Université de technologie de Compiègne - Proposition de thèse … · 2019-05-23 · énergétique avec dominante en génie électrique, etc. Maîtrise des outils de modélisation

École doctorale de rattachement : ED 71 « Sciences pour l’ingénieur » - UTC

Université de technologie de Compiègne - Proposition de thèse

1re partie : Fiche scientifique

Intitulé de la thèse Modélisation et conception d’un microsystème énergétique urbain basé sur les énergies renouvelables et dédié à l’électromobilité Stratégies de gestion énergétique optimale et régulation technico-économique adaptées aux nouveaux services urbains d’électromobilité

Type de financement Contrat doctoral sur allocation MESR Laboratoire d’accueil EA 7284 Avenues

site web : https://avenues.utc.fr/presentation/laboratoire-avenues.html Directeur(s) de thèse Manuela Sechilariu (HDR, directeur de thèse), Avenues

Fabrice Locment (HDR, co-directeur de thèse), Avenues Domaines de compétence

Sciences pour l’ingénieur Domaine principal : Génie électrique

Description du sujet de thèse

La transition énergétique incite à une croissance rapide de l’intégration des sources d'énergie renouvelable. Cependant, l'augmentation de la production d'énergie décentralisée révèle une complexité croissante pour les gestionnaires de réseaux impliquant plus de qualité et de fiabilité pour réguler les flux d'électricité et moins de inadéquation entre la production et la demande d'électricité. Pour surmonter ce problème, le concept de micro-réseau intelligent, à partir de sources d’énergie renouvelable, de stockage et une connexion au réseau électrique public, vise à participer activement dans l’équilibre de la production d'électricité et la consommation d'énergie. A l’heure des transitions imbriquées, énergétique, environnementale et numérique, la mobilité électrique est amenée à proposer en ville des microsystèmes énergétiques pour la recharge des véhicules électriques (VEs), proposés en libre-service ou non, mais aussi de nouveaux services associés tels que la flexibilité énergétique, la mutualisation de ressources et la mixité fonctionnelle et/ou technique à l’échelle du bâtiment, d’îlots, ou du quartier. Dans ce contexte, nous devons aborder simultanément les problèmes suivants : énergie partagée, énergie renouvelable, conception et dimensionnement du système énergétique, disponibilité du réseau électrique, analyse spatiale de la demande de recharge des VEs, planification et programmation urbaine liées à la recharge et au stationnement, caractérisation des déplacements et des usages de la mobilité électrique, interfaces numériques (échange de données), outils adaptés de régulation technique, sociale, juridique et/ou économique, impact sociétal et réglementation. Cette thèse propose l’étude d’un microsystème énergétique innovant implanté dans un espace urbain et défini comme un groupement d’objets, soit des VEs, une infrastructure intelligente pour la recharge des VEs (IIRVEs) et un bâtiment ayant une connexion à l’IIRVEs. Ce microsystème énergétique est indissociable de l’espace urbain d’implantation avec lequel de multiples interactions physiques et/ou logiques existent. L’IIRVEs est conçue sur la base d'un micro-réseau électrique intelligent capable de gérer de façon optimale les flux d’énergie. Ainsi, le micro-réseau doit prendre en compte les stratégies de gestion d’énergie de type V2G (Vehicle to Grid, décharge des batteries des VEs dans le réseau public), V2H (Vehicle to Home, décharge des batteries des VEs dans le bâtiment) et I2H (IIRVEs to Home, l’énergie produite par l’IIRVEs et non utilisée par les VEs alimente directement le bâtiment), et propose de nouveaux services qui peuvent être associés. La recherche, à travers cette thèse, vise à étudier, concevoir et développer un microsystème énergétique urbain capable de faciliter les interactions entre les IIRVEs, le réseau électrique public, les utilisateurs des VEs et les bâtiments environnants. Les résultats porteront sur des outils d’optimisation pour favoriser l’émergence des microsystèmes énergétiques urbains et des outils en vue de leur régulation technico-économique grâce aux nouveaux services urbains associés. Quelques références :


