Flexibilité pour le réseau électrique à forte pénétration de systèmes photovoltaïques par l'optimisation du pilotage des consommations

Flexibility for the distribution grid with high penetration of photovoltaic systems through an optimized management of the consumption

• Auteur / Autrice : Chloé Lucas
• Direction : Tuan Tran-Quoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Ploix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eleonora Riva Sanseverino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Benbouzid, Marc Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économie de subsistance

Micro-réseaux électriques

Réseaux électriques (énergie) -- Répartition des charges

Optimisation mathématique

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Flexibilité

Micro-Réseau

Pilotage

Optimisation linéaire en nombres entiers

Autoconsommation

Flexibility

Micro-Grid

Management

Mixed integer linear programing

Self-Consumption

Résumé

Dans un contexte de transition énergétique, les réseaux électriques subissent de profondes mutations. L'utilisation croissante des énergies renouvelables, notamment de celles dont la production est intermittente et difficilement pilotable, pose des questions de sécurité d'approvisionnement en électricité. Les réseaux électriques, conçus pour acheminer l'électricité en fonction de la demande depuis les lieux de production en haute-tension vers les lieux de consommation en basse-tension, doivent être en mesure d'accueillir les flux montants générés par une quantité grandissante de systèmes de production non-pilotables, de plus faible puissance mais souvent raccordés directement au réseau de distribution. L'accueil de cette production décentralisée présente des défis, mais aussi des opportunités de diminuer les quantités d'énergie et de puissance transitant sur les réseaux électriques. La digitalisation grandissante de nos sociétés peut représenter dans ce contexte un levier de flexibilité en rendant possible le pilotage d'une plus grande part de la consommation face à une production devenant moins pilotable.Ces travaux de thèse portent sur les possibilités de pilotage de la consommation résidentielle, dans des quartiers à fort taux de pénétration de systèmes photovoltaïques, afin de fournir des services de flexibilité aux gestionnaires de réseaux et de réduire l'impact de la production décentralisée sur les infrastructures de distribution de l'électricité. Les stratégies de pilotage optimal, basées sur des formulations en programmation linéaire en nombres entiers des problèmes d'optimisation à résoudre, permettent d'introduire de la flexibilité dans certaines consommations résidentielles présentes dans un grand nombre de foyers. Ces stratégies de pilotage sont basées sur une gestion collective de la consommation, à l'échelle d'un quartier, afin de bénéficier du foisonnement découlant de l'agrégation d'un ensemble de profils de consommation. Elles permettent à la fois d'augmenter la quantité d'énergie autoconsommée et de réduire l'amplitude des échanges de puissance, ainsi que de proposer des services de modulation ou d'effacement d'une partie de la consommation du quartier.Ces stratégies ont été appliquées à un cas d'étude, modélisé de manière détaillée sur un banc de test virtuel, de manière à caractériser leur capacité à répondre aux divers objectifs. En particulier, leur robustesse face aux incertitudes de prévision et aux simplifications inhérentes à la modélisation a pu être évaluée. Les résultats montrent que l'optimisation des plages d'usage d'appareils électroménagers, à l'échelle d'un quartier, permet de moduler la consommation de manière précise et robuste face aux erreurs de prévisions. Cette possibilité de modulation de la consommation permet de réduire les déviations de tension au sein du micro-réseau. Les systèmes de chauffage représentent quant à eux un potentiel d'effacement intéressant, qui peut être exploité en modifiant marginalement les consignes de température régissant leur fonctionnement. Les résultats montrent qu'il est possible de modifier ces consignes de température de manière à effacer la quantité de puissance souhaitée tout en limitant les effets de rebond, sous réserve de disposer d'une modélisation fiable du comportement thermique des bâtiments.

In the context of energy transition, power grids undergo major transformations. The growing use of renewable energy sources, especially those whose generation is intermittent and difficult to control, raises issues concerning the security of electricity supply. Power grids have been designed to convey electricity from production sites at high voltage levels towards consumption sites at low voltage levels. They now need to absorb the upstream flows of electricity generated by an increasing amount of small-scale generation systems which are not controllable and connected directly to the distribution grid. This decentralized generation poses some challenges, but it is also an opportunity to decrease the amount of power and energy conveyed by power grids. The increasing digitalization of our societies may represent in that context a driver for flexibility, enabling the control of a larger part of the consumption in the face of a production becoming less controllable.This thesis deals with the means of controlling residential consumption in districts with a high penetration rate of photovoltaic systems, in order to provide flexibility services to the distribution system operator and to reduce the impact of decentralized production on electricity distribution infrastructures. The optimal control strategies based on mixed integer linear programming bring flexibility in the use of several appliances found in most households. These control strategies are based on a collective management of the consumption at a district scale, in order to profit from various consumption profiles. They enable both an increase in the amount of self-consumed energy, and a decrease in the magnitude of power exchanges. They also enable the district to offer consumption profile modulation services or consumption shedding services.These strategies have been applied to a study case, modeled in great detail on a virtual test bench, in order to evaluate their ability to respond to a set of objectives. In particular, their robustness to prevision uncertainties and modeling simplifications have been investigated. Results show that optimal planning of the use of some household appliances, at a district scale, enables a modulation of the consumption which is both precise and robust to prevision uncertainties. This opportunity to modulate the consumption results in a decrease in voltage deviations within the micro-grid. Electrical heating systems constitute an important potential for consumption shedding. This potential can be harnessed through marginal modifications in the temperature setpoints driving these heating systems. Results show that with a reliable model of the thermal behavior of buildings, it is possible to adjust these setpoints in order to shed the required amount of power while mitigating rebound effects.