Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Au Canada, selon un rapport de 2011 produit par le Gouvernement du Canada, environ 194,000 personnes qui vivent dans près de 292 communautés isolées ne sont pas reliées aux réseaux électriques provinciaux ou territoriaux. La majorité de ces communautés sont alimentées en électricité via des groupes électrogènes (GED) qui consomment, chaque année, des millions de litres de carburant diesel émettant par le fait même des gaz toxiques (NOX, SOX) et particulaire ainsi qu’un gaz indésirable contribuant au réchauffement climatique (CO2). Cette méthode de production d’énergie électrique est également fortement affectée par le prix du carburant qui ne cesse d’augmenter; les communautés subissant ainsi des coûts élevés tant environnementaux, économiques et sociaux. Cette problématique a notamment intéressé plusieurs chercheurs et des esquisses de solutions ont été proposées. On pense notamment à l’ajout de sources renouvelables jumelées au GED, à la prévision de la ressource éolienne, à des innovations technologiques limitant au maximum la consommation des moteurs diesels comme la suralimentation, l’utilisation d’une technologie comme le Genset-Synchro, des technologies de captage des gaz d'échappement (NOx, SOx et CO2) ou l'hybridation du moteur diesel en moteur à air comprimé. Les énergies renouvelables, telles que l’énergie éolienne et l'énergie solaire pour ne nommer que les plus importantes, constituent un potentiel important pour réduire la dépendance à l’égard des combustibles fossiles. Cependant, l’intermittence de l’énergie éolienne empêche la transformation des réseaux autonomes en réseau uniquement alimenté en énergie renouvelable, ce qui permettrait l’élimination du GED en tout temps. Dans les sites isolés qui sont paradoxalement très riches en cette ressource naturelle, à cause de cette intermittence, le GED est sans cesse sollicité pour soutenir l’énergie renouvelable. On rencontre également une inadéquation entre la ressource éolienne et la consommation énergétique. Pour diminuer la sollicitation du GED, nous devons passer par une technologie de stockage de l’énergie qui permettra de soutenir le réseau lors des fluctuations de la puissance éolienne. A la lecture des articles scientifiques sur le contrôle des systèmes hybrides avec stockage d’énergie, une tendance se dessine aujourd’hui montrant la voie vers les micro-réseaux constitués de différentes sources d’énergies gérées par diverses méthodes de contrôle. Le domaine de la gestion de l'énergie est de plus en plus étudié et la plupart des solutions sont conceptualisées autour d'un système centralisé qui rencontrent à peine des critères tels que la tolérance aux pannes ou l’adaptabilité. De plus, ces systèmes sont difficiles à concevoir en raison d’une approche descendante qui a été implémentée lors de la conception: le concepteur sait généralement comment chaque composant doit répondre séparément, mais un système de gestion centralisé concentre son attention uniquement sur la réaction globale du système et non comment interagissent chacun des composants si l’un est en défectuosité par rapport à un autre composant. La technologie de stockage d’énergie utilisée dans cette recherche repose sur le stockage d’énergie par air comprimé que l’on retrouve dans le SHEDAC (Système Hybride Éolien-Diesel avec stockage à Air Comprimé). Ce système est à la base de cette recherche. De plus, nous ajoutons au SHEDAC le stockage d’énergie électrique par supercondensateur. Le banc de supercondensateur participera en tout temps à la conduite du réseau CC afin d’éviter toute fluctuation dû aux fluctuations des sources renouvelables dépendantes des variations météorologiques comme l’énergie éolienne ou l’énergie solaire. Dans cette thèse, nous proposons une solution de gestion d’énergie distribuée qui est basée sur le paradigme des systèmes multi-agents (SMA). C’est une approche de conception qui est nouvelle pour le SHEDAC et une approche "ascendante" a été utilisée lors de la conception du SMA, approche permettant d'assurer une meilleure fiabilité du système et qui permet, entre autres, l'ajout ou la suppression à froid ou à chaud d'une source d'énergie renouvelable sans affecter la stabilité du réseau. L’objectif du SMA est d’effectuer une redistribution adéquate de la puissance tout en respectant les privilèges de la ressource primaire (GED), le contrôle n’étant pas centralisé car pouvant se trouver sur n’importe laquelle des sources, pourvu que cette source puisse rencontrer 50% de la charge, les autres sources partageant le reste de la charge libérant ainsi le GED. L’avantage principal de ce type de contrôle est de permettre l’arrêt et le départ du GED sans affecter la tenue du réseau et la rencontre des objectifs primaires. Pour stocker l’énergie excédentaire provenant des sources renouvelables, nous abordons le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé qui est une option prometteuse pour les applications SHED (Système Hybride Éolien-Diesel) autonomes compte tenu du coût, de la densité énergétique, de la densité de puissance, de la durabilité, de l’efficacité