Alors que l'installation des énergies renouvelables (SER) s'étend, un besoin critique se fait jour pour la meilleure utilisation possible de l'énergie produite. La réponse à la manière d'atteindre la production et la gestion optimale de l'énergie renouvelable se trouve dans ces lignes. Le système proposé comprend des panneaux photovoltaïques et des éoliennes à axe vertical (VAWT), qui produisent de l'énergie en fonction de l'ensoleillement et de la vitesse du vent. L'excédent de cette énergie peut être soit stocké dans des batteries disponibles, soit converti en énergie potentielle par le biais de pompage hydraulique, élevant l'eau d'un réservoir inférieur à une tour d'eau. Cette énergie peut être utilisée pour la production d'électricité lorsque la demande dépasse la production. En ce qui concerne l'eau de la tour d'eau, la conversion de l'énergie potentielle en électricité se fait via un hydro-générateur. Dans les cas où la production, combinée à la disponibilité de l'énergie, ne peut pas répondre à la demande, un raccordement au réseau ORDÉH a été prévu, et pour les cas de pannes étendues dans le fonctionnement du fournisseur, l'installation d'un générateur diesel a été anticipée.
Le micro-réseau standard présente l'innovation de centraliser et dispose du DC Bus comme principale source d'énergie. Cela signifie qu'en utilisant le DC Bus, le producteur peut connecter divers réseaux, qui peuvent fonctionner de manière indépendante et/ou en parallèle. Pour clarifier, des onduleurs triphasés peuvent être connectés pour alimenter des charges triphasées, tandis que deux onduleurs monophasés indépendants peuvent être connectés pour alimenter deux charges monophasées indépendantes. Le contrôleur, ayant prédéfini les charges critiques, peut effectuer des calculs pour tous les réseaux, "pensant" et "décidant" pour tous en même temps, comme s'il s'agissait d'un réseau cohérent.
Naturellement, l'organisation et la priorisation de toutes les capacités mentionnées ci-dessus du système relèvent de la responsabilité d'un contrôleur autonome novateur (AmEFC), qui prend des décisions concernant l'utilisation de l'énergie. Un facteur clé influençant la distribution de l'énergie est la catégorisation des charges. En fonction de la criticité des charges, leur priorité est déterminée. L'autre facteur qui influence les décisions du contrôleur est les prévisions qu'il reçoit concernant l'ensoleillement et la vitesse du vent pour les jours à venir. De plus, grâce à ce logiciel innovant, l'accès aux données opérationnelles de tous les composants du système est fourni, permettant des modifications de paramètres et une réduction de l'usure du micro-réseau.
Un avantage écrasant de l'ensemble du système est la possibilité d'expansion de chacun de ses segments. Particulièrement remarquable est l'innovation dans le choix des onduleurs, qui est étroitement liée à l'objectif du projet. Cette capacité même est ce qui ouvre la voie à la mise en œuvre de la proposition à plus grande échelle. L'objectif est d'interconnecter de tels micro-réseaux au sein du tissu urbain et d'améliorer encore davantage la gestion de l'énergie grâce à la collaboration des contrôleurs respectifs.
Objectifs
Les principaux objectifs sur lesquels repose l’ensemble de cette étude sont les suivants :
- Fiabilité et durabilité grâce à des ajustements dynamiques de la production et de la consommation d’électricité.
- Gestion optimale de l'énergie avec l'équilibrage de l'offre et de la demande par le biais de l'évaluation de la capacité de production de l'énergie et de la connaissance des prévisions météorologiques.
- Évolutivité, ce qui est obtenu grâce à la capacité d'adapter les systèmes aux changements de la demande, mais aussi à la flexibilité d'intégrer de nouvelles SER. La possibilité pour les micro-réseaux de fonctionner à l’échelle de la ville, en échangeant des ressources avec d’autres micro-réseaux, est également particulièrement importante.
Présentation détaillée des sections du micro-réseau
Par la suite, une présentation plus détaillée sera donnée concernant la conception, le cadre théorique, les avancées technologiques et les applications pratiques de chaque segment du micro-réseau, mettant en lumière leur potentiel à prévaloir dans le domaine de l'intégration des sources d'énergie renouvelables
1. Éléments de base d'un micro-réseau standard
- Systèmes photovoltaïques (PV) solaires: Basées sur la modularité, elles permettent la scalabilité du système et son adaptation aux besoins énergétiques changeants.
- Éoliennes à axe vertical (VAWT) Leur conception garantit de faibles perturbations acoustiques, tandis que l'accessibilité au niveau du sol simplifie les tâches de maintenance. De plus, ces éoliennes démontrent une efficacité accrue même par mauvais temps, en exploitant l'énergie même lorsque les éoliennes conventionnelles pourraient rencontrer des difficultés. Le design ici est également pensé pour être modulaire, facilitant les expansions futures au besoin.
- Pompes En exploitant la capacité de l'énergie potentielle gravitationnelle, les pompes offrent un moyen fiable et extensible pour le stockage d'énergie à des fins d'utilisation future.
2. Régulateurs de charge MPPT
Une autre partie intégrante du microgrid est constituée par les MPPTs, dont le rôle est de suivre le point de puissance maximale des Sources d'Énergie Renouvelable (SER). Conçus pour optimiser l'utilisation de l'énergie exportée, chaque SER est connecté individuellement à son MPPT correspondant.
Également faciliter l'échange de données en temps réel grâce à une configuration directe des données dans le cloud. L'interconnexion de ces Mppt est accompli dans le Bus DC, qui fonctionne comme un centre unique pour la distribution et la gestion de l'énergie. L'approche modulaire garantit l'évolutivité.
