Etude de l’intégration de la prévision de la ressource solaire dans un système de gestion énergétique hybride (solaire / combustible fossile) pour des sites industriels isolés sans stockage

Study of the integration of solar short term forecasting into a Power Managmenet System of storage-less isolated hybrid energy system with photovoltaic / fossil fuel

• Auteur / Autrice : Fuqiang Zhuang
• Direction : Philippe Blanc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Observation, Impacts, Énergie. Sophia-Antipolis
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lauret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Blanc, Sylvain Cros, Elke Lorenz, Rodrigo Amaro E Silva, Yves-Marie Saint-Drenan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Perez, Cristina Cornaro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Systèmes photovoltaïques

Énergie solaire

Mots clés libres

Intégration PV

Unit Commitment

Système d’Energie Hybride

Gestion de puissance

PV integration

Unit Commitment

Hybrid Energy System

Power Management System

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l'intégration de l'énergie solaire dans les systèmes d'énergie hybride (HES) isolés sans stockage. Dans ce type de système qui est composé par des groupes électrogènes diesel et système Photovoltaïque (PV), la variabilité solaire doit être considérée car il pose des problèmes de la stabilité du réseau électrique. L'utilisation de systèmes de stockage d'énergie (ESS) est couramment recommandée pour atténuer cette variabilité. Cependant, l’utilisation des stockages venant toujours avec des contraintes telles que des coûts d'investissement élevés, des impacts environnementaux supplémentaires et des problèmes de maintenance potentiels. Le concept d’un dédié Power Management System (PMS) avec une prévision solaire court-terme est proposé pour réduire ou même remplacer l’utilisation des ESS. Cette thèse vise à explorer la faisabilité de ce concept et les gains potentiels qu'il pourrait apporter. Pour évaluer la performance économique du HES, nous avons mis en place un simulateur numérique basée sur une approche de coût, qui évalue la performance du HES en coût, où le coût final du système est utilisé comme indicateur de performance. Ce simulateur dispose de plusieurs paramètres configurables pour différents scénarios, tels que le taux de pénétration du PV, le temps de mise à jour des dispatchs des génératrices, l'horizon de prévision, différentes approches de dimensionnement pour la réserve tournante et différentes méthodes de prévision. Étant donné que le coût du système est pertinent pour la qualité de la prévision et la variabilité solaire, nous explorons également la relation entre la performance statistique de la prévision et la performance économique du système. Enfin, les résultats obtenus montrent que les métriques classiques ne sont pas suffisantes pour représenter correctement la performance économique. Par conséquent, l'utilisation d'un outil de simulation comme le nôtre est peut-être une option plus directe et intuitive pour évaluer l’impact de la qualité de la prévision sur la performance économique du système.

When using solar energy in a hybrid energy system (HES), its temporal variability must be considered to ensure grid stability. In an off-grid HES which is composed of diesel generators and PV systems, energy storage systems (ESS) are commonly used to mitigate the variability. However, in large-scale off-gird HESs, the benefits stemming from ESS are accompanied by some drawbacks such as additional investment costs, extra environmental impacts, maintenance issues, etc. The use of a Power Management System (PMS) with short-term probabilistic forecasts may reduce or eliminate the need for an ESS. However, while numerous studies exist on solar forecasting and algorithms for Unit commit (UC) problems, there are few work studies on a concrete problem for this kind of insular storage-less HES. Hence, this thesis aims to find out the feasibility of this concept and the potential benefits of using a PMS with solar forecasting. To evaluate the HES economic performance, we developed a simulation platform based on a cost-based approach, which assesses the HES performance in cost, and the final system cost is used as the performance indicator. This simulation platform has several configurable parameters for different scenarios, including the PV penetration rate, the generator dispatch update time, the forecast horizon, different sizing approaches for spinning reserve and different forecast methods. As the effective system cost is linked to both the forecast method quality and the solar variability, we examine the relationship between the statistical performance of forecasts and the economic performance of the system. Finally, the obtained results show that the classic statistical metrics are inadequate to correctly reflect the practical economic performance. Therefore, using a cost-based simulation tool maybe is a more direct and intuitive option to evaluate the influence of forecast method quality on final system economic performance.