Etat de l ‘art des micro-réseaux

Dans ce chapitre qui suit, nous examinerons les définitions et le développement des micro-réseaux avec une description détaillée de ses avantages et de ses inconvénients. Puis nous tenterons d’apporter des solutions adéquates aux méthodes de contrôle des microréseaux et des générateurs distribués portant sur les questions d’alimentation, de contrôle de tension, de fréquence et de leur contrôle (micro-réseaux). Les micro-réseaux (MR) ne sont pas récents pUisque les réseaux électriques existaient depuis bien longtemps (à petite échelle) distribués dans des régions lointaines où l’interconnexion n’était pas possible pour des raisons techniques ou économiques. Vu la pénétration en force des unités de distributions (UD) , ainsi que leurs importance dans la réduction des coûts de transport et la distribution des flux de puissance et les fluctuations de tension, l’avantage, donc, du concept des micro-réseaux intervient dans le contrôle coordonné entre l’intégration des systèmes de génération décentralisés et le système de stockage d’énergie. Son avantage consiste à offrir à la population le choix des sources d’énergie durables, renouvelables, fiables, flexibles et économe grâce à ce réseau.

Les MR ont aussi la potentialité d’améliorer la qualité de l’alimentation et permettent à chacun de contrôler sa consommation et son approvisionnement en électricité. Les MR ont une gestion intelligente des systèmes d’énergie renouvelable et sont dotés de plusieurs composants comme: des ressources d’énergie photovoltaïque, éolienne, piles à combustibles, moteurs, des dispositifs de stockage et des batteries. Ces dispositifs contribuent à absorber ou à couvrir l’excès ou le déficit de puissance, à améliorer la fiabilité du MR, ils sont à proximité et englobent un ou plusieurs clients ou groupe de charges comme les hôpitaux, base militaire ou écoles etc. Tous ces dispositifs ou composants fonctionnent en harmonie avec le réseau électrique. Malgré ces avantages, des inconvénients existent aussi pour les MR; ils sont d’abord de l’ordre d’instabilité du contrôle de la puissance qui circule dans ces mêmes réseaux, de performance dû aux caractères aléatoires des énergies renouvelables drainant un flux de puissance avec une gestion bidirectionnelle ce qui n’est pas le cas pour les microréseaux centralisés, ce qui rend ardu et difficile l’opération d’ilotage des MR à cause d’intermittence des énergies renouvelables: l’éolienne, les photovoltaïques. Ainsi la stabilité et la fiabilité sont les préoccupations majeures des MR, de même que coordonner leur contrôle. Ses charges déséquilibrées et discontinues affectent la qualité de l’alimentation et la précision de partage de puissance dans les MR. Le but est d’obtenir et d’assurer une bonne régulation de tension, de fréquence et un bon partage de puissance connectée au MR.

Revue technique de gestion des micro-réseaux

Les différents besoins d’énergie consommée par les utilisateurs des villes, d’écoles, ou opérations militaires ou industries sont d’ordre d’énergies renouvelables plus propres et plus écologiques. Certains exigent un système plus flexible pour protéger leur centre de consommation en situation d’urgence, d’autres utilisent leur énergie d’une façon optimale, stimulent la croissance de leurs entreprises et protègent leur situation critique. Quelles que soient les solutions, les MR offrent des performances optimales pour répondre à tout un éventail de besoins grâce à leurs avantages multiples telles leur fiabilité, résistance ou leur résilience de service 24h17 avec la génération d’énergie locale. La qualité de puissance assurant une bonne qualité d’énergie de stabilité, de sécurité électrique et la disponibilité de cette puissance assure la demande en maintenant l’équilibre du réseau central, la production locale, la gestion de la charge et tout en efficacité optimale, la réduction des pertes d’énergie, la proximité entre la production et la consommation optimale et l’acheminement de l’énergie. Pour optimiser les DG, le système de réutilisation de la chaleur offre des opportunités en augmentant le rendement énergétique global du système d’électricité et de chaleur combinée, qui résulte du captage de l’énergie thermique (vapeur d’eau chaude, chauffage, refroidissement etc.).

L’intelligence des MR leur permet d’optimiser le coût et comment intégrer le réseau central et les DG locales pour atténuer le coût de l’électricité chez les utilisateurs. Ainsi elle diminue la dépendance du réseau principal et limite les investissements dans les réseaux de transport et de distribution, réduit l’installation des centrales thermiques, stocke et exploite l’énergie en cas de besoin. L’émission des gaz à effet de serre est réduite. Cependant, malgré tous ses avantages, les MR présentent des inconvénients qui se définissent comme suit [12] : La qualité de l’alimentation des MG, la fréquence et la tension sont autant des problèmes qui nécessitent un suivi dans leur contrôle selon les normes voulues. Le stockage de l’énergie électrique nécessite aussi beaucoup d’espace et beaucoup de maintenance pour ses batteries. L’un des défis les plus importants aussi est la protection des micro-réseaux quant à sa mise en oeuvre et le développement des normes d’interconnexions pour assurer sa cohérence. L’équilibrage de réseau passe par le respect d’un certain nombre de contraintes liées à sa gestion et à son fonctionnement. Cette gestion doit respecter différents contraintes physiques et technologiques, pour assurer d’une part la sécurité des équipements, la sûreté d’approvisionnement, ainsi que la qualité et l’efficacité énergétiques.