3. Batteries en série
Pour améliorer la fiabilité du système de microgrid, des ensembles de batteries ont été intégrés. La microgrid offre une flexibilité dans le choix de la technologie des batteries, offrant des options pour des batteries au plomb-acide ou des systèmes de batteries lithium-ion avancés.
Chaque ensemble de batteries est équipé d'un système de gestion de batterie (BMS) de pointe, qui joue un rôle essentiel dans la protection de la santé et de la durée de vie des batteries grâce à un contrôle précis de leurs processus de charge et de décharge.
Tout comme les MPPT, les systèmes de gestion de batterie (BMS) ont également la capacité de transmettre en temps réel des données sur les performances des batteries et les métriques de santé à la plateforme cloud du fabricant de batteries. Cette intégration de données ouvre la voie à la surveillance à distance, au diagnostic de la santé et à l'analyse prédictive, fournissant aux parties prenantes des informations précieuses sur les performances des batteries et la durée de vie prévue.
4. Onduleurs monophasés
Si les besoins en consommation d'énergie augmentent à l'avenir, l'architecture de la micro-réseau permet facilement une évolutivité sans nécessiter une refonte complète de l'infrastructure centrale.
Ces onduleurs ne sont pas simplement des éléments passifs. Ils sont équipés de capteurs et d'unités de communication qui surveillent en continu le flux d'énergie. Ces données sont transformées en temps réel sur la plateforme cloud maintenue par le fabricant de l'onduleur. L'intégration avec le cloud facilite la surveillance à distance, le traitement analytique et la maintenance prédictive, réduisant l'inertie et assurant une fourniture continue d'énergie.
De plus, les onduleurs sont interconnectés, formant un réseau de communication interne. Cette interconnexion entre les onduleurs est cruciale pour coordonner leurs opérations, maintenir la cohérence de phase et assurer une distribution équilibrée de la charge dans le système triphasé
5. Charges du micro-réseau
Au sein de l'architecture complexe du prototype de micro-réseau AmEFC, la consommation d'énergie évolue de manière intelligente en fonction de l'importance et de la priorité des charges connectées. Les catégories de charge suivantes sont identifiées dans notre système :
Charges critiques: Typiquement inclus dans ceux-ci se trouvent des systèmes de support de vie, des environnements de soins de santé réglementés, des installations d'éclairage d'urgence, des systèmes de communication et d'autres services essentiels. Le système fonctionne sur le principe que les charges critiques ne cesseront jamais leur fonction. | charges normales Représentant la majorité de la consommation, ils englobent les appareils et systèmes de la vie quotidienne, de l'éclairage et du contrôle climatique aux appareils électroménagers. Bien que ces charges bénéficient également d'une alimentation électrique ininterrompue, il existe une hiérarchie de service. | Charge de la tour hydroélectrique Dans les cas où la production d'énergie dépasse significativement la consommation, au lieu de laisser cette énergie être perdue, le système la dirige vers la tour hydroélectrique. Ces pompes, après avoir évalué les conditions météorologiques et les données des batteries, convertissent l'excès d'énergie électrique en énergie potentielle. |
6. Soutien de la ORDÉH et sources auxiliaires
Connectivité réseau Il fournit un support, notamment pendant les périodes prolongées de faible production d'énergie renouvelable ou lors de pics de demande imprévus. Le système, qui puise de l'énergie dans le réseau, garantit que son équilibre énergétique interne reste inchangé, tandis que en cas de surplus d'énergie, celle-ci peut être réinjectée dans le réseau.
Générateur diesel: Cette source d'énergie compensatoire peut être activée immédiatement en comblant les éventuels écarts énergétiques, garantissant ainsi que le micro-réseau reste opérationnel et continue d'alimenter ses charges sans interruption.
7. Capacités de décharge du réseau
Un autre point important est la gestion de la production excédentaire. Dans les systèmes qui comprennent des éoliennes, il est très fréquent de dépasser la production, non seulement la demande, mais aussi la capacité de la batterie, surtout si les unités associées batterie est saturé. En contraste avec les méthodes conventionnelles de traiter l'excès de l'offre, telles que la déconnexion de l'éolienne ou la redirection de l'énergie dans la résistance, le standard micro-réseau AmEFC présente une solution innovante. Dans le cas de la tour de l'eau, dans lequel est stockée l'eau, atteint le maximum, elle a fourni un plan de sauvegarde afin de rediriger le déborder dans le côté d'un ruisseau. Cela garantit un équilibre constant et éviter le gaspillage de l'énergie.
8. Logiciel AmEFC : Le centre de traitement du micro-réseau
L’efficacité du micro-réseau AmEFC ne réside pas seulement dans ses caractéristiques techniques. Au cœur se trouve le logiciel AmEFC, un outil de calcul et de contrôle avancé conçu pour harmoniser de manière transparente la combinaison complexe des flux d’énergie dans tout le système. Les principales fonctions de ce logiciel sont les suivantes :
Flux de données d'équipement vers le cloud: Presque tous les appareils du micro-réseau remplissent non seulement la fonction qui leur est assignée, mais communiquent en permanence des données de fonctionnement importantes en temps réel aux nuages correspondants, augmentant ainsi les performances du système.
Agrégation et stockage des données: Toutes les informations sont systématiquement organisées et stockées, ce qui garantit que chaque décision prise par le système est basée sur des informations complètes et à jour.
Stratégies de calcul avancées: À l'aide de stratégies de flux de puissance optimal (OPF), il détermine la répartition la plus efficace de l'énergie dans le réseau, garantissant que chaque élément fonctionne au maximum de son potentiel tout en répondant aux demandes des charges connectées.
