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PERSEE - Gestion et contrôle des centrales hydroélectriques hybrides avec systèmes de stockage électrochimique d’énergie pour les réseaux électriques du futur

PERSEE - Gestion et contrôle des centrales hydroélectriques hybrides avec systèmes de stockage électrochimique d’énergie pour les réseaux électriques du futur

Operations and control of hybrid hydro power stations with battery energy storage systems for future sustainable power systems

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et procédés

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

KARINIOTAKIS Georges

Unité de recherche

Energétique et Procédés

Contact
Date de validité

01/10/2019

Site Web
Mots-clés

Centrales hydroélectriques, stockage électrochimique, contrôle prédictif, commande prédictive, optimisation, énergies renouvelables

Hydropower plants, battery systems, predictive control, model predictive control, optimization, renewable energies

Résumé

Contexte et enjeux :

Les centrales hydroélectriques représentent une part importante du panorama électrique européen avec notamment 15% de la production totale d'électricité en 2017. Bien que leur capacité technique de suivi de charge se caractérise par des rampes généralement plus rapides que celles des centrales au charbon ou nucléaires (15% de la capacité nominale par minute contre 5%), cette capacité doit être adaptée dans le futur pour répondre à la demande accrue de régulation rapide pour faire face à la pénétration croissante des énergies renouvelables. De plus, les écarts de prix décroissants observés sur les marchés de l'électricité affaiblissent la performance économique des centrales de pompage hydroélectriques. Il est donc nécessaire pour leurs exploitants de participer aux marchés de flexibilité rapide pour conserver leur rentabilité. Le concept de 'centrale hydroélectrique hybride' fait référence aux centrales hydroélectriques classiques dotées d'un système de stockage d'énergie électrochimique (battery energy storage system - BESS) connecté en parallèle. L’objectif d’une telle hybridation est d’augmenter le taux des rampes de puissance de sortie et de réduire l'usure des composants hydrauliques. Généralement un système BESS, grâce à un procédé de stockage d’énergie par voie électrochimique rapidement réversible couplé à un raccordement à des convertisseurs de puissance, permet d’obtenir des taux de rampes élevés. Associé à la baisse du coût des systèmes BESS lithium-ion, ces performances font de cette perspective d’hybridation une option extrêmement attirante pour les opérateurs de centrales hydroélectriques en vue d’accroître la flexibilité de leurs actifs. Cette problématique est désormais reconnue comme une priorité au niveau européen et a déjà donné lieu à un nouveau projet de recherche dans le cadre de l’appel à projets H2020 LC-SC3-RES-17-2019. C’est dans le cadre de ce projet que doit se dérouler la présente thèse.

Objectifs scientifiques :

L'objectif du travail de recherche proposé dans ce cadre est de développer, valider et tester des algorithmes de contrôle avancés pour les centrales hydroélectriques hybrides à vitesse variable. En fonction des sollicitations externes mises en œuvre pour adapter rapidement (<1 sec) la production de la centrale hybride (sous forme de « set-points »), ces algorithmes devront déterminer des trajectoires de contrôle réalistes pour la batterie et l'unité hydroélectrique. Ces trajectoires doivent notamment respecter les contraintes opérationnelles de la centrale tout en minimisant le vieillissement électrochimique de la batterie ainsi que les processus d'usure de la turbine hydraulique. Les algorithmes de contrôle proposés seront validés sur des cas réels en collaboration avec le Laboratoire de Machines Hydrauliques (LMH, https://lmh.epfl.ch) et le Laboratoire de Systèmes Electriques Distribués (DESL, https://desl-pwrs.epfl.ch) de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), qui héberge notamment des bancs d'essais expérimentaux intégrant des machines hydrauliques de 3x300 kW et d’une capacité de 720 kVA / 560 MWh. Pour cette raison, des séjours de recherche dans ces deux laboratoires sont prévus.

