pour un dlesteur et lconomie ralise grce la rduction de consommation sur

une anne.

C. Systme de stockageLe stockage utilis le plus souvent dans les micro-rseaux est gnralement constitu de

batteries au plomb [47, 48]. Cette technologie est trs bien adapte au stockage de faible capacit

avec une utilisation quotidienne [49]. Elle est actuellement la plus comptitive et la mieux matrise.

Cependant, des nouvelles technologies de batteries plus performantes pourraient tre envisages,

comme les batteries au Nickel-Cadmium (Ni-Cd) et le Lithium-ion (Li-ion).

Leur cot est nanmoins bien plus lev (de 300 650 /kWh contre environ 150 /kWh

pour les batteries au plomb). Avec le dveloppement des technologies, surtout avec les estimations

sur la croissance rapide du march du vhicule lectrique, les fabricants de batteries Li-ion essayent

de faire descendre leur cot de production. Pike Research [50] estime que, grce la production

en masse et des amliorations dans la technologie et de fabrication, le prix des batteries Li-ion

passera de prs de 1000 $ par kWh 'aujourd'hui 810 $ en 2011, et continuera de diminuer pour

atteindre 470 $ en 2015.

Figure 13- Estimation du prix de batterie Li ion [50]

Leur utilisation engendrera un nouveau calcul conomique qui introduira aussi des

caractristiques de confort selon des utilisateurs diffrents.

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autres modes de stockage peuvent tre considrs comme le pompage deau, le volant

dinertie ou le stockage dhydrogne. ans le domaine des micro-rseaux, ces alternatives ne

semblent pas adaptes aux besoins nergtiques grer.

ans la chaine de conversion dnergie lie lutilisation des batteries plomb-acide, il y a

environ 30% dnergie perdue par cycle de charge et dcharge [42].Tout dabord, lnergie enpassant par londuleur pour arriver lunit de stockage perd 6% (rendement moyen des onduleurs

94%). Ensuite, le cycle de charge et dcharge dans la batterie a un rendement de lordre de 80%.

nfin, pour restituer lnergie stocke dans la batterie, il faut encore repasser par londuleur ce qui

ajoute 6% de pertes (voirFigure 14).

Figure 14- Rendement travers des tages du systme de stockage

Le rendement total pour chaque kWh fourni par les batteries est donc de lordre de 70%

pour les batteries plomb-acide.

III. Minimisation du cot de fonctionnementTous les nouveaux dispositifs installs dans le micro-rseau, tels que les groupes

lectrognes, les dlesteurs, les units de stockage, etc. augmentent le cot dinvestissement. Une

stratgie de commande adquate peut permettre dintgrer de manire optimale d iffrents

composants et donc de rendre le cot de gestion du micro-rseau optimal.

Avec des hypothses favorables pour le stockage et des hypothses de tarification variable

de llectricit, le stockage et les sources de production/consommation contrlables dans le systme

peuvent participer loptimisation conomique de celui-ci. Pour raliser cette application, il faut

bien dterminer le mode de fonctionnement optimal pour chaque lment : les profils de charge et

de dcharge du stockage chaque instant, le plan de production des groupes lectrogne, les

horaires de dlestage des charges non prioritaires en tenant compte de la disponibilit de lnergie

photovoltaque, de la consommation, du tarif, de ltat de chargedu stockage

A. ContexteDepuis plusieurs dcennies, les compagnies dlectricit sintressent la possibilit

dadapter la consommation aux contraintes conomiques du march et aux contraintes techniques

des rseaux de distribution. Cette dmarche peut tre initie par linstallation dune politique

tarifaire spcifique et/ou une gestion centralise des charges et des units de production afin

dadapter les capacits doffre dnergie la demande.

La tarification dynamique peut tre utilise pour inciter le client modifier son profil de

consommation. Lincitation dpend de linstant et de limportance de la consommation. Les

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incitations les plus importantes sont pendant les heures de pointe pour que les clients dplacent

leurs charges aux heures o llectricit est moins demande [51]. Lexprience a montr que si

lutilisateur dispose de linformation sur sa consommation, il peut par des mesures de gestion

adapte, diminuer considrablement son appel maximum de puissance. Avec les contrats heures

pleines-heures creuses ou des prix temps rel, des modifications permanentes peuvent tre

ralises dans le profil de charges du consommateur.