Apprentissage par renforcement (RL)-contrôle: Le logiciel apprend des données historiques, reconnaît des modèles et s'adapte aux nouvelles situations et ainsi RL prend ses décisions prédictives.
Prise de décision en temps réel et contrôle automatique : L'utilisation combinée d'OPF et de RL garantit que le logiciel est également proactif. Le système prend en permanence des décisions en temps réel pour maintenir un flux d’énergie et une efficacité du système optimaux.
9. La colonne vertébrale de l'exécution AmEFC
La collaboration entre le logiciel et le matériel garantit un flux d'énergie transparent, garantissant ainsi des performances et une fiabilité optimales du système. Plus précisement:
Interface matérielle : au cœur de la fonctionnalité du contrôleur AmEFC se trouve sa connectivité électrique complète à un grand nombre de dispositifs et de charges de micro-réseau. Ceci est réalisé via un panneau de relais. Ces relais fonctionnent avec ou sans interface, permettant au contrôleur d'organiser la distribution d'énergie en établissant ou en rompant les connexions chaque fois que nécessaire.
Fonctions logicielles côté client: Conçu spécifiquement pour les exigences spécifiques des micro-réseaux, ce logiciel récupère en continu les données du Cloud Center, les exploitant pour prendre des décisions en temps opportun concernant l'allocation et le flux d'énergie.
Contrôle dynamique du flux de puissance : Le logiciel peut rapidement connecter ou déconnecter divers composants, ce qui lui permet de répondre immédiatement aux changements de demande énergétique ou aux fluctuations de l'approvisionnement.
10. Défis d'interconnexion et opportunités pour les micro-réseaux AmEFC dans l'extension urbaine
Un défi majeur réside dans la synchronisation de plusieurs micro-réseaux avec des capacités de production, des modèles de consommation et des conditions de fonctionnement variés. Le fait que l'utilisation des sources d'énergie renouvelable (SER) s'élargisse constamment, dépendant largement de facteurs environnementaux, signifie que lors de l'échelonnement de ces micro-réseaux, il peut facilement y avoir des micro-réseaux produisant un excès d'énergie et d'autres qui sont actuellement en retard.
En savoir plus Le Micro-réseau du Contrôleur d'Énergie Autonome
Résultats et conclusions
Un point crucial de compréhension avant l'analyse des performances du système est l'étape d'initialisation, caractérisée par l'absence de production d'énergie ou de stockage. Cette étape constitue le point de référence sur lequel nous évaluerons la réaction du système à diverses influences environnementales externes. L'adaptabilité et l'efficacité de l'AmEFC peuvent être mieux observées lorsque le système est soumis à une série de conditions météorologiques. Pour différencier cela, nous classons les conditions climatiques en fonction de deux principaux facteurs : le rayonnement solaire et la vitesse du vent. Ces facteurs sont ensuite divisés en trois catégories distinctes pour une analyse détaillée.
La différenciation des catégories se fait par
Rayonnement Solaire
- Journée ensoleillée
- Journée avec un ensoleillement modéré
- Journée avec peu de soleil
Vitesse du vent
- Journée avec un vent fort"
- Journée avec une vitesse de vent modérée
- Journée avec une faible vitesse de vent
Les sections suivantes examineront l'interaction détaillée entre ces conditions climatiques et la production d'énergie correspondante, révélant la résilience et la fiabilité du système de micro-réseau AmEFC.
| Ensoleillement (w/m2 haut) | Le vent (m/2) | Moyennement ensoleillé (w/m2 ) | Modérément vent(m/2 ) | Un peu de soleil(w/m2 ) | Un peu de vent (m/2 ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4.1 | 0 | 3.8 | 0 | 0.3 |
| 0 | 5.2 | 0 | 4.0 | 0 | 0.4 |
| 0 | 6.5 | 0 | 4.3 | 0 | 0.5 |
| 0 | 7.3 | 0 | 4.5 | 0 | 0.7 |
| 100 | 8.0 | 10 | 4.7 | 10 | 0.8 |
| 400 | 8.5 | 50 | 5.0 | 30 | 0.9 |
| 600 | 9.0 | 150 | 4.8 | 50 | 1.0 |
| 800 | 9.3 | 300 | 4.6 | 70 | 1.1 |
| 900 | 9.5 | 400 | 4.5 | 90 | 1.2 |
| 1000 | 9.8 | 450 | 4.7 | 100 | 1.3 |
| 1100 | 9.4 | 350 | 5.1 | 110 | 1.0 |
| 1000 | 8.7 | 300 | 4.9 | 120 | 0.8 |
| 1100 | 7.8 | 450 | 4.6 | 130 | 0.6 |
| 1000 | 7.2 | 500 | 4.4 | 120 | 0.5 |
| 900 | 6.6 | 450 | 4.2 | 110 | 0.4 |
Simulation hebdomadaire du micro-réseau AmEFC
Pour tester rigoureusement le système de microdistribution AmEFC et, plus important encore, les performances opérationnelles du contrôleur, une simulation d'une semaine complète a été mise en place. La simulation a été structurée pour couvrir une variété de conditions climatiques en combinant les catégories susmentionnées de rayonnement solaire et de vitesse du vent. La séquence fournit une image complète, couvrant à la fois les conditions optimales et les pires cas, pour évaluer l’adaptabilité, la résilience et l’efficacité du système.
