Imhotep Mathematical Proceedings Volume 2, Numéro 1, (2015), pp
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scale=1, angle=0, opacity=1, contents= AFRICAN JOURNAL OF PURE AND APPLIED MATHEMATICS Imhotep Mathematical Proceedings Volume 2, Numéro 1, (2015), pp. 28 – 37. Modélisation d’un système hybride de production décentralisée d’energie par les réseaux de Pétri différentiels K. Fohoue, V.C. Kamla D. Tieudjo Université de Ngaoundéré, ENSAI, Département de Mathématiques et Informatique, B.P. 454 Ngaoundéré - Cameroun. [email protected], vc [email protected], [email protected] L. Bitjoka Université de Ngaoundéré, ENSAI, Département de Génie Electrique, Energétique et Automatique, B.P. 454 Ngaoundéré - Cameroun. [email protected] Abstract Nous présentons dans cet article un modèle d’un système hybride de production décentralisée d’énergie électrique basé sur l’outil Réseau de Pétri Différentiel (RdPDf). Ce système est constitué de plusieurs sources de production d’énergie renouvelables ou non renouvelables et bénéficient actuellement d’un essor très important. En se basant sur ce modèle, une étude de l’optimisation du fonctionnement du système sera faite en vue d’assurer une étude des interactions entre la partie continue et discrète. Une supervision automatisée du système est envisagée. O. Hamandjoda Université de Yaoundé I, ENSP & AES-SONEL, Douala - Cameroun. [email protected] Proceedings of the 4th annual workshop on CRyptography, Algebra and Geometry (CRAG-4), 21- 25 July 2014, University of Dschang, Dschang, Cameroon. http://imhotep-journal.org/index.php/imhotep/ Imhotep Mathematical Proceedings IMHOTEP - Math. Proc. 2, No.1 (2015), 28–37 1608-9324/020028–27, DOI 13.1007/s00009-003-0000 c 2015 Imhotep-Journal.org/Cameroon IMHOTEP Mathematical Proceedings Modélisation d’un système hybride de production décentralisée d’energie par les réseaux de Pétri différentiels K. Fohoue, V.C. Kamla, D. Tieudjo, L. Bitjoka and O. Hamandjoda Résumé. Nous présentons dans cet article un modèle d’un système hybride de production décentralisée d’énergie électrique basé sur l’outil Réseau de Pétri Différentiel (RdPDf). Ce système est constitué de plusieurs sources de production d’énergie renouvelables ou non renouvelables et bénéficient actuellement d’un essor très important. En se basant sur ce modèle, une étude de l’optimisation du fonctionnement du système sera faite en vue d’assurer une étude des interactions entre la partie continue et discrète. Une supervision automatisée du système est envisagée. Keywords. Système hybride décentralisé, Réseau de Pétri Différentiel, Modélisation. I. Introduction L’électricité est devenue aujourd’hui la forme d’énergie la plus exploitée et la plus sollicitée. La production de cette énergie exige la mise en place des centrales électriques dont la source utilisée peut être d’origine renouvelable ou non renouvelable. Au Cameroun, la production de l’énergie électrique est assurée par deux principales sources : l’hydraulique et le thermique, les autres sources telles que le solaire, l’éolienne et la biomasse étant encore peu vulgarisées. Pourtant, le Cameroun est nanti d’une réserve en énergie solaire estimée à 20 fois supérieure [2] à celle de l’énergie hydrau-électrique qui s’évalue à une capacité de 115 kwh/an [1]. Malgré ces réserves, le Cameroun reste un faible producteur d’énergie électrique (1003 MW soit 733 MW produite par les centrales hydrauliques et 270 MW par les centrales thermiques) [3]. Ce, alors que la loi garantit l’accès de l’électricité à chaque citoyen (40 % de la population seulement a accès à l’électricité), et pendant que la demande ne nesse de croı̂tre surtout dans le secteur industriel (8 % annuellement depuis 2001) [2]. Plusieurs travaux ont été consacrés à l’étude du système énergétique camerounais. Dans le réseau électrique, [4] a proposé un système de téléconduite du réseau. Dans le même sillage, une étude de fiabilité du réseau a été menée pour la gestion du réseau électrique. Aussi, pour les problèmes d’interruptions dans les lignes de moyenne tension, une approche de modélisation et de détermination des lois de probabilités a été proposée par TAMO [5]. La méthode de Communication presentée au 4ème atelier annuel sur la CRyptographie, Algèbre et Géométrie (CRAG-4), 21 - 25 Juillet 2014, Université de Dschang, Dschang, Cameroun / Paper