Principes et développement d'un outil de création générique de contrôleurs prédictifs optimisés pour la gestion énergétique à l'échelle quartier

par Mathieu Brugeron

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Yves Maréchal, Frédéric Wurtz et de Peter Riederer.

Le président du jury était Monika Woloszyn.

Les rapporteurs étaient Hervé Guéguen, Christian Ghiaus.


  • Résumé

    Le changement climatique en œuvre est un enjeu crucial de notre siècle. Face à ses conséquences sur nos écosystèmes et notre société, les pouvoirs publics n’ont cessé de promulguer des réglementations en faveur d’une transition énergétique. Le secteur du bâtiment est un des principaux secteurs industriels émetteurs de gaz à effet de serre et son action est importante dans cette transition. Cela s’est traduit à l’échelle du bâtiment avec la mise en œuvre d’équipements à haute performance énergétique, mais l’impact de cette politique est surtout visible à l’échelle du quartier. De nouveaux systèmes de production d’énergie apparaissent, de nouveaux acteurs sont impliqués, des systèmes de stockage de l’énergie se diffusent. Ces changements amènent à reconsidérer les systèmes de gestion de l’énergie au niveau du quartier, les systèmes classiques, souvent réactifs, peinant à soutenir les nouvelles spécificités de ces réseaux. De plus, les systèmes de mesure se démocratisant, de nombreux flux de données deviennent exploitables et intégrables dans des méthodes de prédiction et de calibration de modèles physiques représentatifs des systèmes contrôlés. Dans ces conditions, les contrôleurs prédictifs à base de modèle ou MPC (Model Predictive Controller) deviennent envisageables et constituent une approche innovante et performante de gestion de l’énergie. Cependant, en dépit des nombreuses solutions développées à l’échelle de bâtiment ou du quartier, on observe un certain manque de généricité de cette approche.C’est dans ce contexte que les bases d’une plateforme de création de MPC a été créée dans le cadre de ces travaux de thèse. Basée sur une architecture générique orienté objet, cette plateforme a pour but à terme de pouvoir proposer des stratégies de gestion optimisées pour n’importe quelle typologie de quartier, même si dans ces travaux, nous nous limiterons à montrer son efficacité à l’échelle d’un quartier d’une dizaine de bâtiments.Tout d’abord, les méthodes employées sont décrites à travers un exemple simple mais suffisamment représentatif pour intégrer des notions de prédictions, d’identification de modèle et des logiques de formulation différentes : il s’agit de la gestion de l’eau chaude sanitaire avec un ballon solaire thermique dans un logement d’habitation. Cet exemple permet alors de considérer les spécificités d’un MPC pour ensuite pouvoir proposer une architecture générique. Composée de différentes classes d’objets permettant la configuration du MPC, son initialisation, sa modélisation ou encore sa connexion avec le système contrôlé, elle permet alors de générer une stratégie de gestion optimale via l’orchestration des différents composants.Dans cette bibliothèque de modèles, la zone thermique est un composant essentiel. Son fonctionnement est décrit, en détaillant une procédure d’identification spécifique à base d’analyse de sensibilité, avec des variantes de modèles et des méthodes de prédiction différentes. Cette étape de test à l’échelle du bâtiment permet de valider la généricité et le potentiel de cette architecture. Des résultats de couplage avec un simulateur sont présentés afin d’en montrer l’efficacité.La dernière partie est consacrée à un cas d’étude démonstratif consistant en un quartier de petite taille composé d’une dizaine de bâtiments avec des utilisation différentes (logements et bureaux) alimentés en électricité par une centrale de production photovoltaïque en autoconsommation collective. On y décrit le processus de création automatique, basé sur un ensemble de modèles, permettant d’obtenir le MPC. L’influence des paramètres de configuration est testée, et ce modèle a valeur de preuve de concept.

  • Titre traduit

    Principles and development of a generic creation tool of optimized predictive controller for energy management at district scale


  • Résumé

    The thermal zone is one of the key model to understand for energy management in buildings. Its model is described by detailing a specific process of calibration using a sensitivity analysis, two different models and two modules of prediction. This step at building scale validates the genericity and potential of the architecture. Coupling results with a simulation show its efficiency.Last part consider a case study, which consists in a small district of ten buildings. All of them are connected to a photovoltaic production central considering self-consumption approach. We described the automatic process of MPC creation, based on a set of optimization models. The influence of configuration parameters are tested, which consists in a concept proof.Finally, we consider the perspectives for the tool such as a upscaling of MPC complexity or a real case study considering its connection with real systems.


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