Ci-dessous la séquence de la semaine :
| Jours | Ensoleillement | Catégorie | Vitesse du vent | Catégorie |
|---|---|---|---|---|
| Jour 1 | Fort ensoleillement | Un | Haut | Un |
| Jour 2 | Fort ensoleillement | Un | Modéré | D |
| Jour 3 | Ensoleillement modéré | D | Haut | Un |
| Jour 4 | Ensoleillement modéré | D | Modéré | D |
| Jour 5 | Ensoleillement faible | C | Haut | Un |
| Jour 6 | Ensoleillement faible | C | Modéré | D |
| Jour 7 | Ensoleillement modéré | B | Bas | C |
Cette séquence, qui combine le rayonnement solaire et la vitesse du vent, constitue le cœur de la simulation. Les données générées à partir de cette combinaison de conditions permettent à l’AmEFC d’adapter et d’optimiser le flux d’énergie, soulignant ainsi sa praticité et sa robustesse dans le monde réel.
Une série de graphiques est présentée, illustrant l'impact mutuel entre les principaux facteurs environnementaux - rayonnement solaire et vitesse du vent - et la production d'énergie dans le système. Ces visualisations découlent d'observations d'une semaine où les jours ont été catégorisés en fonction des conditions météorologiques prédominantes (ensoleillement et vent). Cette catégorisation simule non seulement la réponse du système dans diverses conditions réelles, mais souligne également la flexibilité et l'efficacité du régulateur AmEFC. Chaque graphique est conçu pour fournir une image détaillée des tendances quotidiennes, des pics, des creux et des anomalies, offrant une compréhension globale de la manière dont le système s'adapte à divers scénarios d'entrée d'énergie pour une distribution énergétique optimale lors de différentes simulations.
Scripts de test pour le contrôleur AmEFC
Pour confirmer l'efficacité et l'adaptabilité du contrôleur AmEFC dans une variété d'environnements, nous avons conçu quatre scénarios différents. Chacun de ces scénarios introduit des complexités et des fonctions progressivement ajoutées, simulant des conditions à la fois typiques et défavorables pour le système de micro-réseau :
Scénario 1 : Fonctionnement hors réseau sans prévision météo et sans un château d'eau
Dans cette configuration simple et « nue », le micro-réseau fonctionne dans une isolation totale, sans entrées de données externes telles que les prévisions météorologiques et sans château d'eau. L'objectif principal du contrôleur AmEFC dans ce scénario est simplement de gérer efficacement la production d'électricité à partir du RES. Ce scénario représente une vérification basique, mais également essentielle, des capacités du système en matière de gestion autonome de l'énergie.
Sans prévisions météorologiques, le système ne parvient pas à maintenir les charges critiques en ligne, même avec l'utilisation du stockage d'énergie dans la tour hydroélectrique.
Scénario 2: Mode hors réseau avec prévisions météo intégrées
Dans cette configuration simple, le micro-réseau fonctionne complètement de manière isolée, sans entrées de données externes telles que les prévisions météorologiques. L'objectif principal du contrôleur AmEFC dans ce scénario est simplement de gérer efficacement la production d'électricité à partir du SER et de diriger tout excès d'énergie directement vers le château d'eau pour le stockage. Ce scénario représente une vérification basique, mais également essentielle, des capacités du système en matière de gestion autonome de l'énergie
Sans prévisions météorologiques, le système ne parvient pas à maintenir les charges critiques en ligne, même avec l'utilisation du stockage d'énergie dans la tour hydroélectrique.
Scénario 3: Mode hors réseau avec prévisions météo intégrées
Basé sur la configuration précédente, ce script intègre les données de prévisions météorologiques réelles en temps réel dans le système. Avec cet ajout, le contrôleur AmEFC gère non seulement la production et le stockage d’énergie, mais ajuste également de manière proactive les stratégies de distribution d’énergie. En anticipant d'éventuelles pénuries ou surplus d'électricité, sur la base des données météorologiques, le contrôleur peut garantir un approvisionnement ininterrompu des charges critiques. En même temps, il peut déconnecter temporairement les charges normales comme stratégie de mouvement pour économiser de l'énergie pendant les périodes de faible production prévues.
Les prévisions météorologiques protègent le système et assurent la sécurité des charges critiques, en utilisant l'énergie de l'eau de la tour pour un réglage précis, en éteignant le reste des charges si nécessaire.
À travers ces scénarios difficiles successifs, nous visons à mesurer l’efficacité opérationnelle, l’adaptabilité et la capacité de prise de décision du contrôleur AmEFC dans diverses situations réelles de micro-réseaux.
Scénario 4 : fonctionnement hybride avec connexion réseau
Le scénario de test final et le plus complexe introduit la possibilité de connecter le micro-réseau au réseau urbain plus vaste. Dans cet arrangement, l'AmEFC gère de manière dynamique l'énergie excédentaire en prenant la décision de stocker l'énergie dans la tour ou de la vendre au réseau. L'objectif principal est de garantir que toutes les charges restent opérationnelles en permanence en exploitant les avantages du stockage et de la vente d'énergie. Ce scénario montre le potentiel du contrôleur AmEFC dans un paysage énergétique plus intégré, où les micro-réseaux peuvent interagir avec des infrastructures énergétiques plus vastes.
Le système, connecté au réseau, maintient les charges critiques et normales en fonctionnement (100 %) avec les mêmes priorités, en utilisant d'abord l'excédent de stockage dans le château d'eau et en vendant l'excédent au DEH.
Financement
Le AmEFC (EMION) est financé par le Secrétariat Général à la Recherche et à l'Innovation de la République Hellénique, avec le numéro de proposition [T2ΕΔΚ-02878], financé par l'Union européenne.
Le projet est mené sous l'égide du Service Spécial pour la Gestion et la Mise en Œuvre des Actions dans les domaines de la Recherche, du Développement Technologique et de l'Innovation (EYDE ETAKE), avec le cofinancement de la Grèce et de l'Union européenne.