[1] F. Locment, M. Sechilariu : “Modeling and Simulation of DC Microgrids for Electric Vehicle Charging Stations”, Energies, Special Issue on Electrical Power and Energy Systems for Transportation Applications, vol. 8, no.5, pp 4335-4356, 2015. DOI: 10.3390/en8054335 [2]M. Sechilariu, B. C. Wang, F. Locment, A. Jouglet : “DC microgrid power flow optimization by multi-layer supervision control. Design and experimental validation”, Energy Conversion and Management, vol. 82, pp. 1-10, 2014. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.03.010 [3] F. Locment, M. Sechilariu : "DC Microgrid for Future Electric Vehicle Charging Station Designed by Energetic Macroscopic Representation and Maximum Control Structure", ENERGYCON 2014 (3rd IEEE International Energy Conference), Dubrovnik (Croatia), 13-16 May 2014, pp. 1454-1460. DOI: 10.1109/ENERGYCON.2014.6850614

Mots clés Micro-réseau, mobilité électrique, transport, système énergétique urbain, gestion d’énergie, énergie partagée, système dynamique hybride, optimisation multicritère, supervision multicouches et multi-échelle, contrôle-commande

Profil et compétences du candidat

Diplôme d’ingénieur ou Master en : génie électrique, gestion d’énergie, systèmes énergétique avec dominante en génie électrique, etc. Maîtrise des outils de modélisation et de simulation numérique de type MATLAB Simulink, des systèmes temps réels de type dSPACE pour la mesure électrique et le control. Des compétences expérimentales seraient très appréciées.

Date de début de la thèse 1er octobre 2019

Lieu de travail de thèse UTC, Avenues EA 7284


2e partie : Fiche de poste

Durée 36 mois Possibilité missions complémentaires Enseignements dans divers domaines de génie électrique et informatique

Laboratoire d’accueil Laboratoire interdisciplinaire Avenues EA7284, Modélisation multi-échelle des systèmes urbains

Modélisation des systèmes urbains Génie urbain, aménagement de l’espace et urbanisme Génie urbain, transport et mobilités Vulnérabilités environnementales Science de la construction Génie électrique

Moyens matériels Bureau collectif, ordinateur, logiciels Accès aux portails documentaires, réseaux scientifiques nationales Accès aux plateformes PLER et STELLA

Plateforme PLER (Production Locale d’Electricité Renouvelable, O.114, O.115 et O.116) Plateforme STELLA (Smart Transport and Energy Living LAb, Centre d’Innovation de l’UTC)

Moyens humains 10 enseignants-chercheurs, 1 BIATSS, 6 doctorants Moyens financiers Budget de fonctionnement normal pour un doctorant comprenant 2 ou 3 inscriptions

et déplacements aux congrès internationaux/nationaux Modalités de travail Le doctorant sera salarié de l’UTC. Il intègrera l’équipe de recherche du laboratoire

Avenues. Sous la supervision permanente du directeur de thèse, le doctorant sera amené à travailler avec un des co-encadrants selon les besoins du sujet. Le doctorant fera preuve d’autonomie et développera un intérêt particulier pour les systèmes urbains.

Projet de recherche lié à cette thèse

ADEME, Mobel_City : Micro-réseau intelligent, implantation urbaine et régulation locale pour la mobilité électrique en ville (infrastructure intelligente pour la recharge des véhicules électriques)

Collaboration(s) nationale(s) Non

Collaboration(s) internationale(s Non

Thèse en cotutelle internationale Non

Coordonnées de la personne à contacter

Manuela SECHILARIU [email protected] UTC, Centre Pierre Guillaumat 2, O. 213 CS 60309, Compiègne 60203, France

Documents à envoyer pour candidater : - Curriculum vitae- Bulletins de notes de Master et/ou cursus d'ingénieur pour 2015-2017- Lettre de motivation indiquant ses intérêts pour la recherche- Références éventuelles et / ou lettres de recommandation