Architecture du micro-réseau et ses éléments constitutifs

L’utilisation des nouvelles productions d’électricité surtout l’énergie dite renouvelable ne cesse d’augmenter ces dernières années. Cette augmentation crée de nouvelles architectures pour faire face aux nouveaux défis et aux enjeux des micro-réseaux. L’évolution de ces nouvelles architectures des systèmes électriques doit être envisagée pour répondre aux nouveaux défis de la production décentralisée et pour exploiter, d’une manière optimale, le potentiel des technologies basées sur des nouvelles sources énergétiques. Cette évolution passe par l’utilisation de nouveaux matériels, comme l’électronique de puissance, les réseaux de communication, des technologies de stockage et de cogénération, etc. De nouvelles méthodes de gestion seront nécessaires avec l’arrivée massive de ces nouvelles productions. Trois technologies clefs seront abordées dans ce chapitre, les générateurs actifs, les micro-turbines à gaz et les éléments de stockage électrochimiques, très souvent utilisées dans des systèmes énergétiques comme le précise la figure 2.1 suivante avec une gestion énergétique à partir des différentes sources, renouvelable comme la photovoltaïque, la TG comme énergie non renouvelable et une estimation de la puissance demandée par les consommateurs, ainsi qu’un système de stockage; soit pour stocker l’énergie reçue de la photovoltaïque, ou bien compléter la puissance manquante pour satisfaire la puissance désirée par le consommateur, ou bien une nécessité de vendre l’énergie stockée au réseau principal dans l’objectif d’optimiser le coût de consommateur.

Comparaison des résultats des trois approches

Après l’étude de l’approche expérimentale et des deux dernières approches, nous procédons à la simulation des puissances maximales de sortie des systèmes photovoltaïques à l’aide de logiciel Matlab qui peut faire apparaître les comportements de ces puissances produites par les trois modèles proposés, sachant qu’on a supposé que le premier modèle est un modèle de référence, puisqu’ il est conçu à partir des données expérimentales; une simulation qui consiste à faire l’évolution des puissances maximales ainsi que leurs erreurs relatives en fonction de conditions météorologiques, (éclairement solaire et température du module). Et pour bien interpréter les résultats obtenus, on considère que les modules PV sont fabriqués à base de polycristallin, composé de 36 cellules connectées en série paramétrés sous les conditions standards (C.S.l), et qui représente les caractéristiques électriques du module, avec une mesure expérimentale de 40W effectuée sur un Module solaire polycristallin, les constantes A,B,C et D sont des données respectives comme suit : A=O.0002, B=O.0004, C=O.1007, D=O.1018(4).[I] Enfin, pour choisir le modèle le plus proche du modèle expérimental, des programmes sont mis en place sous le logiciel Matlab, pour chacun des modèles, afin de calculer l’erreur relative qui pourrait être commise par ces modèles; en fonction de la température du module entre les valeurs estimées par le premier modèle expérimental (Lu lin) et celles estimées par les autres modèles traités.

Ce phénomène des charges nouvellement créées, dans des régions saturées sépare le champ excitant, mène à une polarisation de la jonction PN. Cette polarisation crée un potentiel de tension intéressant nommé Photo-tension. Ensuite, avec la provocation d’une charge sur la cellule, cette tension délivre un courant qui circule dans la charge appeler le Photo-courant. On remarque aussi après un certain temps une augmentation de la température mène à une puissance de sortie réduite, ce qui s’explique par la dépendance significative de la température à la tension de circuit ouvert. Une température qui augmente à une irradiation constante, la tension diminue alors que le courant augmente légèrement. Après cette description des phénomènes photo-courant et photo-tension, on peut estimer le fonctionnement auquel le module est soumis, pour déduire la puissance que pourra délivrer; sachant qu’avec une diminution de la largeur de la bande interdite du matériau, le photo-courant et le courant de la jonction augmentent avec l’augmentation de la température de la cellule. Une augmentation plus rapide du courant de la jonction provoque une diminution de la tension de circuit ouvert. Dans cette comparaison, nous avons présenté trois modèles mathématiques permettant de calculer la puissance maximale à la sortie du module photovoltaïque en fonction de conditions météorologiques présentées par l’éclairement solaire et la température du module. C’est pourquoi, nous avons supposé que le premier est un modèle de référence, puisqu’il est conçu et basé à partir de l’expérience. Le logiciel Matlab, par exemple, peut faire apparaître les comportements émergents des trois modèles proposés. D’après les résultats de la simulation numérique, nous avons constaté que les valeurs délivrées par le deuxième modèle sont les plus proches, c’est-à-dire, elles coïncident fortement avec celles trouvées par le modèle d’essai.