OPTIMISATIONS MULTICRITERES DE LA PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
ETAT DE L’ART SUR LA CONVERSION DES SOURCES D’ENERGIES RENOUVELABLES
L’électricité, forme propre de l’énergie par excellence, est aujourd’hui produite, à près de 80 %, à partir de combustibles fossiles (pétrole, gaz,…) ou fissiles (nucléaire), ressources épuisables et polluantes à la fois [1.01]. La production électrique à partir de combustibles fossiles est à l’origine de 40% des émissions mondiales de CO2 [1.02]. Associé à l’augmentation progressive de la consommation d’énergie sous toutes ses formes, les effets polluants dûs principalement par l’utilisation des énergies fossiles sont au cœur de la problématique du développement durable et de l’environnement. Face à cette réalité, les recherches tendent vers la promotion des énergies renouvelables qui sont à la fois écologique, inépuisable et gratuite. D’ici 10-20 ans, tout système énergétique durable sera basé sur l’utilisation rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux énergies renouvelables [1.03]. Nous nous intéresserons dans ce chapitre à la méthode de conversion des sources des énergies renouvelables, en particuliers les énergies solaires et éoliennes. Des techniques et des méthodes d’intégration des énergies produites au réseau seront développés car le caractère aléatoire des énergies nouvelles nécessite un dimensionnement et une utilisation particulière afin de les exploiter au mieux. 1.2Bilan énergétique mondiale Face aux enjeux planétaires posés par l’épuisement prochain des ressources énergétiques fossiles ainsi que les problèmes causés pour le respect de l’environnement, le développement durable de la planète entraine le développement ainsi que la promotion des énergies renouvelables. La consommation mondiale d’énergie ne cesse de croitre [1.04], [1.05]. La figure 1.01 illustre l’augmentation ainsi que la prévision de la consommation énergétique mondiale [1.06]:
Compte tenu de l’augmentation de la demande énergétique mondiale, la figure 1.02 montre la répartition en termes d’énergie primaire dans le monde pour toutes les ressources actuelles. En se basant sur cette figure, plus de 80 % de la production d’énergie est obtenue par des matières fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou de l’énergie nucléaire, ce qui entraine une forte pollution environnementale qui est due au rejet des gaz à effet de serre [1.07], et provoquant ainsi un changement climatique irréversible ou, dans le cas du nucléaire, une pollution par radiations de longue durée pose un problème du stockage des déchets radioactifs non résolu [1.08]. Figure 1.02 : Répartition mondiale des sources d’énergie primaire. 6 Malgré ces statistiques, le paradoxe actuel qui caractérise le continent Africain dans le domaine de l’électrification est désolant. L’Afrique est totalement dans l’obscurité alors que ces ressources énergétiques renouvelables (sans prendre en compte les ressources fossiles) sont abondantes [1.09]. Cette situation est illustrée sur la figure 1.03 qui est une image satellite prise la nuit : Figure 1.03 : Image satellite montrant le niveau d’électrification de l’Europe, du Moyen Orient et de l’Afrique. Pour le cas de Madagascar, l’installation d’énergie électrique est environ de 1500 GW [1.10] dont 70% de l’installation est d’origine thermique et 25% d’origine hydraulique pour un nombre d’habitants d’environ 26 millions, ce qui explique les pénuries d’électricité et par conséquent les délestages fréquents dans presque toute l’île. Pour l’utilisation des énergies sources primaires, Madagascar utilise moins de 1% de source d’énergie renouvelable.
Conversion des sources d’énergies renouvelables
Contexte de la conversion d’énergie éolienne La ressource éolienne provient du déplacement des masses d’air qui est dû indirectement à l’ensoleillement de la Terre. Par le réchauffement de certaines zones de la planète et le refroidissement d’autres, une différence de pression est créée et les masses d’air sont en perpétuel déplacement. Après avoir pendant longtemps oublié cette énergie pourtant exploitée dès l’antiquité, elle connaît depuis environ 30 ans un essor sans précédent notamment dû aux premiers chocs pétroliers. A l’échelle mondiale, l’énergie éolienne depuis une dizaine d’années maintient une croissance de 30% par an. En Europe, principalement sous l’impulsion allemande, scandinave et espagnole, on comptait en 2000 environ 15000 MW de puissance installée. Actuellement, la capacité éolienne installée dans le monde est environ 300000 MW, et l’Europe représente la 30% de cette installation [1.12]. Figure 1.04 : Puissance éolienne cumulée dans le monde en [MW].
