Gestion optimale des unités de production dans un réseau compte tenu de la dynamique de la température des lignes

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1 Gestion optimale des unités de production dans un réseau compte tenu de la dynamique de la température des lignes M. Nick, R. Cherkaoui, M. Paolone «Le réseau électrique de demain» - EPFL,

2 Table des matières q q q q q q Concept Objectif de l étude Etat de l art Applications proposées Résultats de simulation Conclusions 2 2

3 Concept Comment exploiter de façon plus efficace les capacités maximales de transport des lignes électriques? Jusqu à présent, pour une ligne donnée, on exprime cette limite en terme de courants maximaux admissibles valeurs fournies par le fabricant pour des températures ambiantes spécifiées Proposition 1: observer plutôt l évolution de la température des conducteurs selon un model dynamique (Dynamic Thermal Rating: DTR) tout en sachant qu elle ne doit pas dépasser une limite donnée (85 o or 100 o ) Proposition 2: intégrer le modèle DTR dans l ensemble des fonctions permettant une exploitation sûre, fiable et économique d un réseau électrique (Energy Management System: EMS) 3

4 Objectif de l étude Intégrer le modèle DTR dans les applications visant à optimiser les plans de production/réserve des centrales tout en utilisant au mieux la capacité maximale de transport du réseau électrique Exemples: Programme d engagement des centrales (Unit Commitment: UC) Provision de réserve énergie / puissance (+/- ) pour le réglage et les mesures correctives Déploiement de la réserve de puissance pour le suivi de charge (réglage de la fréquence) Déploiement de la réserve pour l élimination des congestions (re- dispatching /rescheduling à Optimal Power Flow: OPF) Évaluation des ATC s (Available Transmission Capabilities) Etc. 4 4

5 Etat de l art (DTR :dynamic temperature rating) Relation entre courant et température dans le cas d une ligne aérienne selon: IEEE 738 standard ou CIGRE WG La température d une ligne aérienne dépend de: Ø Courant dans le conducteur Ø La résistance et les dimensions du conducteur Ø Conditions climatiques ambiantes (ex: température, vitesse et direction du vent, radiation solaire) Etablissement d une équation traduisant l équilibre thermique du conducteur: Heat Balance Equation (HBE) En pratique, HBE permet d établir la limite statique de courant admissible (I max ) à partir de la limite de température (T max ) du conducteur à ne pas dépasser et des conditions climatiques ambiantes conservatives Passage de (I I #$% ) à T T #$% 5

6 Etat de l art (HBE: Heat Balance Equation) HBE traduit le bilan des énergies thermiques qui entrent, sortent ou sont stockées dans le conducteur Les termes d échauffement sont les pertes ohmiques et le gain de chaleur solaire Les termes de refroidissement résultent des pertes de chaleur par convection et par radiation ρ d dt T t = I,.R T t + q 1 t q 3 T t q 4 T t 6

7 Etat de l art (HBE: Heat Balance Equation) Pertes ohmiques solaire convection radiation ρ d dt T t = I,.R T t + q 1 t q 3 T t q 4 T t Courant ligne - Lien entre modèles électriques et thermiques q 4 T t = A 4 ω t. T t 7 T $ t 7 q 3 T t = A 3 ω t. T t T $ t R T t = R α. T t T 489 T : température du conducteur T $ : température ambiante T 489 : température de référence pour R 489 ρ : capacité thermique du conducteur Type de conducteur: facteur déterminant (ex: ACSR) ω : vecteur paramètres climatiques (ex: vitesse du vent, température ambiante) A 4 : coefficients de pertes de chaleur par radiation A 3 : coefficients de pertes de chaleur par convection 7

8 Formulation générique de l optimisation Optimisation multi-périodes min A f(x E s.c. u E ) g x E, u E 0 h x E, u E = 0 Fonction objectif: coûts plan de production; procuration/déploiement réserve, start- up, délestage, etc. Contraintes inégalités: limites productions; températures maximales conducteurs; réserves maximales; tensions limites; etc. Contraintes égalités: équation LoadFlow (actif/réactif); Heat Balance Equations; etc. u t : variables de décision (ex: plans de production, de déploiement réserve, etc. ) x t : variables d états (ex: tensions, temperatures, etc.) 8

