Introduction
Le principal avantage environnemental des véhicules électriques (VE) est la réduction des émissions de gaz d'échappement, ce qui contribue à diminuer les émissions globales de gaz à effet de serre liées aux transports. Ces véhicules présentent un avantage subsidiaire qui gagne en popularité : leurs batteries peuvent être utilisées comme moyen de stockage d’électricité pour améliorer la gestion de l'énergie des bâtiments (V2B, Vehicle-to-Building) et la réponse à la demande du réseau (V1G et V2G, Vehicle-to-Grid).
L’avantage spécifique de l’utilisation de batteries de VE pour le V2B et le V2G est de réduire la dépendance aux centrales électriques, qui produisent davantage d’émissions, et d'assurer un fonctionnement plus flexible et plus efficace, pour l’alimentation du système. Pour le V2B, la dépendance à l'égard du réseau électrique peut être réduite grâce à l'augmentation de la consommation d'énergie produite par les ressources énergétiques distribuées (DER) locales, telles que les systèmes photovoltaïques (PV). De plus, ces batteries offrent la possibilité de produire de l’électricité indépendamment du raccordement au réseau principal (ce que l'on appelle l’alimentation en îlotage), améliorant ainsi la fiabilité de l'approvisionnement en cas de panne du réseau.
Dans ce livre blanc, vous découvrirez les avantages et l'importance d’optimiser la recharge des véhicules électriques pour améliorer l'efficacité du réseau. Le rapport explique comment les méthodes de recharge intelligente peuvent améliorer la réponse globale du système électrique, passe en revue les meilleures pratiques d'optimisation, explique comment la modélisation et la simulation peuvent améliorer le développement de l'infrastructure de recharge, et bien d'autres choses encore.
Charge bidirectionnelle
Pour que les batteries des VE puissent agir comme des actifs mobilisables au sein de systèmes plus importants, elles doivent être connectées par l'intermédiaire de chargeurs bidirectionnels, qui permettent la recharge et la décharge de la batterie dans le système électrique d'un bâtiment ou sur le réseau. Ces chargeurs bidirectionnels sont des convertisseurs de puissance pilotés par des contrôleurs numériques. Le design de ces contrôleurs peut être réalisé par modélisation et simulation. Cette approche permet de vérifier non seulement le fonctionnement détaillé du contrôleur du convertisseur de puissance, mais aussi la réponse de l'ensemble du système aux contraintes opérationnelles, telles que les limites de tension et de courant, ainsi qu’aux conditions de défaillance, telles que la défaillance d'un commutateur électronique de puissance.
La charge bidirectionnelle est possible grâce à un convertisseur de puissance bidirectionnel qui contient des commutateurs électroniques de puissance contrôlables tels que des IGBT ou des MOSFET. Un système de contrôle numérique est utilisé pour générer un cycle de marche pour la modulation de largeur d'impulsion (PWM), qui commande l’activation et la désactivation des interrupteurs électroniques de puissance. Bien qu'il existe différentes topologies de convertisseurs de puissance utilisées pour la recharge des VE, le Dual Active Bridge (DAB) est souvent choisi en raison de sa flexibilité opérationnelle et de son efficacité. La figure 1 montre la topologie d'un DAB modélisé avec Simscape Electrical™.
Figure 1. Topologie d’un DAB.
Un DAB se compose de deux ponts en H reliés par un transformateur d’isolation. Chaque pont en H est contrôlé séparément pour obtenir le profil opérationnel global souhaité.
La figure 2 ci-dessous montre un graphique MATLAB® piloté par une simulation Simscape Electrical. La figure montre un DAB fonctionnant avec une commande de déphasage, où les phases des tensions des ponts en H primaire et secondaire sont décalées l'une par rapport à l’autre, pour obtenir une amplitude et une direction du flux d’énergie données. La visualisation montre que l'énergie circule du côté primaire vers le côté secondaire, la tension CA primaire (VACp) étant en avance sur la tension CA secondaire (VACs). En cas d'inversion du flux d'énergie, la VCAp serait en retard sur la VACs. La simulation est utilisée non seulement pour concevoir le système de contrôle, mais aussi pour choisir les composants électriques appropriés avec des valeurs nominales adaptées, permettant de répondre aux exigences opérationnelles.