Recherche et résultats sur le Contrôleur Autonome
ΙΩΝΙΚΗ Autonome
Alors que l'installation des énergies renouvelables (SER) s'étend, un besoin critique se fait jour pour la meilleure utilisation possible de l'énergie produite. La réponse à la manière d'atteindre la production et la gestion optimale de l'énergie renouvelable se trouve dans ces lignes. Le système proposé comprend des panneaux photovoltaïques et des éoliennes à axe vertical (VAWT), qui produisent de l'énergie en fonction de l'ensoleillement et de la vitesse du vent. L'excédent de cette énergie peut être soit stocké dans des batteries disponibles, soit converti en énergie potentielle par le biais de pompage hydraulique, élevant l'eau d'un réservoir inférieur à une tour d'eau. Cette énergie peut être utilisée pour la production d'électricité lorsque la demande dépasse la production. En ce qui concerne l'eau de la tour d'eau, la conversion de l'énergie potentielle en électricité se fait via un hydro-générateur. Dans les cas où la production, combinée à la disponibilité de l'énergie, ne peut pas répondre à la demande, un raccordement au réseau ORDÉH a été prévu, et pour les cas de pannes étendues dans le fonctionnement du fournisseur, l'installation d'un générateur diesel a été anticipée.
Le micro-réseau standard présente l'innovation de centraliser et dispose du DC Bus comme principale source d'énergie. Cela signifie qu'en utilisant le DC Bus, le producteur peut connecter divers réseaux, qui peuvent fonctionner de manière indépendante et/ou en parallèle. Pour clarifier, des onduleurs triphasés peuvent être connectés pour alimenter des charges triphasées, tandis que deux onduleurs monophasés indépendants peuvent être connectés pour alimenter deux charges monophasées indépendantes. Le contrôleur, ayant prédéfini les charges critiques, peut effectuer des calculs pour tous les réseaux, "pensant" et "décidant" pour tous en même temps, comme s'il s'agissait d'un réseau cohérent.
Naturellement, l'organisation et la priorisation de toutes les capacités mentionnées ci-dessus du système relèvent de la responsabilité d'un contrôleur autonome novateur (AmEFC), qui prend des décisions concernant l'utilisation de l'énergie. Un facteur clé influençant la distribution de l'énergie est la catégorisation des charges. En fonction de la criticité des charges, leur priorité est déterminée. L'autre facteur qui influence les décisions du contrôleur est les prévisions qu'il reçoit concernant l'ensoleillement et la vitesse du vent pour les jours à venir. De plus, grâce à ce logiciel innovant, l'accès aux données opérationnelles de tous les composants du système est fourni, permettant des modifications de paramètres et une réduction de l'usure du micro-réseau.
Un avantage écrasant de l'ensemble du système est la possibilité d'expansion de chacun de ses segments. Particulièrement remarquable est l'innovation dans le choix des onduleurs, qui est étroitement liée à l'objectif du projet. Cette capacité même est ce qui ouvre la voie à la mise en œuvre de la proposition à plus grande échelle. L'objectif est d'interconnecter de tels micro-réseaux au sein du tissu urbain et d'améliorer encore davantage la gestion de l'énergie grâce à la collaboration des contrôleurs respectifs.
Objectifs
Les principaux objectifs sur lesquels repose l’ensemble de cette étude sont les suivants :
- Fiabilité et durabilité grâce à des ajustements dynamiques de la production et de la consommation d’électricité.
- Gestion optimale de l'énergie avec l'équilibrage de l'offre et de la demande par le biais de l'évaluation de la capacité de production de l'énergie et de la connaissance des prévisions météorologiques.
- Évolutivité, ce qui est obtenu grâce à la capacité d'adapter les systèmes aux changements de la demande, mais aussi à la flexibilité d'intégrer de nouvelles SER. La possibilité pour les micro-réseaux de fonctionner à l’échelle de la ville, en échangeant des ressources avec d’autres micro-réseaux, est également particulièrement importante.
Présentation détaillée des sections du micro-réseau
Par la suite, une présentation plus détaillée sera donnée concernant la conception, le cadre théorique, les avancées technologiques et les applications pratiques de chaque segment du micro-réseau, mettant en lumière leur potentiel à prévaloir dans le domaine de l'intégration des sources d'énergie renouvelables
1. Éléments de base d'un micro-réseau standard
- Systèmes photovoltaïques (PV) solaires: Basées sur la modularité, elles permettent la scalabilité du système et son adaptation aux besoins énergétiques changeants.
- Éoliennes à axe vertical (VAWT) Leur conception garantit de faibles perturbations acoustiques, tandis que l'accessibilité au niveau du sol simplifie les tâches de maintenance. De plus, ces éoliennes démontrent une efficacité accrue même par mauvais temps, en exploitant l'énergie même lorsque les éoliennes conventionnelles pourraient rencontrer des difficultés. Le design ici est également pensé pour être modulaire, facilitant les expansions futures au besoin.
- Pompes En exploitant la capacité de l'énergie potentielle gravitationnelle, les pompes offrent un moyen fiable et extensible pour le stockage d'énergie à des fins d'utilisation future.
2. Régulateurs de charge MPPT
Une autre partie intégrante du microgrid est constituée par les MPPTs, dont le rôle est de suivre le point de puissance maximale des Sources d'Énergie Renouvelable (SER). Conçus pour optimiser l'utilisation de l'énergie exportée, chaque SER est connecté individuellement à son MPPT correspondant.
Également faciliter l'échange de données en temps réel grâce à une configuration directe des données dans le cloud. L'interconnexion de ces Mppt est accompli dans le Bus DC, qui fonctionne comme un centre unique pour la distribution et la gestion de l'énergie. L'approche modulaire garantit l'évolutivité.