Contacter d’abord le directeur de thèse avant de renseigner un dossier de candidature en ligne sur https://webapplis.utc.fr/admissions/doctorants/accueil.jsf

mailto:[email protected]

https://webapplis.utc.fr/admissions/doctorants/accueil.jsf

Thèse de doctorat. - oct. 2019 / nov. 2022

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Titre de la thèse : Modélisation et conception d’un microsystème énergétique urbain basé sur les énergies renouvelables et dédié à

l’électromobilité

Sous-titre : Stratégies de gestion énergétique optimale et régulation technico-économique adaptées aux nouveaux services urbains d’électromobilité

Mots clés : Micro-réseau, mobilité électrique, transport, système énergétique urbain, gestion d’énergie, énergie partagée, système dynamique hybride, optimisation multicritère, supervision multicouches et multi-échelle, contrôle-commande

Date de début : Octobre 2019

École doctorale : ED 71 "Sciences pour l’Ingénieur" – UTC

Type de financement : Contrat doctoral sur allocation MESR

Laboratoire d’accueil : EA 7284 Avenues (site web : https://avenues.utc.fr/ )

Directeur(s) de thèse :

Manuela Sechilariu (HDR, directeur de thèse), AVENUES (Génie électrique)

Fabrice Locment (HDR, co-directeur de thèse), AVENUES (Génie électrique)

Domaines de compétence : Sciences pour l’ingénieur

Domaine principal : à Génie électrique

Description du sujet de thèse :

La transition énergétique incite à une croissance rapide de l’intégration des sources d'énergie renouvelable. Cependant, l'augmentation de la production d'énergie décentralisée révèle une complexité croissante pour les gestionnaires de réseaux impliquant plus de qualité et de fiabilité pour réguler les flux d'électricité et moins d’inadéquation entre la production et la demande d'électricité. Pour surmonter ce problème, le concept de micro-réseau intelligent, à partir de sources d’énergie renouvelable, de stockage et une connexion au réseau électrique public, vise à participer activement dans l’équilibre de la production d'électricité et la consommation d'énergie.

A l’heure des transitions imbriquées, énergétique, environnementale et numérique, la mobilité électrique est amenée à proposer en ville des microsystèmes énergétiques pour la recharge des véhicules électriques (VEs), proposés en libre-service ou non, mais aussi de nouveaux services associés tels que la flexibilité énergétique, la mutualisation de ressources et la mixité fonctionnelle et/ou technique à l’échelle du bâtiment, d’îlots, ou du quartier. Dans ce contexte, nous devons aborder simultanément les problèmes suivants : énergie partagée, énergie renouvelable, conception et dimensionnement du système énergétique, disponibilité du réseau électrique, mobilité électrique, interfaces numériques (échange de données), outils adaptés de régulation technique, et/ou économique. Cette thèse propose l’étude d’un microsystème énergétique innovant implanté dans un espace urbain et défini comme un groupement d’objets, soit des VEs, une infrastructure intelligente pour la recharge des VEs (IIRVEs) et un bâtiment ayant une connexion à l’IIRVEs (voir fig. 1).

Ce microsystème énergétique est indissociable de l’espace urbain d’implantation avec lequel de multiples interactions physiques et/ou logiques existent. L’IIRVEs est conçue sur la base d’un micro-réseau électrique intelligent capable de gérer de façon optimale les flux d’énergie. Ainsi, le micro-réseau doit prendre en compte les stratégies de gestion d’énergie de type V2G (Vehicle to Grid, décharge des batteries des VEs dans le réseau public), V2H (Vehicle to Home, décharge des batteries des Ves dans le bâtiment) et I2H (IIRVEs to Home,


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l’énergie produite par l’IIRVEs et non utilisée par les Ves alimente directement le bâtiment), et propose de nouveaux services qui peuvent être associés (voir fig. 2).

Fig. 1 : Système énergétique innovant et son implantation dans un espace urbain.

Fig. 2 : Stratégies de gestion d’énergie pour l’IIRVEs.

La recherche, à travers cette thèse, vise à étudier, concevoir et développer un microsystème énergétique urbain capable de faciliter les interactions entre les IIRVEs, le réseau électrique public, les utilisateurs des VEs et les bâtiments environnants.