9 Applications proposées Security Constrained Unit Commitment (SCUC) (day ahead scheduling) Caractéristiques: ü Plan engagement des centrales + consignes de production ü Plan de réserve basé sur le critère de contingence N- 1 ü Variables binaires (centrale en/hors service) ü Modèle AC- LoadFlow (AC- LF) complet (actif/réactif), ü Formulation convexe pour AC- LF et HBE ü Utilisable dans le cas de réseaux de tailles réalistes ü Méthode de décomposition de Benders : problème master (UC) et sous- problèmes (security check) processus itératif 9

10 Applications proposées AC Optimal Power Flow (AC-OPF) (real time operation) Caractéristiques: ü Plan ajustement des productions (déploiement réserve) ü Evt. plan de délestage ü Modèle AC- LoadFlow (AC- LF) complet (actif/réactif), ü Formulation convexe pour AC- LF et HBE ü Utilisable dans le cas de réseaux de tailles réalistes ü Surcharges à court terme des conducteurs 10

11 Etude de cas: SCUC Bus a [$/MW, ] cost coefficients b [$/MW] c [$] G G G G (coût réserve disponible proportionnel à b[$/mw]) Hourly Active Load [p.u.] Temperature Active Load Time [hour] Charge horaire et température ambiante Ambient Temperature [ C] Wind Speed [m/s] Solar Radiation Wind Speed Time [hour] 1000 Solar Radiation [W/m 2 ] Vitesse du vent et radiation solaire 0 11

12 Etude de cas: SCUC Modèle SLR (Static Line Rating): La capacité maximale de transport d une ligne correspond à une valeur de courant unique I max calculée selon la température maximal admissible T max et des conditions climatiques ambiantes conservatives Modèle DLR (Dynamic Line Rating): La capacité maximale de transport est déterminée dynamiquement selon l évolution de la température du conducteur (HBE) qui ne doit pas dépasser une valeur T max 12

13 Etude de cas: SCUC Line Temperature [ C] Température conducteur L1 L2 L3 L4 L5 L Time [hour] Modèle SLR Line Temperature [ C] Température conducteur L1 L2 L3 L4 L5 L Time [hour] Modèle DLR 13

14 Etude de cas: SCUC Output Power [MW] Modèle SLR G1 G2 G3 G Time [hour] Plan de production des centrales Output Power [MW] G1 G2 G3 G4 Modèle DLR Time [hour] Plan de production des centrales Heat Gain/Loss [W/m] Ql Qs Qc Qr Time [hour] Heat Gain/Loss [W/m] Ql Qs Qc Qr Time [hour] HBE Terms (ligne L1) HBE Terms (Ligne L1) 14

15 Etude de cas: SCUC SLR DLR Réseau 5 noeuds / 6 branches Fonction objectif [$] SLR DLR Réseau IEEE 118 noeuds / 179 branches Fonction objectif[$] Temps de calcul [sec]

16 Etude de cas: AC-OPF ü Contingence: arrêt de G3 ü Plan de production initial donné (ex: SCUC, temps réel) ü Re- dispatch contraint par les limites du plan de réserve (ex: SCUC) ü Reserve de G4 activée après 20 min. ü T max conducteur: 85 [ C] (condition normale) et 100 [ C] (contingence) ü Surchauffe du conducteur au delà de 85 [ C] tolérée pour une durée limitée 16

17 Etude de cas: AC-OPF 17

18 Conclusions ü Implémentation et validation des applications intégrant le modèle DTR dans le cas de réseaux réels (collaboration avec les TSO s) ü Extension des bases de données (SCADA, EMS): modèle DTR pour tout type de conducteur (ex: AAAC), interface avec prévision météo, etc ü Possibilité d adopter une variante découplée du modèle DTR: calcul a priori des courants Imax selon HBE et utilisation dans les modèles d optimisation conventionnels ü Intégration du modèle DTR dans les modèles de planification des réseaux 18

19 Gestion optimale des unités de production dans un réseau compte tenu de la dynamique de la température des lignes M. Nick, R. Cherkaoui, M. Paolone «Le réseau électrique de demain» - EPFL,