3. Batteries en série
Pour améliorer la fiabilité du système de microgrid, des ensembles de batteries ont été intégrés. La microgrid offre une flexibilité dans le choix de la technologie des batteries, offrant des options pour des batteries au plomb-acide ou des systèmes de batteries lithium-ion avancés.
Chaque ensemble de batteries est équipé d'un système de gestion de batterie (BMS) de pointe, qui joue un rôle essentiel dans la protection de la santé et de la durée de vie des batteries grâce à un contrôle précis de leurs processus de charge et de décharge.
Tout comme les MPPT, les systèmes de gestion de batterie (BMS) ont également la capacité de transmettre en temps réel des données sur les performances des batteries et les métriques de santé à la plateforme cloud du fabricant de batteries. Cette intégration de données ouvre la voie à la surveillance à distance, au diagnostic de la santé et à l'analyse prédictive, fournissant aux parties prenantes des informations précieuses sur les performances des batteries et la durée de vie prévue.
4. Onduleurs monophasés
Si les besoins en consommation d'énergie augmentent à l'avenir, l'architecture de la micro-réseau permet facilement une évolutivité sans nécessiter une refonte complète de l'infrastructure centrale.
Ces onduleurs ne sont pas simplement des éléments passifs. Ils sont équipés de capteurs et d'unités de communication qui surveillent en continu le flux d'énergie. Ces données sont transformées en temps réel sur la plateforme cloud maintenue par le fabricant de l'onduleur. L'intégration avec le cloud facilite la surveillance à distance, le traitement analytique et la maintenance prédictive, réduisant l'inertie et assurant une fourniture continue d'énergie.
De plus, les onduleurs sont interconnectés, formant un réseau de communication interne. Cette interconnexion entre les onduleurs est cruciale pour coordonner leurs opérations, maintenir la cohérence de phase et assurer une distribution équilibrée de la charge dans le système triphasé
5. Charges du micro-réseau
Au sein de l'architecture complexe du prototype de micro-réseau AmEFC, la consommation d'énergie évolue de manière intelligente en fonction de l'importance et de la priorité des charges connectées. Les catégories de charge suivantes sont identifiées dans notre système :
Charges critiques: Typiquement inclus dans ceux-ci se trouvent des systèmes de support de vie, des environnements de soins de santé réglementés, des installations d'éclairage d'urgence, des systèmes de communication et d'autres services essentiels. Le système fonctionne sur le principe que les charges critiques ne cesseront jamais leur fonction. | charges normales Représentant la majorité de la consommation, ils englobent les appareils et systèmes de la vie quotidienne, de l'éclairage et du contrôle climatique aux appareils électroménagers. Bien que ces charges bénéficient également d'une alimentation électrique ininterrompue, il existe une hiérarchie de service. | Charge de la tour hydroélectrique Dans les cas où la production d'énergie dépasse significativement la consommation, au lieu de laisser cette énergie être perdue, le système la dirige vers la tour hydroélectrique. Ces pompes, après avoir évalué les conditions météorologiques et les données des batteries, convertissent l'excès d'énergie électrique en énergie potentielle. |
6. Soutien de la ORDÉH et sources auxiliaires
Connectivité réseau Il fournit un support, notamment pendant les périodes prolongées de faible production d'énergie renouvelable ou lors de pics de demande imprévus. Le système, qui puise de l'énergie dans le réseau, garantit que son équilibre énergétique interne reste inchangé, tandis que en cas de surplus d'énergie, celle-ci peut être réinjectée dans le réseau.
Générateur diesel: Cette source d'énergie compensatoire peut être activée immédiatement en comblant les éventuels écarts énergétiques, garantissant ainsi que le micro-réseau reste opérationnel et continue d'alimenter ses charges sans interruption.
7. Capacités de décharge du réseau
Un autre point important est la gestion de la production excédentaire. Dans les systèmes qui comprennent des éoliennes, il est très fréquent de dépasser la production, non seulement la demande, mais aussi la capacité de la batterie, surtout si les unités associées batterie est saturé. En contraste avec les méthodes conventionnelles de traiter l'excès de l'offre, telles que la déconnexion de l'éolienne ou la redirection de l'énergie dans la résistance, le standard micro-réseau AmEFC présente une solution innovante. Dans le cas de la tour de l'eau, dans lequel est stockée l'eau, atteint le maximum, elle a fourni un plan de sauvegarde afin de rediriger le déborder dans le côté d'un ruisseau. Cela garantit un équilibre constant et éviter le gaspillage de l'énergie.
8. Logiciel AmEFC : Le centre de traitement du micro-réseau
L’efficacité du micro-réseau AmEFC ne réside pas seulement dans ses caractéristiques techniques. Au cœur se trouve le logiciel AmEFC, un outil de calcul et de contrôle avancé conçu pour harmoniser de manière transparente la combinaison complexe des flux d’énergie dans tout le système. Les principales fonctions de ce logiciel sont les suivantes :
Flux de données d'équipement vers le cloud: Presque tous les appareils du micro-réseau remplissent non seulement la fonction qui leur est assignée, mais communiquent en permanence des données de fonctionnement importantes en temps réel aux nuages correspondants, augmentant ainsi les performances du système.
Agrégation et stockage des données: Toutes les informations sont systématiquement organisées et stockées, ce qui garantit que chaque décision prise par le système est basée sur des informations complètes et à jour.
Stratégies de calcul avancées: À l'aide de stratégies de flux de puissance optimal (OPF), il détermine la répartition la plus efficace de l'énergie dans le réseau, garantissant que chaque élément fonctionne au maximum de son potentiel tout en répondant aux demandes des charges connectées.