presented at the 4th annual workshop on CRyptography, Algebra and Geometry (CRAG-4), 21- 25 July 2014, University of Dschang, Dschang, Cameroon. Vol. 2, No.1 (2015) Modélisation d’un système hybride 29 réseau de neurone pour le diagnostic des pannes [6] ainsi que l’algorithme de Djitskra pour la détermination des chemins de pertes minimales dans le réseau électrique [6]. Au niveau du système de production, l’algorithme du min-max [7] et la programmation dynamique [8] ont été implémentés pour la gestion de la production. Par ailleurs, les travaux de NFAH [9] modélisent un système hybride destiné à produire de l’énergie électrique dans la région du Nord Cameroun. En effet, ces centrales hybrides sont un atout majeur pour le développement des réseaux électriques de l’avenir. Parce que la proximité entre une production locale d’électricité et les consommateurs conduit à une réduction immédiate des pertes liées au transport de l’énergie consommée en son sein. En plus, la disponibilité d’un générateur et son exploitation, toujours en local, apporte une fiabilité accrue de la fourniture vis-à -vis des aléas d’incidents survenant dans les grands réseaux et la possibilité de fournir une énergie de qualité. Mais ces systèmes constitués de source d’énergie renouvelable souffrent des problèmes notamment celui de la production intermittente et de la fourniture d’une puissance adéquate pour une alimentation continue de la charge. Pour remédier à ces préoccupations, plusieurs études sont menées non seulement sur des systèmes réels mais aussi sur des modèles. Ces modèle reposent généralement sur les outils graphiques tels que : les graphes de liaison, le graphe informationnel causal, la représentation énergétique macroscopique et les graphes de fluences [11]. Mais peu de travaux utilisent le formalisme réseau de pétri hybride. L’utilisation du concept réseau de pétri pour la modélisation d’un système d’énergie renouvelable a été implémentée pour l’analyse du MPPT [12], la modélisation et l’étude des interactions au sein de la source d’énergie hybride [13] à l’aide du réseau de pétri hybride (RdPH). Par ailleurs, pour la conception des stratégies de supervision afin d’optimiser le transfert d’énergie entre les différentes sources, le réseau de pétri discret est exploité pour le calcul des modes opérationnels du système multi-source [14],[15]. Les réseaux de pétri différentiels ont été récemment introduits pour la modélisation des systèmes dynamiques hybrides [16]. Il est aussi utilisé pour la modélisation et la simulation des systèmes à multiples sources d’énergie constitué des centrales éoliennes et photovoltaı̈que[18]. Dans ce travail, il est mis en exergue les interactions entre les comportements continu et discret du système : la modélisation et la simulation d’un système hybride d’énergie décentralisé est proposée : II. Topologie du système hybride décentralisé de production d’énergie Le système hybride de production d’énergie électrique étudié dans ce travail est présenté à la figure II. Il est constitué des éléments suivants : une petite centrale hydraulique et un générateur photovoltaı̈que comme générateurs principaux : ces éléments sont connectés au bus de conduction continue par l’intermédiaire des convertisseurs statiques. En plus, il y a une batterie de stockage et un onduleur qui sont reliés au contrôleur de charge. Ces dispositifs sont destinés à alimenter les consommateurs qui sont commandés par le commutateur. Ce système fonctionne de façon isolée et peut en cas de surplus d’énergie produite alimenter les réseaux environnements ou les zones voisines. La connaissance de chaque composant du système est importante pour une bonne planification de la production. Ainsi, dans la suite nous présentons les équations caractéristiques de ces composants. II.1. La petite centrale hydraulique (PCH) La PCH est définie comme une installation énergétique, de puissance inférieur à 10 MW [19]. Dans ce travail, nous considérons une PCH constituée d’une machine synchrone à aimant permanent couplée mécaniquement et électriquement à un moteur asynchrone à double alimentation[11, 20]. Tout ce module est entrainé par une turbine qui est associée à un multiplicateur. Compte tenu de la hauteur de chute qui est comprise entre2 m et 30 m, du débit qui est de l’ordre de 300 l.s−1 et 15000l.s−1 nous opterons pour une PCH à turbine