Les résultats porteront sur des outils d’optimisation pour favoriser l’émergence des microsystèmes énergétiques urbains et des outils en vue de leur régulation technico-économique grâce aux nouveaux services urbains associés.

Basé sur la plateforme expérimentale STELLA (voir fig. 3), située au centre d’innovation de l’UTC, le travail sera d’abord validé par simulation, puis par des tests expérimentaux. Les algorithmes d’optimisation des coûts énergétiques ainsi que ceux associés au contrôle en temps réel seront testés dans des conditions météorologiques différentes et analysés en tenant compte de l’aspect stochastique.


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Fig. 3 : Images et détails sur la plateforme expérimentale STELLA.

Étape à parcourir et planning calendaire

L'objectif de cette recherche est de concevoir et de développer un système intelligent de gestion d'énergie qui optimise le transfert de puissances dans l’IIRVEs afin de tirer pleinement parti de la production locale, s'adapte aux conditions imposées par le réseau, prend en compte les différentes contraintes imposées par les utilisateurs, et minimise tant le coût énergétique pour l’utilisateur final que l’impact négatif au réseau public.

Étape 1, 11 mois

La première étape se concentrera, d'une part, sur l'étude bibliographique et, d'autre part, sur les outils et les méthodes appliqués au micro-réseau (théoriques et numériques). L'objectif final de cette première étape sera de comprendre pleinement le fonctionnement d’un micro-réseau en mode connecté au réseau public et composé principalement de : connexion au réseau public, source photovoltaïque, stockage électrochimique, charge. Le doctorant doit être capable de simuler le micro-réseau décrit dans la fig. 4 (NB : le stockage électrostatique sera étudié ultérieurement).

Fig. 4 : Micro-réseau intégré à une station de recharge-décharge des VEs.

Étude bibliographique : source photovoltaïque, stockage électrochimique, micro-réseaux, communications smart grid, contrôle de puissance maximale (méthodes MPPT), contrôle de puissance limitée, prédiction de production et de consommation (modélisation), optimisation linéaire technico-économique pour le


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dispatching des sources J-1 (la veille) et infra-journalier. Les principales références seront les articles scientifiques des bases de données Ieeexplore et Sciencedirect à partir de 2015, ainsi que les travaux réalisés au laboratoire [1] - [9].

Outils et méthodes : outils de simulation (MATLAB / Simulink), théorie du contrôle et de la supervision, méthodes d'optimisation (programmation linéaire et dynamique)

Opérationnel : sur la base de plusieurs travaux déjà réalisés par notre équipe de recherche, à la fin de la première année, le doctorant doit être capable de simuler correctement l'optimisation linéaire technico-économique pour le dispatching des sources et le contrôle en temps réel du micro-réseau.

Conception : à la fin de cette étape, le doctorant mènera une réflexion concernant le design d’un superviseur adapté à l’IIRVEs, en partant de celui représenté sur la fig. 5. Une première formulation du problème d’optimisation des coûts énergétiques adapté à l’IIRVEs sera proposée.

Fig. 5 : Superviseur du micro-réseau intégré à une station de recharge-décharge des VEs.

Étape 2, 8 mois

La deuxième étape consiste à étudier l'optimisation nécessaire pour la prise en compte de l'intermittence des arrivées et départs des VEs. Plusieurs scénarios seront étudiés et le temps de calcul sera analysé. L'objectif du travail de recherche est donc de mettre en œuvre les contraintes de l'équation d'équilibrage des puissances et impliquant l’utilisateur, d'une part dans le calcul d’optimisation des coûts énergétiques, et d'autre part dans le contrôle en temps réel. Des résultats issus des simulations numériques seront présentés dans les deux cas.

Étape 3, 8 mois

La troisième étape porte sur l'optimisation nécessaire pour la prise en compte de l'intermittence des décharges V2G, d’une part, et V2H, d’autre part. Plusieurs scénarios seront étudiés et le temps de calcul sera analysé.


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Également, les limites du superviseur par rapport à l’impact des choix de charge-décharge, donnés par l’utilisateur, seront mises en exergue.

