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 Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 Groupe de Travail sur les Systèmes Électriques Intelligents ‐ SmartGrids (Production, Transport, Distribution) Responsables : Gilney Damm (Université d’Evry et EECI) et Mariana Netto (LIVIC, LCPC‐INRETS) [email protected] [email protected] I. Description de la recherche scientifique, motivation et enjeux I.1 Introduction Au moment où notre pays développe une stratégie nationale de recherche et d'innovation mettant en exergue la nécessaire double révolution des écotechnologies et des technologies de l'information, il parait indispensable de mettre en place, au sein du GdR MACS, un Groupe de Travail transversal pour animer une réflexion collective dans le domaine des systèmes électriques intelligents (ou « SmartGrids »), un domaine interdisciplinaire par excellence. Les applications visées sont notamment les systèmes de génération électrique (provenant par exemple des énergies renouvelables), les grands réseaux de transport électriques interconnectés, les réseaux de distribution « locaux », les systèmes électriques embarqués et les véhicules électriques terrestres dans leur réseau d'infrastructures de recharge (des automobiles aux navettes électriques automatisées). La nouvelle topologie des réseaux électriques, due à l’introduction d’une part importante d’énergies renouvelables, le double sens de la circulation de l’électricité, dû à la production « locale » (le consommateur devenant producteur à certaines heures), la présence de différentes échelles de temps, qui doivent être prises en compte dans la conception de systèmes de contrôle, et l’importance de la transmission de l'information, soulèvent de nouvelles problématiques de l’automatique. Clairement, ces défis seront d’autant mieux soulevés que des expertises complémentaires seront mises en commun, sur des projets ciblés. Les différents domaines auxquels ce GT pourrait s’intéresser sont par exemple : ‐ La production et le transport d’énergie ‐ Le réseau de distribution ‐ L’insertion des véhicules électriques Ils sont détaillés dans la suite. I.2 Production et Transport d’énergie (Haute tension) De nouvelles avancées sont rendues possibles grâce par exemple au déploiement de réseaux de transmission dits « intelligents » (tels que Wide Area Measurement Systems – WAMS and Phase Measurement Unities ‐ PMU) associés à des mesures GPS. Ceci permet la transmission en temps réel de grandes quantités d’information à de grandes distances avec une forte précision de l’instant de la mesure. Cette précision permet une prise en compte convenable des retards et une bonne synchronisation des informations reçues. Ainsi les algorithmes de commande et d’identification des systèmes électriques peuvent maintenant utiliser ces informations distantes. La transmission d’information en temps réel permet également de prendre en compte les aspects économiques dans les réglages du réseau par de processus d’optimisation. Par exemple, compte tenu de la différence de prix de production par les diverses sources (éolienne, nucléaire, hydro…) il est possible d’optimiser les bénéfices économiques au lieu de la quantité d’énergie produite. Ces procédures permettront donc de proposer à terme, un changement en temps réel Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 des réglages du réseau, qui remplacera l’utilisation de systèmes semi‐statiques. Cela amène à la conception de schémas de prise de décision informatique simultanément (ou à l’aide) d’opérateurs humains. Pour des raisons à la fois écologiques et économiques, ces systèmes électriques seront contraints à s’adapter à une augmentation continue de la production par des sources d’énergie renouvelables (20% en 2020 par la directive européenne 20‐20‐20). Ceci est un problème très important car ces sources sont en général, variantes dans le temps (d’une manière inconnue et assez rapide ‐ des nuages masquent ou pas le soleil, les variations importantes de la force du vent...). Certaines sources seront plutôt disponibles dans des périodes de basse consommation (pendant la nuit par exemple) et dans des lieux géographiques éloignés des régions de consommation. Ces caractéristiques, aléatoires et incertaines, intrinsèques aux énergies renouvelables, rendront nécessaire le développement de nouvelles techniques comme le stockage d’énergie (pompage d’eau, air comprimé, hydrogène) ou la transmission d’énergie par des réseaux haute tension à courant continue (HVDC). Les différents problèmes de commande et d’optimisation (caractérisation, localisation et dimensionnement du stockage, stabilisation du réseau HVDC et sa connexion au