Une autre option consiste tablir des programmes de contrle direct de charges. Avec ce

type de programmes, la compagnie dlectricit contrle directement les charges. Le dlestage se

fait lorsque cela est ncessaire. Une fois quun client est entr dans ce type de programmes, il

accepte par exemple les conditions spcifiant que sa charge sera rduite obligatoirement un certain

nombre de fois ds que la compagnie dlectricit en donnera lordre. i le contrat impose des

pnalits en cas dchec de rduction, les consommateurs engags sont galement rmunrs en

fonction de leur capacit dlestable et leur nergie effectivement rduite. Autrement, si les

consommateurs ne sont rmunrs que pour lnergie rduite, leur participation est compltement

volontaire.

Pour un micro-rseau, le premier but est de maintenir lquilibre entre la production et la

consommation dnergie. n parallle avec cette tche, on commence sintresser aux aspects

conomiques: quelle source de production est la plus conomique (dmarrer les groupes

lectrognes ou dcharger le stockage) pour maintenir la consommation un instant donn ?

Comment bnficier de la tarification variable avec le stockage ? A quel moment doit-on activer le

dlestage des charges ?

B. HypothsesPour la suite du manuscrit, achat et vente dsigneront respectivement lachat et la

vente de lnergie du point de vue de lusager ; lexcdent dnergie produite rinjecte sur le

rseau reprsente une vente dlectricit et vice versa.

Il faut se souvenir quune optimisation conomique de la gestion des sources renouvelables

toutes seules ne donne que des rsultats triviaux dans les conditions tarifaires franaise actuelles.

Avec le prix dun kWh relativement bon march et des tarifs de rachat lev, loptimum conomique

pour une installation est dacheter la totalit de lnergie consomme au rseau et de revendre

compltement la production photovoltaque ! On choisit donc de se situer dans une situation o le

tarif dachat et de vente sont gaux. On considre que toutes les sources ont la mme tarification

(source renouvelable ou non, stockage).

On suppose aussi que la puissance change avec un autre rseau via une ligne

dinterconnexion est limite. On ne pourra prlever ou rinjecter sur le rseau quune puissance

maximale fixe.

nsuite, on a besoin dune hypothse sur la disponibilit des mesures de consommation et

de production dnergie. Ltat de lart des mthodes de pilotage de systmes hybrides, toutes

applications confondues, a montr limportance de la question de la disponibilit de linformation.

En effet, la gestion optimale des flux nergtiques a besoin dune collecte de ces informations.

Pourtant, un systme multi sources/charges ne peut pas disposer dune connaissance parfaite sur laconsommation de la journe venir. On suppose donc que le systme de gestion a nanmoins accs

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un ensemble de prvisions : ces informations permettent dtablir un tat du systme (consigne

pour les groupes lectrognes ou dlesteur, volution de ltat de charge du stockage). Comme le

rsultat de cette partie sera utilis pour la recherche de la localisation et rpartition du stockage et

des groupes de production dans le chapitre suivant, on considre que les informations

prvisionnelles sont exactes pour les simulations.

n rsum, les hypothses pour les scnarios dtude sont les suivantes :

Mme tarification lachat et la vente.

Tarification identique pour toutes les sources

Tarification dynamique dans le temps, de priode en priode. Les tarifs lachat et la

vente sont connus par lutilisateur lavance.

Puissance change sur la ligne interconnecte est limite

Toutes les donnes des prvisions sont exactes.

C. Typologie du problmeLa planification des moyens de production et de stockage dans le rseau quivaut une

problmatique dexploitation: il sagit dutiliser ces moyens en minimisant des cots et en

respectant certaines contraintes pour leur bon fonctionnement. Il ne sagit pas dun problme de

dimensionnement des lments, on conservera les installations dj en place. On suppose obtenir

toutes les hypothses listes prcdemment. Le problme a donc les caractristiques suivantes :

Fonction objectif: minimiser le cot total dexploitation.

Tarification dynamique: de la revente/achat de llectricit avec le rseau interconnect

Pas de temps: il doit tre cohrent avec les fluctuations de la tarification dynamique.

Source de production non contrlable : les gnrateurs de PV, oliens quand ils ont les

conditions de production

Source de production contrlable: les groupes lectrognes et les lments de stockage

sont considrs comme source contrlable. Le cot de production de chaque kWh

(/kWh) est en fonction de lnergie produite et le point de fonctionnement.

Architecture du rseau: le systme tudi est un micro-rseau (connect faiblement

avec un autre rseau et capable de fonctionner en mode autonome).

Charge: considre comme entre du systme, le profil de la consommation est connu.

Charge dlestable ou non prioritaire: les charges sont coupes la demande du

gestionnaire du micro-rseau. Stockage : peut participer loptimisation conomique grce la tarification dynami

répartition des moyens complémentaires de production et de stockage dans les réseau faiblement...

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