PhD report
Topic : Electrical engineering

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18 Novembre 2010

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France


Gauthier DELILLE

Contribution du Stockage à la Gestion Avancée des Systèmes Électriques,
Approches Organisationnelles et Technico-économiques dans les Réseaux de Distribution



Président :
Georges BARAKAT, Professeur, Université du Havre, GREAH

Rapporteurs :
Daniel KIRSCHEN, Professeur, the University of Manchester
Abdellatif MIRAOUI, Professeur, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, SET

Examinateurs :

Stéphane BISCAGLIA, Dr., Expert Réseaux Intelligents et Stockage, ADEME
Xavier GUILLAUD, Professeur, École Centrale de Lille, L2EP

Membre invité :
Gilles MALARANGE, Chef de Projet, EDF Recherche et Développement

Directeur de thèse :
Bruno FRANCOIS, Dr, Maître de Conférences (HDR) Ecole Centrale de Lille, L2EP



Résumé:
Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l’avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d’énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l’essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l’intérêt.
Dans un premier temps, des méthodes d’étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille de caractérisation des technologies est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Nous l’analysons en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est définie avant d’aborder la mutualisation de fonctions, requise pour favoriser l’atteinte d’une rentabilité, via une approche originale.
Cette démarche aboutit à l’identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d’évaluer l’utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Ces outils sont appliqués et validés expérimentalement dans le cadre de l’évaluation d’une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes électriques insulaires.

Abstract:
Innovative solutions must be developed to make future power systems able to overcome a growing number of challenges. In particular, energy storage is thought to be the missing link that will help enable the massive integration of renewable sources in distribution grids. The present research work aims to investigate this new technical option, which has reached maturity and is currently attracting increasing attention.
In the first part of the dissertation, general methods to assess the potential and opportunities of distributed energy storage are presented. A framework for characterizing storage technologies is defined and its use highlights interesting performances but high costs. That is why the benefits of such devices for power systems are crucial to their development. The study of this point in carried out in two phases: their applications for various stakeholders of liberalized power systems are first classified and precisely defined; the aggregation of some of these services to increase the profitability of energy storage is then contemplated using a new method.
This approach leads to the identification of high-value configurations that deserve further exploration. To this end, a scalable, flexible model of distributed energy storage systems is proposed in the second part of the dissertation. Its implementation in the dynamic simulation software allows the study of advanced storage “service packs” in power systems. The possibilities offered by these tools are experimentally validated on a case study: the provision of a new type of fast frequency control reserve by distributed storage to reduce the use of automatic load-shedding in isolated power systems is analyzed.

Plan :

Introduction

Première partie POTENTIEL ET OPPORTUNITES DU STOCKAGE D’ENERGIE DANS LES RESEAUX DE DISTRIBUTION
Chapitre 1. Caractérisation des technologies et des systèmes de stockage pour les réseaux de distribution.
Chapitre 2. Analyse des offres de services du stockage distribué pour les systèmes électriques.

Deuxième partie CONTRIBUTION A L’ETUDE D’APPLICATIONS INNOVANTES DU STOCKAGE D’ENERGIE DISTRIBUE DANS LES RESEAUX ELECTRIQUES 121
Chapitre 3. Modèle général du stockage distribué pour les études dynamiques des systèmes électriques.
Chapitre 4. Le soutien dynamique au réglage de la fréquence : une inertie virtuelle apportée par le stockage distribué aux réseaux insulaires

Conclusion

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Publications: :

International Journal :

[J1] G. DELILLE, , B. FRANCOIS, G. MALARANGE "Construction d’une offre de services du stockage pour les réseaux de distribution dans un contexte réglementaire dérégulé" , European Journal of Electrical Engineering, Vol. 12, No 5-6, pp. 733-762, september 2009

[J2] G. DELILLE, B. FRANCOIS "A review of some technical and economic features of energy storage technologies for distribution systems integration" , Ecological Engineering and Environment Protection, No1, p. 40-49, ISSN 1311-8668, 2009

[J3] Savvas TASSOU, Gauthier DELILLE, Yunting GE “Food transport refrigeration – Approaches to reduce energy consumption and environmental impacts of road transport”, Applied Thermal Engineering, vol. 29, n°8-9, pp. 1467-1477, Juin 2009

[J4] G. DELILLE, , B. FRANCOIS, Gilles MALARANGE "Dynamic Frequency Control Support by Energy Storage to Reduce the Impact of Wind and Solar Generation on Isolated Power System’s Inertia" , IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY, VOL. 3, NO. 4, OCTOBER 2012.


Ouvrages scientifiques :

“Stockage d’énergie pour les systèmes électriques” (chapitre 1), Problématiques du stockage d'énergie, ouvrage sous la direction d’Yves BRUNET, Régime BELHOMME, Jérôme DUVAL, Gauthier DELILLE, Gilles MALARANGE, Julien MARTIN, Andrei NEKRASSOV, Décembre 2009, ISBN 978-2-7462-2053-9, pp. 29-69.


International conferences :

“Dynamic Frequency Control Support: a Virtual Inertia Provided by Distributed Energy Storage to Isolated Power Systems”, G. DELILLE, B. FRANÇOIS, G. MALARANGE, Proc. IEEE Innovative Smart Grids Technologies Europe Conference, Gothenburg, Sweden.Octobre 2010

“Real-time simulation: the missing link in the design process of advanced grid equipment”, Y. WANG, G. DELILLE, X. GUILLAUD, F. COLAS, B. FRANÇOIS, Proc. IEEE PES General Meeting, Minneapolis, MN, U.S.A., Juillet 2010

“Energy Storage Systems in Distribution Grids: New Assets to Upgrade Distribution Networks Abilities” ,Gauthier DELILLE, Bruno FRANÇOIS, Gilles MALARANGE, Jean-Luc FRAISSE, Proc. 20ème Conférence Internationale des Réseaux Électriques de Distribution (CIRED2009), Prague, République Thèque, article n°0493., Juin 2009

“Contribution of Local Voltage Regulation to a Better Integration of DG in Distribution Grids”, Jérôme DUVAL, Gauthier DELILLE, Jean-Luc FRAISSE, Xavier GUILLAUD, Proc. 20ème Conférence Internationale des Réseaux Électriques de Distribution (CIRED2009), Prague, République Tchèque, article n°0489,Juin 2009

“A Review of Some Technical and Economic Features of Energy Storage Technologies for Distribution System Integration”, Gauthier DELILLE, Bruno FRANCOIS, Proc. International Conference on Electrical Machines and Power Systems (ELMA’08), Sofia, Bulgarie, vol. 1, pp. 67-72.,Octobre 2008

“Feasibility of the Use of Solar Energy for Food Transport Refrigeration”, Savvas TASSOU, Gauthier DELILLE, Jason SHILLIDAY, Proc. 22nd International Congress of Refrigeration (ICR07), Pékin, article ICR07-D2-1392,Août 200


Photo souvenir: Gauthier, Bruno, Ludmil