Par la suite, le doctorant étudiera l'optimisation nécessaire pour la prise en compte tant de l'intermittence des arrivées/départs des VEs que des décharges V2G/V2H. En partant des conclusions des résultats obtenus, une configuration générique minimale garantie du superviseur sera choisie.

L'objectif final de cette étape est de proposer un algorithme capable de contrôler en temps réel l'équilibre des puissances du micro-réseau tout en tenant compte du calcul d'optimisation. Des résultats de simulation numérique seront obtenus afin de prouver la faisabilité du contrôle proposé.

Étape 4, 3 mois

Cette étape porte sur la validation expérimentale du superviseur et de l'algorithme d’optimisation retenus ainsi que l’impact du temps de calcul. Plusieurs tests prenant en compte plusieurs profils météorologiques seront réalisés afin de démontrer la faisabilité technique.

Étape 5, 5 mois

La dernière étape se concerne la rédaction de la thèse de doctorat et la préparation de la présentation orale.

Publications

Tout au long de la thèse, des travaux de recherche seront proposés pour publication en tant que communications de congrès et au moins un article dans une revue internationale.

Références des travaux réalisés au laboratoire AVENUES

[1] M. Sechilariu, F. Locment : "Urban DC Microgrid: intelligent control and power flow optimization”, Elsevier Inc., Butterworth-Heinemann, ISBN: 978-0-12-803736-2, 306 pages, Cambridge, MA 02139, USA, 2016. doi:10.1016/B978-0-12-803736-2.01001-X (http://www.sciencedirect.com/science/book/9780128037362)

[2] M. Sechilariu, B. C. Wang, F. Locment : “Building Integrated Photovoltaic System with Energy Storage and Smart Grid Communication”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Special Issue on Distributed Generation and Micro-grids, vol. 60, no. 4, pp. 1607-1618, April 2013. DOI:10.1109/TIE.2012.2222852

[3] M. Sechilariu, B. C. Wang, F. Locment : “Supervision control for optimal energy cost management in DC microgrid: design and simulation”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 58, pp. 140-149, Elsevier Ed., Feb. 2014, Impact Factor 3.432. doi:10.1016/j.ijepes.2014.01.018

[4] M. Sechilariu, B. C. Wang, F. Locment, A. Jouglet : “DC microgrid power flow optimization by multi-layer supervision control. Design and experimental validation”, Energy Conversion and Management, vol. 82, pp. 1-10, Elsevier Ed., March 2014, Impact Factor 3.590. doi:10.1016/j.enconman.2014.03.010

[5] M. Sechilariu, F. Locment, B.C. Wang : “Photovoltaic electricity for sustainable building. Efficiency and energy cost reduction for isolated DC microgrid”, Energies, Special Issue on Solar Photovoltaics Trilemma: Efficiency, Stability and Cost, vol. 8, no.8, pp 7945-7967, MDPI Ed., August 2015, Impact Factor 2.072. doi:10.3390/en8087945

[6] L. Trigueiro dos Santos, M. Sechilariu, F. Locment : “Optimized Load Shedding Approach for Grid-Connected DC Microgrid Systems under Realistic Constraints”, Buildings, Special Issue on Advance in Building Integrated Microgrid Systems, vol.6, no.4, article number 50, pp 1-15, MDPI Ed., Dec. 2016. doi:10.3390/buildings6040050

[7] I.Houssamo : “Contribution à l'étude théorique, à la modélisation et à la mise en œuvre d'un système multisource appartenant à un micro-réseau électrique : considération sur la qualité de l'énergie“, thèse de doctorat, ED 71, Université de Technologie de Compiègne, 2012

[8] B. C. Wang : “Intelligent control and power flow optimization of microgrid : energy management strategies”, thèse de doctorat, ED 71, Université de Technologie de Compiègne, 2013


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[9] L. Trigueiro dos Santos : “Contribution on the day-ahead and operational optimization for DC microgrid building-integrated”, thèse de doctorat, ED 71, Université de Technologie de Compiègne, 2017