réseau terrestre) seront au cœur de ce groupe de travail. I.3 Réseau de distribution (Basse tension) De nouveaux concepts émergent avec les SmartsGrids. Tel est le cas du concept des futurs eco‐quartiers constitués par de bâtiments qui produiront de l’énergie électrique (bâtiment à énergie positive, dit aussi bâtiments « intelligents ») et qui l’introduiront au réseau de distribution. Le réseau deviendra bidirectionnel, et devra gérer des flux d’énergie distribuée (panneaux solaires, petites éoliennes, cogénération) en plus de l’énergie provenant du réseau haute tension de transmission d’électricité. Cette production distribuée est très délicate à gérer car l’association d’un grand nombre de systèmes dynamiques, même simples, peut facilement devenir chaotique. Conceptualiser de nouveaux systèmes de commande capable de stabiliser ce nouveau réseau constitue un défi majeur à soulever. Un autre point important concerne les nouveaux systèmes de communication et d’informatique embarqués dans le bâtiment, qui permettront la communication entre chaque bâtiment et les centres de commande locaux ou entre différents bâtiments. Le but est de rendre possible le pilotage de la consommation des bâtiments afin de permettre une réponse optimisée en temps réel de la demande. Ce pilotage (à l’aide notamment de nouveaux compteurs électriques intelligents, smartmeter) doit donc se conjuguer avec des aspects économiques. Par exemple, dans des horaires de pic de consommation, il est possible d’envoyer des signaux de prix aux divers bâtiments, qui pourront réduire leur consommation (diminution du chauffage par exemple) et ainsi éviter l’utilisation de systèmes de production d’énergie de pointe, normalement extrêmement polluant en CO2 I.4 Insertion du véhicule électrique Les nouveaux réseaux électriques ne peuvent pas être étudiés sans considérer la problématique de l’intégration des véhicules électriques dans ces réseaux. Selon toute vraisemblance, les véhicules électriques seront de plus en plus courants dans un futur proche, ce qui représentera un grand nombre de systèmes à connecter au réseau tous les jours pour être rechargés, en ajoutant donc une grande charge supplémentaire. L’intégration optimale des véhicules électriques dans les SmartGrids doit se réaliser en lien étroit avec la problématique des transports dans son sens large compte tenu des profonds changements qui émergent actuellement dans le monde automobile. Les nouveaux concepts de mobilité et de sécurité durables (eg autopartage de véhicules) et la transformation de la route dans un système communicant sont par exemple à considérer. Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 Il faut pouvoir relever deux défis : 1) gérer le besoin en énergie électrique supplémentaire et 2) éviter la consommation de pointe, (et éviter donc l’utilisation de sources d’énergies plus polluantes pour maitriser la pointe de consommation). Cela pourra être fait ‐ probablement sur la base de signaux variables de prix ‐ par le décalage de la charge des véhicules vers les heures creuses (à un prix moins cher pour le propriétaire) et par une possible revente de l’énergie stockée dans la batterie du véhicule par le propriétaire du véhicule au réseau (à un prix plus cher aux horaires de pointe). Cette stratégie est économiquement profitable pour le propriétaire, et également profitable pour le gestionnaire du réseau qui pourra utiliser cette énergie pour aider dans la maitrise de la consommation de pointe (sans l’utilisation de générateurs fortement polluants). Les thèmes suivants sont alors à traiter : la recharge des batteries et la problématique associée en lien avec la mobilité durable ; les infrastructures de recharge, leur plan de déploiement ainsi que l'accessibilité à cette infrastructure et la gestion de la distribution ; la communication entre le véhicule et le réseau (possiblement à travers la station de recharge). Le déploiement des infrastructures de recharge est à réaliser en concertation étroite avec les gestionnaires de la route. Cette problématique ne peut être développée qu’entre spécialistes des différents domaines tels que l’automatique, l’informatique, l’économie, la communication, l’électronique de puissance. II. Organisation et structuration L’objectif de ce groupe de travail, dont le thème est de nature fortement pluridisciplinaire, est de réunir des acteurs scientifiques et industriels autour de la recherche en Systèmes Electriques Intelligents ‐ génération, transport et distribution – autant que possible dans sa globalité. Cela permettra des échanges de communautés possiblement différentes, mais complémentaires, autour d’un thème fédérateur. L’organisation des rencontres du GT SEI sera fondée sur une stratégie permettant d’aborder les disciplines complémentaires autour d’un thème précis, par exemple: - Le concept des éco‐quartiers : le bâtiment intelligent et la mobilité électrique durable. - L’insertion des véhicules électriques dans les SmartsGrids et la problématique de gestion de l’énergie associée - Le rôle des télécommunications dans les SmartGrids : le flux d’informations entre les bâtiments intelligents, le réseau électrique et le réseau communicant lié au concept de la route intelligente. - Le stockage d’énergie, etc… Dans la suite, nous allons préciser quelques liens potentiels (non exhaustifs) avec les autres GT du GdR MACS. Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 III. Liens avec les autres GT du GdR MACS Le GT Systèmes Electriques Intelligents est très intimement lié à plusieurs GT du GdR MACS. On peut mentionner par exemple les liens suivants : 1) GT ARC ‐ Automatique et Réseaux de Communication : Conceptuellement, plusieurs réseaux communicants sont identifiés au sein de la problématique décrite: ¾
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le réseau de communication entre les divers composants du réseau de génération et transport le réseau de communication entre les bâtiments intelligents (smart meters), et le réseau de distribution, ainsi qu’entre les différents composants de ce réseau (électronique de puissance, transformateurs, sous‐stations…) le réseau de communication entre le véhicule électrique, le bâtiment intelligent et l'infrastructure de recharge, construit pour l’accessibilité des véhicules électriques à ces infrastructures de recharge le réseau de communication construit dans le cadre de la route intelligente et communicante. Aux trois premiers réseaux, construits pour rendre possible la réalisation du concept des SmartGrids, s’ajoutera le flux d’informations lié au concept de la route intelligente : des surcharges, dans certains points du réseau de recharge, dues par exemple à un départ en vacances, pourraient être prévues. Par conséquent, le GT ARC est intimement liéé au GT SEI. 2) GT RdP ‐ Réseaux de Petri et GT BERMUDES ‐ Ordonnancement : Ces deux GT contiennent la théorie des graphes et la recherche opérationnelle. Il s’agit d’outils importants pour l’établissement d’un plan de déploiement des infrastructures de stockage d’énergie (réseaux haute et basse tension) ainsi que pour la recharge des véhicules électriques. 3) GT CE2 ‐ Commande des entraînements électriques : Des problèmes difficiles de commande de systèmes électriques distribués sont sous‐jacents à la problématique du GT SEI, notamment en ce qui concerne la commande des alternateurs de puissance et l’introduction des éoliennes dans le réseau. 4) GT CPNL ‐ Commande prédictive non‐linéaire ; GT Identification ‐ Identification et Modélisation Expérimentale des Systèmes Dynamiques ; GT MEA‐ Méthodes ensemblistes pour l’Automatique ; GT MOSAR ‐ Méthodes et Outils pour la Synthèse et l'Analyse en Robustesse ; GT SDH ‐ Systèmes dynamiques hybrides : La problématique des SEI nécessite de nombreuses techniques avancées de commande de systèmes. L’identification aussi est fortement liée au GT SEI étant donné le nombre d’incertitudes (paramétriques et d’état) du système. Tous ces GTs sont donc très liés au GT SEI. En particulier, les SmartGrids sont des exemples classiques de systèmes hybrides et non linéaires. 5) GT AA ‐ Automatique et Automobile : Le GT AA est en lien avec le nouveau GT par 1) la pénétration du véhicule électrique dans le marché automobile 2) la sécurité et la génération d’énergie dans le véhicule électrique. 6) GT INCOS ‐ INgénierie de la COmmande et de la Supervision des SED : La nature hybride des systèmes électriques intelligents, et le fait qu’ils constituent des très grands réseaux de systèmes commandés et inter‐communicants, constitue un lien direct et fort avec ce GT. Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 7) GT IS3C ‐ Ingénierie des systèmes de conception et conduite du cycle de vie produit : Ce GT est notamment lié au cycle de vie du véhicule électrique et des panneaux solaires. L'analyse du cycle de vie (ACV) du véhicule électrique sert à évaluer l'impact du véhicule sur l'environnement et ce tout au long de son existence, depuis l'extraction des matières premières, son utilisation et jusqu'à sa mise au rebut. L'acceptabilité sociale de ces véhicules passera par la démonstration que leur impact environnemental, obtenu par l'analyse ACV, sera moindre que celle des véhicules thermiques. En termes d'éco‐bilan, le problème particulier de la re‐cyclabilité des grandes quantités de batteries devra être résolu. 