KAPLAN qui Imhotep Proc. 30 K. Fohoue, V.C. Kamla, D. Tieudjo, L. Bitjoka and O. Hamandjoda Figure 1. Système hybride décentralisé est adaptée pour les débits variables [11] ; et pour assurer l’excitation de la MADA la liaison électrique est assurée par deux convertisseurs statiques qui fonctionnent en mode back to back via un bus continu. La puissance mécanique transmise par la turbine est donnée par l’équation 1 Pm = ηρ.gHQ = Tm Ωarbre (1) −2 avec Pm la puissance mécanique (W) ; η le rendement de la turbine ; g la pesanteur (m.s ) ; H la hauteur de la chute (m) ; Q le débit d’eau turbiné m3 s ; Tm le couple mécanique(N m) ; Ωarbre la vitesse de rotation de l’arbre (tr.s−1 ). Cette puissance est transférée à la Msap via l’arbre dont le modèle réduit est donné par l’équation 2 ci-dessous [11]. Tarbre = J dΩarbre = Tturbine + Tem−ms + Tem−mada dt (2) La modélisation de l’alternateur Mada et de la Msap se fera dans le repère de PARK (d, q) dans un référentiel lié au champ tournant qui est adapté pour la perception des variations du système en régime transitoire. Ici, nous ne présenterons pas les modèles d’états liés au flux ou au courant, mais plutôt la puissance active produite did −Rs pLq 1 = id + iq Ω + Vd dt Ld Ld Ld diq −Rs pLd −pΦf 1 = iq − id Ω + Ω+ Vq (3) dt L L L L q q q q dΩ m (Ld − Lq ) m pΦf = p iq id + iq dt 2 J 2 J avec Vd et Vq les composantes de Park des tensions du stator de la machine (V ), ωs est la pulsation des tensions (rad.s−1 ), id et iq représentent les courants du stator (A). Rs , Ld et Lq modélisent respectivement la résistance d’enroulement (Ω), l’inductance d’axe direct et l’inductance d’axe en quadrature de l’alternateur(H). La quantité Φf est le flux d’excitation engendré par les aimants permanents (H) et p est le nombre de paires de pôles de la machine synchrone, m est le nombre de phase, J le moment d’inertie (Kg.m2 ), Ω la vitesse de rotation (tr.s−1 ). Cette machine a pour principale fonction de produire le courant d’excitation nécessaire pour alimenter l’inducteur de la MADA modélisée dans le référentiel de Park. Les équations Imhotep Proc. Vol. 2, No.1 (2015) Modélisation d’un système hybride 31 statoriques et rotoriques des tensions de la MADA sont les suivantes : vsd = Rs isd + dΦsd + ωs Φsq dt (4) dΦsq vsq = Rs isq + + ωs Φsd dt et celles du rotor sont : vrd = Rr ird + dΦrd − (ωs − pmas Ωarbre )Φrq dt (5) dΦrq vrq = Rr irq + + (ωs − pmas Ωarbre )Φrd dt Rs et Rr représentent respectivement les enroulements du stator et du rotor, vsd et vsq sont les tensions du stator respectivement d’axe direct et en quadrature alors que vrd et vrq font référence aux tensions du rotor. Et les paramètres isd , isq ,ird et irq sont les composantes des courants du stator et du rotor. De même les Φsd , Φsq , Φrd et Φrq désignent les composantes du flux L’expression du couple est donnée par l’équation 6 suivante : 3 pmada M (−isd irq + isq ird ) (6) 2 Cette équation traduit la cinétique de la machine asynchrone et c’est à partir d’elle que le couple développé par cette dernière est évalué. Les puissances produites par la MADA sont de deux natures : la puissance active et la puissance apparente. Mais ici, nous nous intéresserons à la puissance active qui est : 3 Pmada = (−vsd isd + vsq isq ) (7) 2 Or nous avons choisi d’orienter le flux suivant l’axe direct. Donc nous aurons vsd = 0 et Tem−mada = 3 Pmada = − vsd isd 2 (8) II.2. Le générateur photovoltaı̈que La modélisation mathématique du générateur photovoltaı̈que est largement étudiée [21] en fonction du modèle choisi. Dans la littérature on rencontre des modèles à une diode ou à deux diodes ; mais quel que soit le modèle, la modélisation de la performance d’une cellule PV est basée sur la caractéristique courant, tension et puissance. Pour ce travail nous allons utiliser un modèle à une diode. Le courant produit est : Ipv = Iph − ID − Ip (9) avec Iph le courant photo-généré qui dépend de l’irradiance et de la température : Iph = G [Icc,ref + Ki (Tc − Tc,ref )] Gref (10) où G est l’irradiance actuelle (W/m2 ) ; Gref est l’irradiance de référence dans les CST ; Icc,ref le courant de court-circuit dans les CST ; Ki le coefficient de température en circuit ouvert (A/K) ; Tc la température de la cellule (K) ; Tc,ref la température de la cellule dans les CST (K). Le courant de la diode ID est égal à : ID = Isat [exp( Vpv + Rs Ipv ) − 1] ηVt (11) où Isat est le courant de saturation inverse (A) ; η le coefficient d’idéalité de la diode ; q = 1.602 × 10−19 C est la charge de l’électron (Coulomb) ; k = 1.381 × 10−23 J/K est la constante Imhotep Proc. 32 K. Fohoue, V.C. Kamla, D. Tieudjo, L. Bitjoka and O. Hamandjoda de Boltzmann ; Vt est la tension thermique. Le courant de saturation de la diode est déterminé à partir de l’expression ci-dessous : qEg 1 1 Isat = A ∗ exp − (12) ηk T c, ref Tc 3 Tc avec A = Isat,ref T c,ref Dans ce travail, nous considérerons la valeur de la résistance parallèle trop grande (Rp → ∞ ⇒ donc Ip = 0) et nous obtenons le modèle à quatre paramètres (Iph , I0 , η, Rs ,). Donc la puissance délivrée par un générateur photovoltaı̈que constitué de Np modules en parallèle , Ns modules en série et Nsc nombre de cellules connectées par module donne : Vpv + Rs Ipv Ppv = Np Iph Vpv − Np Isat Vpv exp( )−1 (13) ηVt Nsc Np II.3. La batterie de stockage Le système de stockage est piloté par un contrôleur de charge. Ce dernier en fonction de la tension disponible sur le réseau et celle demandée par la charge pourra permettre la connexion ou la déconnexion des générateurs hydraulique et/ou photovoltaı̈que. Ici, nous utilisons la modélisation faite par [22]. La tension délivrée par la batterie est : VBB = Vg + IBB Rg (14) avec VBB la tension délivrée par la batterie(V) ; Vg fem qui est la tension à vide (V) ; IBB est l’intensité délivrée par la batterie (A). Afin de mieux suivre l’évolution de l’état de la batterie, le paramètre EDC qui est l’état de charge de la batterie est défini par : EDC(ti ) = EDCBB (0) + 1 R ti C(ti ) ∞ IBB (t)dt (15) Il représente la quantité de charge qui peut être restituée par rapport à la capacité à pleine charge, avec C(ti ) la capacité de la batterie en Ah au temps ti II.4. Le système de conversion d’énergie Ce système est constitué en particulier de deux onduleurs réversibles qui jouent le rôle de redresseur. Ainsi, pour le fonctionnement de l’onduleur, il en existe trois régimes, mais nous ne considérons que deux. 1. Fonctionnement redresseur : La puissance va de la centrale hydraulique au bus continu (AC/DC) : Idc > 0, Pdc > 0 et Preseau > 0. 2. Fonctionnement en onduleur : Le bus continu fournit de la puissance aux consommateurs (DC/AC) : Idc < 0, Pdc < 0 et Preseau < 0. Afin de déterminer les puissances disponibles en sortie de ces différents convertisseurs nous allons utiliser les formules de rendement. Pour le hacheur parallèle nous allons considérer que le système est toujours à l’optimum de la puissance solaire. II.5. Le contrôleur de charge Il représente le superviseur principal de l’installation, il fonctionne suivant l’état de la batterie et assure une coordination basée sur les états suivants : le niveau de tension normal (mode 1), le niveau de tension de régulation (mode 2) et le niveau basse tension (mode 3). Par ailleurs, il assure une gestion de la puissance produite dans l’optique d’accroı̂tre la durée de vie de la batterie [23] et une stabilité du réseau. Imhotep Proc. Vol. 2, No.1 (2015) Modélisation d’un système hybride 33 II.6. La charge Elle représente les différents consommateurs qui sollicitent de l’énergie produite, ils sont connectés au commutateur qui est commandé par le contrôleur de charge. Ces charges, ont un fonctionnement linéaire ou non linéaire [18]. III. Modélisation Le formalisme de modélisation utilisé est le Réseau de Pétri Différentiel Hybride (RdPDH). Pour d’amples explication sur les RdPDH, on peut consulter [12 - 17]. Le principe de modélisation est celui utilisé par [18]. Le modèle est présenté ci-dessous. III.1. Les états hybrides caractéristiques du système La dynamique du système est régie par les équations différentielles pour la partie continue d’une part et d’autre part par les équations discrètes qui sont représentées par les équations discrètes et booléennes. Le système hybride décentralisé est caractérisé par les états discrets et continus. III.1.1. États discrets. Ces états sont caractérisés par : – États de fonctionnement et d’arrêt des générateurs ; – États du commutateur ; – États discrets de charge et décharge de la batterie ; – États discrets de connexion et déconnexion de la charge ; – États normal, tension de Régulation et basse tension. III.1.2. États continus du système. Cette dynamique est illustrée par les comportements des composants tels que : les générateurs, la batterie et la charge. 