Charge intelligente
Lorsque plusieurs VE sont connectés aux systèmes V2B ou V1G/V2G, il est possible d'appliquer une recharge intelligente. V1G désigne la recharge unidirectionnelle et V2G la recharge bidirectionnelle. La recharge intelligente permet d'utiliser des techniques d'optimisation pour ajuster les profils de charge individuels des différentes batteries, ce qui présente des avantages à l’échelle du système.
Par exemple, la visualisation ci-dessous (figure 3) montre un système V2G dans lequel quatre VE sont raccordés à un réseau. Vous pouvez supposer que les quatre VE se connectent et se déconnectent à des moments différents et qu'à la fin de la période où ils sont raccordés, chaque VE doit être complètement chargé. Vous pouvez également supposer que les heures de branchement et de débranchement sont connues : il s'agit d'une hypothèse simplificatrice à des fins purement illustratives. Si vous chargez les VE à un taux constant (non intelligent), vous pouvez vous attendre aux schémas de charge indiqués en rouge : chaque VE est complètement chargé à la fin du cycle de charge. Il convient toutefois de noter que la puissance du réseau présente un pic important pour ce scénario. Si, au contraire, vous appliquez des méthodes d'optimisation et imposez une contrainte visant à réduire la puissance de pointe du réseau tout en veillant à ce que chaque VE soit complètement chargé à la fin de sa période de branchement, vous pouvez vous attendre aux schémas de charge illustrés en vert. Remarquez que pendant les périodes de branchement, les batteries peuvent se charger et se décharger afin de décaler l'énergie dans le temps, réduisant ainsi la puissance de pointe du réseau. Un inconvénient potentiel de la charge intelligente est que les batteries des VE sont plus sollicitées qu'elles ne le seraient avec une recharge constante, ce qui réduit la durée de vie utile restante. Le cadre d'optimisation peut être amélioré pour prendre en compte d'autres contraintes techniques, telles que la réduction du cycle de chaque batterie.
Optimisation techno-économique des bornes de recharge
L'analyse techno-économique (ATE) est une partie importante du dimensionnement et de l'exploitation de l'ensemble du système. Elle est généralement réalisée à l'aide de méthodes d'optimisation appliquées à des modèles simples de bilan énergétique. L'objectif de l’ATE est de déterminer le modèle de fonctionnement optimal en fonction de certains critères, tels que la réduction des cycles de charge des batteries individuelles des VE et/ou le stockage d’une quantité suffisante pour répondre à la demande du réseau, tout en garantissant que les limites opérationnelles ne sont pas dépassées. Une fois l’ATE réalisée, une modélisation détaillée intégrant les aspects plus techniques du développement du système de gestion de l'énergie peut être ajoutée et référencée dans l’ATE pour vérifier que le design détaillé répond aux exigences opérationnelles prévues.
La figure 4 ci-dessous illustre une structure de micro-réseau qui comprend une source d’énergie renouvelable et un système de stockage au niveau du réseau, en plus d’un raccordement au réseau électrique qui alimente une borne de recharge pour VE et une partie de la charge industrielle. Dans le scénario étudié, la borne de recharge pour VE ne peut utiliser que la source d'énergie renouvelable, mais la charge industrielle peut utiliser à la fois la source d'énergie renouvelable et le réseau de distribution d'électricité. Dans ce cas, une contrainte technique est que le stockage au niveau du réseau ne peut être chargé que lorsque l'énergie renouvelable est disponible, et que la borne de recharge pour VE ne peut puiser que l'énergie provenant de la source renouvelable et du système de stockage au niveau du réseau.
Outre gérer la contrainte technique associée au flux d'énergie, l'optimisation techno-économique vise également à dimensionner les composants du système afin de réduire les coûts d'investissement et d'exploitation sur la durée de vie prévue du système. L'analyse et l'optimisation techno-économiques portent généralement sur des périodes d'un an à intervalles d'une heure : c'est ce qu'on appelle la simulation 8760 (il y a 8 760 heures dans une année normale). La visualisation ci-dessous (figure 5) montre le résultat d'une optimisation techno-économique, avec la puissance de chaque composant à chaque heure, qui assure un bon équilibre énergétique entre l'offre et la demande.
