Caractérisation de l'impact sur la résilience des réseaux électriques à basse tension face à l'intégration de la production photovoltaïque et du stockage d'énergie à base d'hydrogène

Impact characterisation on the low-voltage electrical networks resilience level facing the integration of photovoltaic generation and hydrogen-based energy storage

• Auteur / Autrice : Rusber Octavio Rodriguez Velasquez
• Direction : David Bouquain, Daniel Hissel, Damien Paire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Universidad Industrial de Santander (Bucaramanga, Colombie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Berk Celik, Robin Roche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Alonso, Raphaël Caire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Production -- Génération répartie

Mots clés libres

Résilience électrique

Réseaux à basse tension

Production décentralisée

Systèmes photovoltaïques

Stockage d'énergie

Hydrogène

Electrical resilience

Low-voltage networks

Distributed generation

Photovoltaic systems

Energy storage

Hydrogen

Résumé

La capacité installée des systèmes PV augmente dans les réseaux MT et BT. En outre, les systèmes de stockage d'énergie (SSE) sont utilisés pour améliorer les performances des systèmes de production distribuée et d'autoproduction qui intègrent des énergies renouvelables. L'interconnexion inadéquate des systèmes PV et SSE peut altérer le fonctionnement des réseaux électriques. Elles peuvent également modifier la réponse du système à des perturbations de faible ou de forte intensité. Ce fait peut être favorable ou nuisible et peut être surmonté par le réseau électrique sans nécessiter d'interventions telles que des manœuvres correctives. La capacité de résister, d'absorber et de surmonter des événements défavorables peut être définie comme la "résilience électrique". La résilience est un concept qui prend de l'ampleur dans les systèmes électriques. Elle évalue leur performance face à des événements perturbateurs.Les approches correspondent principalement à des événements à fort impact et faible probabilité (HILP) affectant l'infrastructure des systèmes électriques. Toutefois, la résilience peut englober des événements à impact moyen ou faible, tels que des accidents mineurs, des défauts d'éclairage et des perturbations de l'approvisionnement. Les progrès de l'évaluation de la résilience des réseaux BT portent sur la vulnérabilité aux catastrophes naturelles, la probabilité de coupures de courant et la qualité du service. Ces études utilisent généralement des approches indépendantes les unes des autres, ce qui laisse un vide entre leur relation et leur interprétation. Il est donc nécessaire de consolider une stratégie d'évaluation de la résilience pour guider l'analyse des vulnérabilités et des forces dans la même direction.Cette thèse propose donc une approche globale pour évaluer la résilience électrique des réseaux BT. Elle présente une méthodologie intégrant la fragilité de l'infrastructure du système électrique, la continuité de l'approvisionnement et la qualité du service. Les effets favorables potentiels de l'intégration des systèmes d'énergie à base d'hydrogène (H2-SSE) dans les réseaux BT sont également pris en compte afin d'accroître la fiabilité de ces réseaux. L'approche proposée est appliquée au réseau BT du Bâtiment d'Ingénierie Électrique (EEB-UIS) de l'Universidad Industrial de Santander (UIS), en Colombie. À cette fin, le réseau EEB-UIS a été équipé de compteurs intelligents aux nœuds d'alimentation, et au point de couplage du système PV. Des informations sur les coupures de courant survenues entre 2012 et 2021 ont également été collectées.L'analyse de l'étude de cas permet de tester l'évaluation de la résilience proposée pour les réseaux BT. L'évaluation des conditions réelles de l'EEB-UIS indique que son infrastructure électrique présente un faible risque d'effondrement dû à des événements HILP. Sa fiabilité pourrait être renforcée en augmentant la couverture des charges non critiques. L'analyse de la résilience opérationnelle montre une alerte pour les problèmes de surtension et de déséquilibre de la charge. Ensuite, une analyse de retour d'information est développée pour déterminer les moyens de renforcer la résilience. Les stratégies proposées consistent à dimensionner le H2-SSE en tant que système de secours et à mettre en œuvre une stratégie de gestion de l'énergie. Le réseau électrique EEB-UIS est modélisé dans MATLAB & Simulink. Les simulations permettent d'évaluer l'influence de l'emplacement, de la capacité installée et du mode de fonctionnement du H2-SSE sur les performances du réseau BT. Il est identifié qu'une bonne gestion des sources distribuées peut renforcer la résilience électrique, principalement en termes de fiabilité et de qualité de fonctionnement. Le résultat global montre une analyse complète de la résilience et la possibilité d'étendre la méthodologie aux micro-réseaux et aux réseaux de distribution BT.

The installed capacity of on-grid photovoltaic (PV) solar systems is growing in medium-voltage (MV) and low-voltage (LV) networks composed of residential and commercial users. In addition, energy storage systems (ESS) are being used to improve the performance of distributed generation and self-generation systems that incorporate renewable energy. The unplanned and inadequate interconnection of PV and ESS can cause alterations in the operation of electrical networks. These could also alter the response of the electrical system to low or high-impact disturbance events. This fact can be favourable or harmful and can be overcome by the power grid without requiring interventions such as reconfigurations or corrective manoeuvres. The ability to withstand, absorb and overcome adverse events can be defined as "network electrical resilience". Resilience is a concept gaining strength in power systems, microgrids and low-power electrical installations. It evaluates their performance against disruptive events.The approaches mainly correspond to high-impact, low-probability (HILP) events such as natural disasters and intentional attacks affecting the electrical systems infrastructure. However, resilience can encompass medium and low-impact events such as minor infrastructure accidents, light faults, and supply disturbances. Resilience assessment advances on the LV networks include vulnerability to natural disasters, the probability of power outages, and service quality. These studies usually use approaches independent of each other, leaving a gap between their relationship and interpretation. Then, there is a need to consolidate a resilience assessment strategy to guide the analysis of vulnerabilities and strengths in the same direction.Thus, this thesis proposes a comprehensive approach to evaluate electrical resilience for LV networks. It compiles quantitative strategies for studying electrical resilience, focusing on LV systems. It presents a methodology integrating the electrical system infrastructure's fragility, the supply's continuity, and the service's quality. The potential favourable effects of integrating hydrogen-based ESS (H2-ESS) in LV networks are also considered to increase the reliability of the LV networks. The proposed approach is applied in the LV network of the Electrical Engineering Building (EEB-UIS) at the Universidad Industrial de Santander (UIS), Colombia. For this purpose, the EEB-UIS network has been equipped with smart meters at the supply nodes, the PV system coupling point and the load board circuits. Information on power supply outages during 2012-2021 was also collected.The case study analysis allows for testing the effectiveness of the comprehensive resilience evaluation proposed for LV networks. The assessment regarding the actual conditions of the EEB-UIS indicates that its electrical infrastructure has a low risk of collapse due to HILP events. Its reliability could be strengthened by increasing the backup system's coverage of the non-critical loads. Operation resilience analysis shows a general alert for overvoltage issues and load unbalance. Then, a feedback analysis is developed to determine ways to strengthen electrical resilience. The proposed strategies are sizing H2-ESS as a power backup system and implementing an energy management strategy. The EEB-UIS power grid is modelled in MATLAB & Simulink, and quasi-static power flows are run. The simulations allow evaluation of the influence of the H2-ESS's location, installed capacity and operation mode on the LV network performance. It is identified that proper distributed sources management can strengthen electrical resilience, mainly in reliability and operation quality. The overall result shows a comprehensive resilience analysis and the possibility of extending the methodology to microgrids and LV distribution networks.