1. La puissance délivrée par le générateur photovoltaı̈que ; 2. La puissance délivrée par le générateur hydraulique ; 3. L’état de charge de la batterie ; 4. La puissance des charges connectées au réseau. Tous ces phénomènes seront modélisés par l’outil RdPDf suivant les spécifications qui représentent le mode de fonctionnement du système : Initialement les éléments du système de production hybride sont dans les états suivants : La tension de la batterie seuil haut de reconnexion ou Source Reconnect Voltage (SRV) : valeur en dessous de laquelle la batterie peut reprendre sa charge ; le contrôleur de charge est dans l’état normal ; les générateurs sont connectés et les charges sont alimentées. 1. Mode I : Le contrôleur de charge est dans un état de fonctionnement normal. De ce fait, les charges sont alimentées et le surplus d’énergie produite est destinée à la charge des batteries. Lorsque le contrôleur atteint le seuil de tension de régulation, Le système commute du mode I au mode III et la charge de la batterie est stoppée. 2. Mode II : La batterie étant chargée, les générateurs sont déconnectés pour permettre à la batterie d’alimenter la charge. Au cours ce mode, la batterie passe de la tension seuil de régulation au seuil haut de reconnexion. Pendant cette décharge, lorsque la tension au niveau du contrôleur de charge est inférieure à la tension intermédiaire, alors le système migre dans le mode III. 3. Mode III : Le contrôleur de charge(CC) passe en tension basse qui traduit le seuil bas de reconnexion de la batterie ou la valeur limite de coupure basse de la batterie. Alors, la charge est déconnectée et les générateurs sont connectés pour permettre la batterie de se recharger et quand elle atteint le seuil intermédiaire, le cycle recommence. Imhotep Proc. 34 K. Fohoue, V.C. Kamla, D. Tieudjo, L. Bitjoka and O. Hamandjoda Table 1. Transitions discrètes Transitions Événements T1 et T3 déconnexion de la PCH et du générateur Pv T2 et T4 connexion de la PCH et du générateur Pv T5 et T6 passage du mode I au mode II et du mode II au mode I T7 et T8 passage du mode III au mode II et du mode II au mode I T9 et T10 charge et décharge de la batterie T11 et T12 délestage et alimentation de la charge Table 2. Transitions différentielles Transitions Événements ˙ Calcul de la puissance hydraulique Xhydro Calcul de la puissance photovoltaı̈que X˙pv ˙ Xbat Calcul de la tension de la batterie X˙ch Calcul de la puissance de la charge III.2. Modèle Réseau de Pétri Différentiel Le modèle proposé est représenté sur la figure 2 et les tables 1 - 4 expliquent les transitions, les évènements, les phases et états sur le modèle proposé. Figure 2. Modèle Réseau de pétri différentiel Imhotep Proc. Vol. 2, No.1 (2015) Modélisation d’un système hybride 35 Table 3. Places discrètes Places P1 et P3 P2 et P4 P5 , P6 et P7 P8 et P9 P10 et P11 États arrêt de la PCH et du générateur Pv marche de la PCH et du générateur Pv tension basse, tension normale et tension de régulation charge et décharge de la batterie marche et arrêt de la charge Table 4. Places différentielles Places PDf hyd PDf pv PDf bat PDf ch États puissance produite par la PCH puissance produite par le générateur pv tension des batteries puissance de la charge IV. Les conditions de commutation L’évolution du système est faite de discontinuités avec validation des conditions de commutation lors du passage d’un mode à l’autre. Ces conditions sont illustrées par les équations suivantes : 1. Mode II au mode III :(Ppv + Pph ) > Pch ∧ Vbat < VBB−N 2. Mode III au mode I :Pbat > Pch ∧ Vbat > VBB−T R 3. Mode I au mode II :Pbat < Pch ∧ (Ppv + Pph ) 6= 0 V. Conclusion Dans ce papier les Réseaux de Pétri Différentiels ont été utilisés pour modéliser un système hybride décentralisé de production d’énergie électrique. Les équations caractéristiques des différentes centrales ont été ressorties, puis l’élaboration du modèle basé sur l’algorithme implémenté au niveau du contrôleur de charge. Dans la suite de ces travaux, une évaluation du modèle afin d’attester les comportements continus des générateurs vis à vis de la charge sera faite. La supervision automatique de ce système, en vue d’assurer son utilisation dans les communautés rurales, est envisagée. 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