8) GT MOME : Méthodes et Outils pour la Modélisation et l’Evaluation : Le GT SEI aura des liens étroits avec ce GT, pour les diverses modélisations et pour évaluer les performances techniques du réseau ou de ses sous‐systèmes. Le GT SEI offrira également, à l’inverse, des problématiques nouvelles pour le GT MOME puisqu’il est question de Systèmes de Systèmes. VI. Equipes concernées (liste non exhaustive) : Ces sujets de recherche sont actuellement menés par divers groupes en France, d'une façon dispersée. Une liste non‐exhaustive de laboratoires impliqués dans ce domaine est: L2S, EECI, Satie, Supélec, IBISC , LIVIC, LTN, LGEP, Ile‐de‐France CNAM, ENSAM, CEA Gipsa‐Lab Grenoble L2EP Lille MINES ParisTech Sophia‐Antipolis IMS Bordeaux LAII Poitiers Diverses entreprises collaborent déjà avec ces groupes. Citons par exemple: EDF, ALSTOM, AREVA, RTE, SCHNEIDER, RENAULT et PEUGEOT. De plus, de futures collaborations sont à attendre dans le cadre du IAB (Industrial Advisory Board ) du ReX HYCON2. Le fort intérêt de plusieurs laboratoires par ce sujet peut être démontré par le nombre accru de projets de recherche communs entre ces groupes comme par exemple la soumission récente d’un projet ANR ARPEGE, avec les partenaires L2S, EECI, SUPELEC, IBISC, GIPSA‐LAB, LAII, IMS, Mines‐ParisTech, CEA et les entreprises EDF, ALSTOM et AREVA, sous la coordination de Gilney Damm. V. Animations (liste non exhaustive) - Journées scientifiques thématiques tous les 3 mois : développements récents ; points sur les projets nationaux et européens en cours ; perspective de montage de projets ; organisation de session à des conférences… Proposition de création du GT – SEI Avril 2010 -
Participation aux Workshops du Réseau d’Excellence Européen HYCON2 sur le thème Systèmes Electriques Intelligents -
Organisation de sessions invitées dans les conférences IFAC World Congress 2011 et futures ECC/CDC -
Coordination d’une Special Issue à International Journal on Control en 2012. Présentation des animateurs VI. Mariana Netto received the B.Sc. degree in electronic engineering in 1995 and the M.Sc. degree in automatic control, in 1997, from the Federal University of Rio de Janeiro, Brazil. She has obtained her Ph.D. degree in automatic control, in 2001, from the Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) ‐ SUPELEC ‐ Université Paris Sud, France, including two stays in the Massachusetts Institute of Technology ‐ MIT, in 1999 and 2000, during her PhD research. She is currently a researcher on the control group in the Vehicle‐Infrastructure‐Driver Interactions Research Laboratory (LIVIC LCPC/INRETS), in France. From 2006 and 2009, she has been the head of the control group in LIVIC and is now leading the partnership LCPC‐INRETS in the European Network of Excellence HYCON2. Her research interests are focused on linear and nonlinear control including the control of non‐linearly parameterized systems, full and shared lateral controls for driving assistance systems and intelligent transportation systems. She carries out her research on purely non‐linear control in close collaboration with MIT and works as well in close collaboration to experts in human‐machine cooperation, for including human factors in ADAS development. Gilney Damm has obtained his B.Sc. and M.Sc. in the Federal University of Rio de Janeiro, Brazil, in 1995 and 1997 in electronic engineering and control systems respectively, and his Ph.D. degree in the control of power generators, in 2001, from the Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) ‐ SUPELEC ‐ Université Paris Sud, France. He is Associated Professor since 2003, and is responsible for lectures in nonlinear, adaptive and digital control systems, as well as computer networks, real time embedded systems and operating systems. His research activities concern nonlinear, adaptive and robust controls of power systems, robotics and unmanned aerial vehicles. He had actively participated to the WP Energy Management of the Network of Excellence HYCON dedicated to the control of hybrid systems, and is WP leader and responsible for the Industrial Advisory Board of the current European Network of Excellence HYCON2 on the control of highly complex and networked control systems. He has been recently invited by the European Commission to give talks on the subject of SmartGrids in the WorkShops EUBR2009, WCPS2009 and in the IEEE ICCPS 2010. He gave invited talks in Sevilla University (Spain) in 2008 and in the Forum DIGITEO 2009, and was co‐organizer of a Scientific Day on the SmartGrids and decentralized energy sources on the Campus de Saclay in 2009. Gilney Damm is Associate Editor of European Journal of Control.