Principe de conversion de l’éolienne
Son principe est la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique selon la figure 1.05 [1.14]: Figure 1.05 : Système de conversion de l’énergie cinétique du vent. La conversion de cette énergie est régie par la relation 1.01 [1.15]: 𝐸𝑐 = 1 2 𝑚𝑣 2 (1.01) m : est la masse d’air ; v : la vitesse de l’air Cette vitesse du vent peut être modélisée par la fonction analytique [1.16]: 𝑉𝑣 (𝑡) = 10 + 0.2 sin(0.1047𝑡) + 2 sin(0.2665𝑡) + sin(1.2930𝑡) + 0.2 sin(3.6645𝑡) (1.02) Démonstration : ♣ En faisant des prélèvements annuels sur les données météorologiques et après avoir fait un lissage polynomial sur les données en fonction du temps, on obtient l’équation 1.02 ♦
Eléments constitutifs de la chaine de conversion éolienne
La chaine de conversion éolienne représente en majeure partie l’essence d’une éolienne. Les éléments constitutifs de cette chaine de conversion sont illustrés par la figure 1.06 [1.3] : Figure 1.06 : Schéma de la chaîne de conversion éolienne.
La turbine
C’est un dispositif constitué par des pâles entraînant une génératrice à l’aide d’un multiplicateur de vitesse de gain G. La puissance instantanée reçue par l’énergie cinétique du vent s’exprime par l’équation 1.03 si cette énergie peut être récupérée complètement [1.17]:
Table des matières
TENY FISAORANA
REMERCIEMENTS
NOTATIONS
1. Minuscules
2. Majuscules
3. Minuscules grecques
4. Majuscules grecques
5. Notations spéciales
6. Abréviations
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
TABLES DES MATIERES
INTRODUCTION ET POSITION DU PROBLEME
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART SUR LA CONVERSION DES SOURCES D’ENERGIES RENOUVELABLES
1.1 Introduction
1.2 Bilan énergétique mondiale
1.3 Conversion des sources d’énergies renouvelables
1.3.1 Contexte de la conversion d’énergie éolienne
1.3.1.1 Principe de conversion de l’éolienne
1.3.1.2 Eléments constitutifs de la chaine de conversion éolienne
1.3.2 Contexte de la conversion de l’énergie Solaire
1.3.2.1 Méthode de conversion : effet photoélectrique et jonction P-N
1.3.2.2 Modélisation d’une cellule photovoltaïque
1.3.2.3 Comportement du panneau photovoltaïque en générateur
1.3.2.4 Influence de l’éclairement et de la température sur le panneau photovoltaïque
1.3.2.5 Rendement des cellules photovoltaïques
1.3.2.6 Etudes comparatives des cellules photovoltaïques
1.3.2.7 Les différents types de systèmes photovoltaïques
1.3.2.8 Les éléments de conversion d’énergie du système photovoltaïque
1.4 Techniques d’intégrations des énergies nouvelles aux réseaux
1.4.1 Présentation des problématiques de l’intégration de l’énergie nouvelle
1.4.1.1 Effets sur les flux de puissance
1.4.1.2 Effets sur la tension
1.4.1.3 Effets sur la fréquence du réseau
1.4.1.4 Effets sur le plan de protection
1.4.1.5 Effets sur les puissances de court-circuit
1.4.1.6 Capacité d’accueil du réseau public de transport
1.4.1.7 Prévision de la production
1.4.1.8 Déconnexions intempestives
1.4.2 Technique d’intégration d’énergie au réseau
1.4.2.1 Principe d’intégration des sources d’énergie hybride
1.4.2.2 Principe d’intégration selon les productions décentralisée
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 METHODES ANALYTIQUES D’OPTIMISATION
2.1 Introduction
2.2 Etat de l’art sur les techniques d’optimisation multicritère
2.2.1 Formulation du problème d’optimisation multi objectif
2.2.2 Illustration d’un problème multiobjectif
2.3 Les paramètres en optimisation multicritère
2.3.1 La dominance
2.3.1.1 Définition
2.3.1.2 Propriétés
2.3.2 Optimalité de Pareto
2.4 Les méthodes d’optimisations
2.4.1 Méthodes déterministes
2.4.1.1 La somme pondérée
2.4.1.2 La méthode -contrainte
2.4.1.3 Méthode de programmation par but
2.4.1.4 Méthode du but à atteindre
2.4.2 Méthodes stochastiques
2.4.2.1 Les algorithmes des colonies de fourmis et abeilles artificielles
2.4.2.2 L’optimisation par essaim de particules
2.4.2.3 Recuit simulé
2.4.2.4 Algorithme génétique
2.5 Notion de fonction de désirabilité
2.5.1 Définition d’une fonction de désirabilité
2.5.2 Principe d’une fonction de désirabilité
2.5.2.1 La fonction de minimisation
2.5.2.2 La fonction « but ».
2.5.2.3 La fonction de maximisation
2.5.3 Indice de désirabilité
2.5.4 Méthodes de détermination des coefficients de pondération
2.5.4.1 Méthode des cartes
2.5.4.2 Méthode de la grille de pointage
2.5.4.3 Méthode AHP
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 MODELISATION DES ELEMENTS DU RESEAU ET DE LA GESTION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE DECENTRALISEE
