Conception optimisée d’un microgrid isolé à forte intégration renouvelable avec objectif de fiabilité

Isolated microgrid design with high renewable energy penetration with a reliability objective

• Auteur / Autrice : Maël Riou
• Direction : Michel Benne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 03/02/2022
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’énergétique, d’électronique et procédés (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tuan Tran-Quoc, Anne Blavette, Florian Dupriez-Robin, Dominique Grondin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Ossart, Robin Roche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Électrification rurale

Fiabilité

Micro-réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Microgrid

Électrification rurale

Fiabilité

Dimensionnement

Optimisation multi-Objective

Microgrid

Electricity access

Reliability

Sizing

Multi-Objective optimisation

Résumé

Les solutions d’électrification hors-réseaux sont en pleine expansion dans les zones isolées de la planète où l'absence d'accès à l'électricité représente un frein principal au développement. Cette thèse se concentre sur les microgrids isolés qui sont des petits réseaux électriques destinés à alimenter des zones n’ayant pas de raccordement possible au réseau de distribution principal. Ces microgrids isolés, fonctionnant à base de production solaire, de groupes électrogènes et de stockage par batteries, sont cependant plus fragiles et les utilisateurs peuvent subir des interruptions fréquentes si le réseau n'est pas conçu avec précaution. La fiabilité est donc un critère important pour assurer d’une part la viabilité de ces projets et d’autre part pour permettre l’amélioration des conditions de vie des populations. Ainsi, il est proposé une méthode de conception multi-objective de ces microgrids isolés sur les critères économique, environnemental, et de fiabilité. La méthode utilise un algorithme génétique pour faire évoluer la configuration du microgrid vers un optimum et permet de visualiser les compromis entre les trois objectifs. Une modélisation énergétique du système est utilisée pour l’ensemble des composants du microgrid et des différentes briques de contrôle. Les résultats ont montré que la fiabilité peut être optimisée avec un taux d’intégration renouvelable très important et un coût maîtrisé. Il y a un intérêt à prendre en compte les pannes des composants qui ont un impact sur l’indisponibilité globale subie par les microgrids, les méthodes retrouvées dans la littérature se focalisant généralement seulement sur un critère d’adéquation production-consommation. L’adaptation de la méthode pour permettre un dimensionnement évolutif des microgrids a permis d’optimiser davantage la performance en permettant un dimensionnement initial plus faible et des renforcements possibles au fur et à mesure de la vie du projet. L’impact sur le coût long-terme est important tout en optimisant les sollicitations des composants aux différents stades d’évolution du système. Une analyse de sensibilité a permis de mettre en avant les facteurs d’impact les plus importants. L’évolution de la consommation est une forte incertitude, donc l’impact peut être réduit par le dimensionnement évolutif proposé dans cette thèse.

Off-grid electrical systems are a promising solution to power remote areas, where the lack of electricity access represents a barrier to development. This thesis focuses on isolated microgrids, which are small electrical systems designed to power regions that lack a connection to the main electricity grid. These microgrids, comprising photovoltaic arrays, diesel generators and storage systems are more fragile, and users can experience frequent interruptions if the system is not designed properly. Reliability is thus a critical criterion to ensure viable microgrid projects with a real impact on living conditions for the concerned populations. A multi-objective optimisation method is therefore proposed to design these microgrids considering three objectives: economical, environmental and reliability. The method uses a genetic algorithm to make the configuration of the microgrid evolve towards and optimum and enables visualising trade-offs between all design objectives. All microgrid components including generators, power converters, storage systems and control units are modelled on an energetic scale. The results have shown that reliability can be optimised with a high level of renewable integration with little extra cost. The consideration for component failure has been seen to be beneficial as they impact overall reliability. Reliability is often evaluated in the literature solely regarding power adequacy. The method was then adapted to enable evolutive sizing of microgrids, which has been observed to improve the overall performance. By enabling smaller initial sizing with progressive repowering, the overall long-term cost can be reduced while optimising solicitation on system components. A sensibility analysis has enabled identifying the parameters with high impact on optimisation results. Load consumption evolution is a main uncertainty, whose impact can be reduced with the proposed evolutive sizing.