Soutenance de thèse de Ritu Raj SHRIVASTWA

diplome

Jury :

Monsieur Seddik BACHA, Professeur des Universités, Grenoble INP-UGA, Directeur de thèse

Monsieur Jean-Frédéric CHARPENTIER, Professeur Associé, École Navale BCRM BREST, Rapporteur

Monsieur Bogdan MARINESCU, Professeur, Ecole Centrale de Nantes, Examinateur

Monsieur Ahmad HABLY, Maître de conférences, Grenoble INP-UGA,  CoDirecteur de thèse

Madame Delphine RIU, Professeur des Universités, Grenoble INP-UGA, Examinatrice

Monsieur Hadi KANAAN, Professeur, Saint Joseph University of Beirut, Examinateur

Monsieur Julien POUGET, Professeur Associé, HES-SO VALAIS-WALLIS Sion, Examinateur

Monsieur Ionel VECHIU, Professeur, ESTIA Institute of Technology BIDART, Rapporteur
 

Résumé :

Avec la croissance actuelle de la production d'énergie électrique et les préoccupations croissantes liées à la dégradation du climat, la pression verte en faveur des sources d'énergie renouvelables (SER) augmente simultanément. La dépendance des SER comme l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne vis-à-vis de la nature rend la production de ces sources très intermittente. En outre, ces sources d'énergie électrique n'utilisent pas de machines synchrones pour la production. Les centrales électriques utilisant des générateurs synchrones ajoutent à l'inertie du réseau.
Cependant, avec l'ajout de plus en plus de SER dans le réseau, l'inertie globale du réseau diminue progressivement et aura tendance à le faire avec l'augmentation de la part des SER dans le mix énergétique. La perte d'inertie du réseau entraîne des problèmes liés à la stabilité et à la sécurité de l'électricité. Afin d'atténuer les effets de l'augmentation de la part des SER, plusieurs services communément appelés services auxiliaires prennent de l'ampleur dans le monde entier auprès de différentes entreprises de production, de transport et de distribution d'électricité. Ces services de réseau peuvent être largement classés en services de fréquence et services de tension. Les services de fréquence sont contrôlés par le contrôle de la puissance active et les services de tension sont contrôlés par la puissance réactive. Divers travaux de recherche sont menés à l'échelle mondiale pour proposer différentes méthodes de mise en œuvre de ces services avec différents moyens. L'un de ces moyens consiste à augmenter la flexibilité du système électrique. Pour augmenter la flexibilité, les sources d'énergie conventionnelles peuvent jouer un rôle très important, cependant, en raison des contraintes physiques, toutes les centrales électriques conventionnelles ne sont pas en mesure de répondre à l'évolution rapide des demandes du réseau avec la dynamique changeante du réseau en raison de la forte pénétration des SER. Dans ce cas, les centrales hydroélectriques (HPP) peuvent être la solution la plus importante car elles sont à la fois renouvelables et capables de suivre la demande de la charge en contrôlant leur production. De plus, comme les centrales hydroélectriques fournissent de l'énergie à l'humanité depuis très longtemps, plusieurs travaux de recherche et développement ont été menés pour rendre leurs fonctionnalités et leurs opérations de plus en plus efficaces. Compte tenu du besoin croissant de flexibilité et des préoccupations climatiques, il devient impératif d'améliorer les capacités des sources de production qui sont moins polluantes et qui peuvent en même temps fournir les services souhaités. Dans cette optique, ce travail est consacré à l'amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques conventionnelles en augmentant leur temps de réaction par l'amélioration de leurs taux de rampe à l'aide d'un système de stockage d'énergie (ESS). Pour atteindre cet objectif, des modèles mathématiques sont développés à la fois pour l'ESS et la HPP. Les objectifs relatifs à l'amélioration du taux de rampe sont décrits en détail. Avec ces objectifs, deux approches d'optimisation différentes sont acquises où dans l'une, seul le fonctionnement de l'ESS est optimisé pour atteindre les objectifs et dans la seconde, les opérations de l'ESS et de la HPP sont optimisées. Plusieurs scénarios ont été identifiés pour lesquels les tests doivent être effectués. De plus, pour analyser l'impact du dimensionnement du SSE, différentes tailles ont été utilisées pour chaque test. Une étude comparative est menée pour les deux méthodes et des déductions sont tirées en détail dans ce travail. Une fois le processus de simulation et l'interprétation des résultats terminés, ces derniers sont utilisés pour effectuer une expérimentation avec un Power-Hardware-In-Loop (PHIL) où un superviseur et un contrôleur sont conçus pour contrôler le circuit hydraulique physique avec les paramètres du processus de simulation. Une fois les expériences terminées, les données de la simulation et de l'expérience sont comparées et des conclusions sont tirées, indiquant la possibilité d'augmenter le taux de rampe de la centrale hydroélectrique à l'aide d'un SSE.

Abstract :

With the current growth in more electrical power generation alongside the rising concerns of the climatic degradation, green push for more Renewable Energy Sources (RESs) is increasing simultaneously. The dependency of the RESs like solar photovoltaics and wind power on nature, makes the generation from these sources highly intermittent. In addition to that, these sources of electric power do not use the synchronous machines for generation. Power plants using synchronous generators add to the inertia of grid. However, with the addition of more and more RESs in the grid, the overall inertia of the grid is reducing gradually and will tend to do so with further increase of the RES share in the energy mix. The loss of inertia of the grid leads to challenges associated to the power stability and security. To mitigate the impacts of the increasing RES mix, several services commonly known as the ancillary services are gaining momentum globally with different power generation, transmission, and distribution companies. These grid services can be broadly classified in frequency services and voltage services. The frequency services are controlled through the control of the active power and that of voltage services are controlled using the reactive power. Various research works are being conducted globally to propose different methods to implement these services with different means. Of one such mean is through increasing the flexibility of the power system. Towards increasing the flexibility, the conventional power sources can play a very important role, however, due the physical constraints, not all conventional power plants are able to cater the fast-changing grid demands with the changing grid dynamics due to the high penetration of RESs. In such case, hydro power plants (HPPs) can be the most prominent solution as they are both renewable and capable of following the load demand by controlling its output. Also, with HPPs supplying power to the mankind for significantly long time, several research and development work have been conducted to make their functionalities and operations more and more efficient. Identifying the growing need of flexibility and the climatic concerns, it becomes imperative to enhance the capabilities of the generation sources which are less polluting and at the same time can cater the desired services. Towards an attempt to that, this work is dedicated to enhancing the flexibility of conventional HPPs by increasing their reaction time through the improvement in their ramp rates with the help of an energy storage system (ESS). In the process of achieving this goal, mathematical models of both ESS and HPP are developed.
Objectives relating to the ramp rate enhancement are described in detail. With these objectives, two different optimization approaches are acquired where in one, only the operation of the ESS is optimized to meet the objectives and in the second, operations of both the ESS and HPP are optimized. Several scenarios have been identified for which the test is to be conducted. Also, to analyze the impact of the ESS sizing, different sizes have been used for each test. A comparative study is conducted for the two methods and inferences are drawn in detail in this work. On successful completion of the simulation process and interpretation of the results, the results are then used to perform and experimentation with a Power-Hardware-In-Loop (PHIL) where a supervisor and controller is designed to control the physical hydraulic circuit with the parameters from the simulation process. On successful completion of the experiments, the data from the simulation and the experiment are compared and inferences are drawn which indicate the possibility of increasing the ramp rate of the HPP using an ESS.