Apprentissage par renforcement (RL)-contrôle: Le logiciel apprend des données historiques, reconnaît des modèles et s'adapte aux nouvelles situations et ainsi RL prend ses décisions prédictives.
Prise de décision en temps réel et contrôle automatique : L'utilisation combinée d'OPF et de RL garantit que le logiciel est également proactif. Le système prend en permanence des décisions en temps réel pour maintenir un flux d’énergie et une efficacité du système optimaux.
9. La colonne vertébrale de l'exécution AmEFC
La collaboration entre le logiciel et le matériel garantit un flux d'énergie transparent, garantissant ainsi des performances et une fiabilité optimales du système. Plus précisement:
Interface matérielle : au cœur de la fonctionnalité du contrôleur AmEFC se trouve sa connectivité électrique complète à un grand nombre de dispositifs et de charges de micro-réseau. Ceci est réalisé via un panneau de relais. Ces relais fonctionnent avec ou sans interface, permettant au contrôleur d'organiser la distribution d'énergie en établissant ou en rompant les connexions chaque fois que nécessaire.
Fonctions logicielles côté client: Conçu spécifiquement pour les exigences spécifiques des micro-réseaux, ce logiciel récupère en continu les données du Cloud Center, les exploitant pour prendre des décisions en temps opportun concernant l'allocation et le flux d'énergie.
Contrôle dynamique du flux de puissance : Le logiciel peut rapidement connecter ou déconnecter divers composants, ce qui lui permet de répondre immédiatement aux changements de demande énergétique ou aux fluctuations de l'approvisionnement.
10. Défis d'interconnexion et opportunités pour les micro-réseaux AmEFC dans l'extension urbaine
Un défi majeur réside dans la synchronisation de plusieurs micro-réseaux avec des capacités de production, des modèles de consommation et des conditions de fonctionnement variés. Le fait que l'utilisation des sources d'énergie renouvelable (SER) s'élargisse constamment, dépendant largement de facteurs environnementaux, signifie que lors de l'échelonnement de ces micro-réseaux, il peut facilement y avoir des micro-réseaux produisant un excès d'énergie et d'autres qui sont actuellement en retard.
En savoir plus Le Micro-réseau du Contrôleur d'Énergie Autonome
Résultats et conclusions
Un point crucial de compréhension avant l'analyse des performances du système est l'étape d'initialisation, caractérisée par l'absence de production d'énergie ou de stockage. Cette étape constitue le point de référence sur lequel nous évaluerons la réaction du système à diverses influences environnementales externes. L'adaptabilité et l'efficacité de l'AmEFC peuvent être mieux observées lorsque le système est soumis à une série de conditions météorologiques. Pour différencier cela, nous classons les conditions climatiques en fonction de deux principaux facteurs : le rayonnement solaire et la vitesse du vent. Ces facteurs sont ensuite divisés en trois catégories distinctes pour une analyse détaillée.
La différenciation des catégories se fait par
Rayonnement Solaire
- Journée ensoleillée
- Journée avec un ensoleillement modéré
- Journée avec peu de soleil
Vitesse du vent
- Journée avec un vent fort"
- Journée avec une vitesse de vent modérée
- Journée avec une faible vitesse de vent
Les sections suivantes examineront l'interaction détaillée entre ces conditions climatiques et la production d'énergie correspondante, révélant la résilience et la fiabilité du système de micro-réseau AmEFC.
| Ensoleillement (w/m2 haut) | Le vent (m/2) | Moyennement ensoleillé (w/m2 ) | Modérément vent(m/2 ) | Un peu de soleil(w/m2 ) | Un peu de vent (m/2 ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4.1 | 0 | 3.8 | 0 | 0.3 |
| 0 | 5.2 | 0 | 4.0 | 0 | 0.4 |
| 0 | 6.5 | 0 | 4.3 | 0 | 0.5 |
| 0 | 7.3 | 0 | 4.5 | 0 | 0.7 |
| 100 | 8.0 | 10 | 4.7 | 10 | 0.8 |
| 400 | 8.5 | 50 | 5.0 | 30 | 0.9 |
| 600 | 9.0 | 150 | 4.8 | 50 | 1.0 |
| 800 | 9.3 | 300 | 4.6 | 70 | 1.1 |
| 900 | 9.5 | 400 | 4.5 | 90 | 1.2 |
| 1000 | 9.8 | 450 | 4.7 | 100 | 1.3 |
| 1100 | 9.4 | 350 | 5.1 | 110 | 1.0 |
| 1000 | 8.7 | 300 | 4.9 | 120 | 0.8 |
| 1100 | 7.8 | 450 | 4.6 | 130 | 0.6 |
| 1000 | 7.2 | 500 | 4.4 | 120 | 0.5 |
| 900 | 6.6 | 450 | 4.2 | 110 | 0.4 |
Simulation hebdomadaire du micro-réseau AmEFC
Pour tester rigoureusement le système de microdistribution AmEFC et, plus important encore, les performances opérationnelles du contrôleur, une simulation d'une semaine complète a été mise en place. La simulation a été structurée pour couvrir une variété de conditions climatiques en combinant les catégories susmentionnées de rayonnement solaire et de vitesse du vent. La séquence fournit une image complète, couvrant à la fois les conditions optimales et les pires cas, pour évaluer l’adaptabilité, la résilience et l’efficacité du système.