Méthodologie et résultats attendus :

Les algorithmes de contrôle s'appuieront sur des modèles d'ordre réduit de la turbine hydraulique (diagramme de Hill) et de la batterie (par exemple, modèles de circuit équivalent, modèles de durée de vie, …) pour déterminer les valeurs de consigne de puissance de la batterie et de la centrale hydroélectrique en fonction d'un signal de commande externe, basée, par exemple, sur (sans y être limitée) la commande prédictive. Les algorithmes seront initialement conçus et validés dans un contexte de simulation, puis développés pour atteindre une fiabilité de niveau industriel afin de réaliser les tests requis à l'échelle du laboratoire. En raison de la nécessité de tester les algorithmes intégrés dans un environnement réel, la facilité d’implémentation en modules opérationnels sera l’un des objectifs clés du travail de recherche.


Background:

Hydropower plants are important players of the European electricity landscape and, in 2017, accounted for 15% of the total generated electricity. Although they generally have quicker ramping capabilities than coal and nuclear power plants (15% of nominal capacity per minute vs 5%), their setup needs to be adapted to meet the increasing demand for fast regulation required to accommodate larger shares of production from renewables. Moreover, the decreasing price differentials observed in wholesale energy markets weaken the business case of hydro-pumping stations, requiring their operators to enter fast flexibility markets to retain profitability. The concept of 'hybrid hydropower plants' refers to augment conventional hydropower units with a parallel grid-connected battery energy storage system (BESS) with the objectives of increasing its response time to time-varying power set-points and reducing the wear and tear of the hydraulic components. Generally, grid-connected BESS, thanks to storing energy in a quickly reversible electrochemical reaction and being connected with power converters, can implement active and reactive power set-points in a much faster way than hydropower units. This, in confluence with the decreasing prices, makes of lithium-ion BESSs an extremely appealing option for hydropower plantsÂ’ operators to increase the flexibility of their asset. This problematic has been recognized as a priority at the European level, resulting in a new research project granted under the LC-SC3-RES-17-2019 call that is the framework of this Ph.D. project.

Scientific objectives:

The objective is developing, validating and testing advanced control algorithms for hybrid variable speed hydropower stations. As a function of fast varying (i.e., second and sub-second time scale) power set-points, the algorithms should determine feasible control trajectories for both the battery and hydropower unit. These trajectories should respect the operational constraints of the two types of units while minimizing the electrochemical aging of the battery and wear and tear processes of the hydro turbine. The proposed control algorithms will be validated in real-life in collaboration with the laboratory of hydraulic machines (LMH, https://lmh.epfl.ch) and of distributed electrical systems (DESL, https://desl-pwrs.epfl.ch) of the Swiss Federal Institute of Technology of Lausanne (EPFL), that hosts 3x300 kW hydraulic machine experimental test-rigs and a 720~kVA/560~MWh. For this reason, external research stays at those laboratories are foreseen.

Methodology and expected results:

Control algorithms will leverage reduced order models of the hydro turbine (e.g., Hill chart) and battery (e.g., equivalent circuit model, aging models) to determine the power set-points of the battery and hydropower generating unit as a function of an external control signal, based on, e.g., (but not limited to) model predictive control. Algorithms will be initially developed and validated in a simulation context and will be subsequently engineered to achieve industrial-grade reliability in order to perform the required lab-scale tests. Due to the need for testing the algorithm in real-life, tractability will be a key attribute of the developed algorithms, thus they will leverage efficient computational models.




Contexte

...

Encadrement

SOSSAN Fabrizio

Domaine(s)

'1007' 'Génie électrique', '401' 'Mathématiques et leurs interactions'

Profil candidat

Pour postuler : Postulez en ligne en remplissant le formulaire à l'adresse https://forms.gle/YZJMDihDV75TrhsW7 avec en CV, lettre de motivation et lettre de recommandation (si disponible).

For applying: All interest candidates with suitable background are encouraged to apply online by filling the form at https://forms.gle/YZJMDihDV75TrhsW7 and uploading their CV, cover letter, and recommendation letters (if available).

Références

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Type financement

Contrat de recherche

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