3.1 Introduction
3.2 Présentation de l’architecture du réseau
3.2.1 Architecture actuelle
3.2.2 Vers un réseau intelligent
3.3 La répartition de puissance
3.3.1 Position du problème .
3.3.2 Calcul des transits
3.3.3 Méthode de calcul de la répartition de puissance
3.4 Modélisation du réseau
3.4.1 Modélisation de la ligne avec les constantes ABCD
3.4.2 Modèles des lignes de transmission
3.4.3 Modèle du transformateur
3.4.4 Générateur et charge
3.4.5 Modèle des éléments shunts
3.4.5.1 Injection de puissance à l’extrémité de la ligne
3.4.5.2 La création d’un nœud fictif
3.4.5.3 Modification de la matrice d’admittance nodale
3.4.6 Modélisation du compensateur SVC
3.4.7 Modélisation des compensateurs STATCOM
3.4.7.1 Contrôle du courant
3.4.7.2 Contrôle de la tension
3.4.7.3 Modèle moyen généralisé
3.5 Planification opérationnelle de la production d’énergie
3.5.1 Problème de l’engagement des unités de production
3.5.1.1 Formulation du Problème de l’engagement des unités de production
3.5.1.2 Contraintes de l’engagement des unités de production
3.5.2 Méthodes de résolution de l’engagement des unité
3.5.2.1 Les techniques conventionnelles de résolution de l’engagement
3.5.2.2 Techniques avancées de résolution de l’engagement des unités
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 OPTIMISATION MULTICRITERE DE LA PRODUCTION DECENTRALISE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
4.1 Introduction
4.2 Présentation de la méthode d’optimisation utilisée
4.3 Gestion opérationnelle de la production d’énergie
4.3.1 Contexte et Problématique
4.3.2 Situation des méthodes d’optimisation de la production d’énergie
4.3.3 Les méthodes conventionnelles
4.3.4 Formulation mathématique de la planification opérationnelle
4.3.5 Technique de gestion de la production décentralisée .
4.4 Définition des critères d’évaluation des performances
4.4.1 Critère de coût économique 13
4.4.1.1 Coût d’investissement initial CI 13
4.4.1.2 Coût de remplacement de composant CR
4.4.1.3 Coût de maintenance et de réparation CMR
4.4.1.4 Coût relatif à l’indisponibilité du système CISys
4.4.1.5 Coût de cycle de vie du système CCV
4.4.1.6 Temps de retour sur investissement TRI
4.4.2 Critère service rendu au consommateur
4.4.2.1 Délestage énergétique LPSP
4.4.2.2 Délestage temporel LLP
4.4.2.3 Qualité de l’énergie fournie
4.4.3 Critère écologique
4.4.3.1 Indicateur d’impact environnemental IIE
4.4.3.2 Temps de retour énergétique TRE
4.4.3.3 Temps de retour climatique TRC
4.4.4 Critères adjacents
4.5 Optimisation multi objectif
4.5.1 Classement des objectifs
4.5.2 Hiérarchisation des objectifs
4.5.3 Méthode d’optimisation adoptée
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 ETUDE DE SCENARII : OPTIMISATION DE LA PRODUCTION DECENTRALISE SUR UN RESEAU D’ENERGIE TYPE
5.1 Introduction
5.2 Méthode d’optimisation de la production décentralisée appliquée
5.2.1 Analyse du besoin.
5.2.2 Critères technologiques
5.2.3 Analyse fonctionnelle et structurelle du système
5.2.4 Elaboration des modèles énergétiques des principaux composants du système
5.2.4.1 Modélisation du système photovoltaïque
a. Modélisation du module photovoltaïque
b. Modélisation du système de stockage
5.2.4.2 Modélisation du système FACS
a. Structure du STATCOM
b. Mise en équation de la compensation via STATCOM
c. Commande du STATCOM
5.2.5 Qualification du modèle global
5.3 Présentation du réseau type
Caractéristiques générales
Données des impédances directes des lignes
Données de base des transformateurs
5.3.1 Résultat du load Flow
5.3.1.1 Résultats des nœuds
5.3.1.2 Résultats des branches
5.3.1.3 Résultats des transformateur
5.3.1.4 Bilan des charges et des pertes nettes totales
5.3.1.5 Bilan des charges nettes par zone ou par catégories d’utilisateur
5.4 Optimisation multiobjectif de la production décentralisée de l’énergie électrique
5.4.1 Définition des critères
5.4.1.1 Critères de coût économique
5.4.1.2 Critères de service rendu au consommateur
5.4.1.3 Critères environnementaux
5.4.2 Evaluation des objectifs
5.4.3 Calcul des poids liés aux critères et sous critères
5.4.4 Elaboration des équations min max
5.5 Simulation et présentation des résultats
5.5.1 Résultats par rapport au comportement du réseau
5.5.2 Résultat par rapport à l’optimisation
5.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES.
Annexe 1 : Publications de notoriété nationale et internationale
Annexe 2 : Méthode de comparaison par paires des critères
A.2.1 Introduction
A.2.2 Présentation des critères
A.2.3 Principe de la comparaison par paires des critères
REFERENCES
FICHE DE RENSEIGNEMENT
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