et de la faible empreinte écologique de cette technique de stockage. Le système SHEDAC considéré dans cette recherche est constitué d’un ensemble de réservoirs à air comprimé pour le stockage de l’énergie éolienne et d'un MAC générateur réversible (Moteur à Air Comprimé) pour la production de l’électricité d’une part et de l’autre pour la production de l’air comprimé. Cette ressource a pour objectif de stabiliser le réseau le temps que le GED atteigne sa température de fonctionnement nominale durant le processus de redémarrage. La technologie des supercondensateurs est également utilisée pour un stockage rapide de l’énergie électrique avec comme particularité de soutenir une densité de puissance très élevée doublé d'une empreinte écologique très faible pour un cycle de stockage/restauration de l'énergie très élevée. Cette source d'énergie permettra de soutenir l'étape de redémarrage du GED avec le MAC générateur et permettra également de corriger rapidement les fluctuations du réseau CC provoquée par la variabilité de la ressource éolienne. La simulation et l'expérimentation ont démontré que la stratégie de contrôle par SMA est une option viable pour le contrôle du SHEDAC rencontrant les objectifs de recherche de la présente thèse. Pour éviter une dissipation d'énergie dans des charges secondaires, on prendra soin de dimensionner adéquatement le micro-réseau pour rencontrer les pics de puissances; on utilisera pour ce faire des algorithmes d’optimisation tels que les algorithmes génétiques ou évolutionnaires afin de composer un système hybride dont le coût et la puissance disponible de chacune des sources sera optimisée selon des critères spécifiques. L'originalité de cette recherche réside dans l'utilisation d’un SMA comme gestionnaire de puissance pour un SHEDAC dont la littérature ne fait aucunement mention. L'intérêt d'utiliser le SMA dans cette recherche est dans la facilité d'ajouter ou d'enlever une source sans affecter le fonctionnement et la stabilité du SHEDAC. Si un ou des composants venait à être défectueux, le système demeurerait opérationnel car le GED demeure la source primaire du système. Si le GED présentait un problème quelconque, un autre GED prendrait la relève sans affecter la stabilité du système. Cette technologie associée au MAC et aux supercondensateurs permet également de conserver la stabilité du réseau lors du redémarrage du GED ou lors d’un mauvais fonctionnement. Le SMA permet également de se greffer à d'autres micro-réseaux sans modifications quelconques du système tout en rencontrant les spécifications demandées. La majorité des systèmes de gestion de puissance rencontrée dans la littérature sont de nature électromécanique, dont le contrôle est centralisé et très peu adaptable tandis que le système de gestion de puissance qui a été conçu dans cette recherche est un contrôle décentralisé agissant principalement sur le réseau électrique par le biais de convertisseurs CA-CC/CC dont la tension ou le courant est contrôlé par un agent informatique. On retrouve néanmoins un certain contrôle électromécanique dans la gestion de l’air comprimé et dans la protection des sources lors des surtensions ou des court-circuit provoqués par des événements extérieurs au SHEDAC. La présente thèse se divise en 6 chapitres. Le chapitre 1 introduit le sujet de recherche avec ses problématiques, les objectifs fixés et la méthodologie suivie pour les atteindre. Le chapitre 2 est consacré à une revue de la littérature concernant les systèmes de contrôle existant pour les systèmes hybrides SHED et SHEDAC, ce qui a permis de tracer la direction à prendre pour cette recherche, soit une hybridation micro-réseau et agents logiciels. Le chapitre 3 discute du paradigme des agents logiciels ainsi que l’utilisation de ceux-ci pour le contrôle des systèmes complexes. On utilise la plateforme SPADE pour l’implémentation de la gestion de communication entre les agents logiciels. Le chapitre 4 présente la modélisation et la simulation d’un système hybride SHEDAC contrôlé par des agents logiciels. Cette modélisation a été réalisé avec la plateforme Stateflow et Simulink de Matlab. Le chapitre 5 décrit le banc d’essai d’un système hybride dont la puissance de chacune des sources est contrôlée par un agent logiciel implémenté dans un microcontrôleur, le programme est conçu en langage python. Pour la communication entre les agents sources, le mode WI-FI a été considéré en premier lieu dans cette expérimentation. Si la communication par la voie des airs s’avérait impossible, il y a possibilité de communiquer par le mode filaire (mode CAN), un mode de communication qui est très prisé dans le domaine de l’automobile, tant pour la vitesse de communication que pour son faible taux d’erreur. Ce système de communication permet à plusieurs microcontrôleurs de communiquer entre eux des informations permettant de maintenir le bon fonctionnement du système. Finalement, la thèse se termine par les conclusions et les recommandations (chapitre 6) dégagées du sujet de recherche. On retrouvera en annexes des informations supplémentaires au niveau technique qui ont servi lors de l’expérimentation.