Études d'intégration au réseau
Bien que les équations simplifiées de l’équilibre énergétique utilisées dans les analyses précédentes soient utiles pour appliquer les techniques d'optimisation, elles offrent des informations limitées d’un point de vue de l’ingénierie. L'évaluation de l'impact de la recharge des VE sur la réponse du réseau nécessite la réalisation d'études de simulation du système électrique plus détaillées. Les simulations de systèmes électriques sont classées en deux catégories : les simulations par phaseur et les simulations par transitoires électromagnétiques (EMT). La figure 6 montre la principale différence entre les simulations EMT et par phaseur. L'EMT simule les formes d'onde détaillées, tandis que le phaseur simplifie la simulation en utilisant les valeurs efficaces, ce qui permet d'augmenter les pas de temps de simulation. Il convient de noter que la simulation par phaseur ne capture pas les transitoires de la forme d'onde, mais les conditions de fonctionnement en régime permanent.
Figure 6. Méthodes de simulation des systèmes électriques.
Les simulations par phaseur sont mieux adaptées aux études d'impact à long terme de la recharge des VE sur le réseau, car elles permettent d'effectuer des simulations quasi-statiques sur des pas de temps plus importants et des périodes plus longues. Une simulation quasi-statique ne nécessite pas de simuler des réponses dynamiques détaillées. Il s'agit plutôt de passer par un grand nombre de points de fonctionnement, où les pas de temps peuvent aller de quelques minutes à une heure et où les périodes étudiées peuvent aller de quelques heures à une année ou plus.
La figure 7 montre les tensions aux nœuds d'un modèle de système de distribution représentatif, à des pas de temps de 10 minutes sur une période de 24 heures, à l'aide d'une simulation par phaseur quasi-statique. La partie gauche montre les amplitudes de tension à chaque période de temps, et la partie droite montre un histogramme des amplitudes de tension sur l'ensemble de la période de 24 heures. L'analyse statistique est un complément précieux à l'analyse du domaine temporel pour obtenir des informations supplémentaires sur les schémas opérationnels dans plusieurs scénarios.
Figure 7. Visualisation des variations de tension des nœuds dans le temps et selon leur profil de distribution.
Les études d'impact sur le réseau nécessitent généralement l'examen de nombreux scénarios opérationnels, qui peuvent atteindre des milliers. Pour une simulation efficace d'un grand nombre de scénarios opérationnels, le calcul parallèle peut être utilisé pour répartir les scénarios sur plusieurs cœurs. Dans l'exemple ci-dessous, quatre cœurs sont utilisés pour distribuer plusieurs scénarios, ce qui se traduit par une simulation 3,5 fois plus rapide. Plus il y a de cœurs disponibles, plus la vitesse est élevée.
Les études EMT sont nécessaires lorsque des informations plus détaillées sur le fonctionnement d'une technologie spécifique sont requises, par exemple lors de l'évaluation de l'impact des harmoniques de commutation de l'électronique de puissance sur le réseau électrique. Les bornes de recharge pour VE sont généralement connectées au réseau par l'intermédiaire de ressources basées sur des onduleurs (IBR), qui sont des convertisseurs de puissance exploités par contrôle numérique. La simulation des IBR nécessite de petits pas de temps de l'ordre de la microseconde ou de la nanoseconde pour capturer l'effet de la commutation de l'électronique de puissance. Il est également nécessaire d’avoir modélisé de manière détaillée la topologie du convertisseur de puissance et du système de contrôle. La visualisation dynamique ci-dessous montre la réponse d'un onduleur triphasé contrôlé par modulation de largeur d'impulsion (PWM). Notez les harmoniques de fréquence plus élevée causées par la commutation électronique de puissance.
Conclusion
La modélisation et la simulation, associées à d'autres outils de calcul tels que l'optimisation, peuvent fournir des informations aux concepteurs de systèmes dès les premiers stades du développement technologique. Cela devrait contribuer à atténuer les erreurs de design et garantir que le système en cours de développement fonctionnera de manière résiliente et efficace, dans la plage opérationnelle prévue.