Ci-dessous la séquence de la semaine :
| Jours | Ensoleillement | Catégorie | Vitesse du vent | Catégorie |
|---|---|---|---|---|
| Jour 1 | Fort ensoleillement | Un | Haut | Un |
| Jour 2 | Fort ensoleillement | Un | Modéré | D |
| Jour 3 | Ensoleillement modéré | D | Haut | Un |
| Jour 4 | Ensoleillement modéré | D | Modéré | D |
| Jour 5 | Ensoleillement faible | C | Haut | Un |
| Jour 6 | Ensoleillement faible | C | Modéré | D |
| Jour 7 | Ensoleillement modéré | B | Bas | C |
Cette séquence, qui combine le rayonnement solaire et la vitesse du vent, constitue le cœur de la simulation. Les données générées à partir de cette combinaison de conditions permettent à l’AmEFC d’adapter et d’optimiser le flux d’énergie, soulignant ainsi sa praticité et sa robustesse dans le monde réel.
Une série de graphiques est présentée, illustrant l'impact mutuel entre les principaux facteurs environnementaux - rayonnement solaire et vitesse du vent - et la production d'énergie dans le système. Ces visualisations découlent d'observations d'une semaine où les jours ont été catégorisés en fonction des conditions météorologiques prédominantes (ensoleillement et vent). Cette catégorisation simule non seulement la réponse du système dans diverses conditions réelles, mais souligne également la flexibilité et l'efficacité du régulateur AmEFC. Chaque graphique est conçu pour fournir une image détaillée des tendances quotidiennes, des pics, des creux et des anomalies, offrant une compréhension globale de la manière dont le système s'adapte à divers scénarios d'entrée d'énergie pour une distribution énergétique optimale lors de différentes simulations.
Scripts de test pour le contrôleur AmEFC
Pour confirmer l'efficacité et l'adaptabilité du contrôleur AmEFC dans une variété d'environnements, nous avons conçu quatre scénarios différents. Chacun de ces scénarios introduit des complexités et des fonctions progressivement ajoutées, simulant des conditions à la fois typiques et défavorables pour le système de micro-réseau :
Scénario 1 : Fonctionnement hors réseau sans prévision météo et sans un château d'eau
Dans cette configuration simple et « nue », le micro-réseau fonctionne dans une isolation totale, sans entrées de données externes telles que les prévisions météorologiques et sans château d'eau. L'objectif principal du contrôleur AmEFC dans ce scénario est simplement de gérer efficacement la production d'électricité à partir du RES. Ce scénario représente une vérification basique, mais également essentielle, des capacités du système en matière de gestion autonome de l'énergie.
Sans prévisions météorologiques, le système ne parvient pas à maintenir les charges critiques en ligne, même avec l'utilisation du stockage d'énergie dans la tour hydroélectrique.
Scénario 2: Mode hors réseau avec prévisions météo intégrées
Dans cette configuration simple, le micro-réseau fonctionne complètement de manière isolée, sans entrées de données externes telles que les prévisions météorologiques. L'objectif principal du contrôleur AmEFC dans ce scénario est simplement de gérer efficacement la production d'électricité à partir du SER et de diriger tout excès d'énergie directement vers le château d'eau pour le stockage. Ce scénario représente une vérification basique, mais également essentielle, des capacités du système en matière de gestion autonome de l'énergie
Sans prévisions météorologiques, le système ne parvient pas à maintenir les charges critiques en ligne, même avec l'utilisation du stockage d'énergie dans la tour hydroélectrique.
Scénario 3: Mode hors réseau avec prévisions météo intégrées
Basé sur la configuration précédente, ce script intègre les données de prévisions météorologiques réelles en temps réel dans le système. Avec cet ajout, le contrôleur AmEFC gère non seulement la production et le stockage d’énergie, mais ajuste également de manière proactive les stratégies de distribution d’énergie. En anticipant d'éventuelles pénuries ou surplus d'électricité, sur la base des données météorologiques, le contrôleur peut garantir un approvisionnement ininterrompu des charges critiques. En même temps, il peut déconnecter temporairement les charges normales comme stratégie de mouvement pour économiser de l'énergie pendant les périodes de faible production prévues.
Les prévisions météorologiques protègent le système et assurent la sécurité des charges critiques, en utilisant l'énergie de l'eau de la tour pour un réglage précis, en éteignant le reste des charges si nécessaire.
À travers ces scénarios difficiles successifs, nous visons à mesurer l’efficacité opérationnelle, l’adaptabilité et la capacité de prise de décision du contrôleur AmEFC dans diverses situations réelles de micro-réseaux.
Scénario 4 : fonctionnement hybride avec connexion réseau
Le scénario de test final et le plus complexe introduit la possibilité de connecter le micro-réseau au réseau urbain plus vaste. Dans cet arrangement, l'AmEFC gère de manière dynamique l'énergie excédentaire en prenant la décision de stocker l'énergie dans la tour ou de la vendre au réseau. L'objectif principal est de garantir que toutes les charges restent opérationnelles en permanence en exploitant les avantages du stockage et de la vente d'énergie. Ce scénario montre le potentiel du contrôleur AmEFC dans un paysage énergétique plus intégré, où les micro-réseaux peuvent interagir avec des infrastructures énergétiques plus vastes.
Le système, connecté au réseau, maintient les charges critiques et normales en fonctionnement (100 %) avec les mêmes priorités, en utilisant d'abord l'excédent de stockage dans le château d'eau et en vendant l'excédent au DEH.
Financement
Le AmEFC (EMION) est financé par le Secrétariat Général à la Recherche et à l'Innovation de la République Hellénique, avec le numéro de proposition [T2ΕΔΚ-02878], financé par l'Union européenne.
Le projet est mené sous l'égide du Service Spécial pour la Gestion et la Mise en Œuvre des Actions dans les domaines de la Recherche, du Développement Technologique et de l'Innovation (EYDE ETAKE), avec le cofinancement de la Grèce et de l'Union européenne.
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