Stratégie de commande optimale de la production électrique dans un site isolé

Hydro-Québec gère plus de 20 réseaux autonomes sur tout le territoire de la province. Dans l'ensemble, ces réseaux correspondent à des petits villages où la population et la consommation en énergie ne sont pas très élevés. Aussi, ceux-ci sont très loin les uns des autres et des centrales hydroélectriques, c'est pourquoi la production y est assurée localement au moyen de génératrices diesel. Le prix du diesel et la nécessité de l'acheminer par bateau dans bien des cas font que les coûts de production soient très importants. À ceci, il faut ajouter que l'électricité est facturée au même prix partout au Québec, ce qui a pour effet que les réseaux autonomes génèrent un déficit très important pour Hydro-Québec. À un village donné, plusieurs génératrices de puissances nominales différentes sont présentes pour satisfaire la charge. Tout au long de l'année, cette dernière peut doubler, voir même tripler. Ainsi, lorsque la charge augmente, il devient nécessaire d'augmenter la capacité de production. À l'inverse, lorsque la charge diminue, il devient nécessaire de diminuer la capacité de production. Toutes ces transitions sont gérées par ce qui est communément appelé la stratégie de commande. Lorsque la charge atteint un certain niveau élevé, défini en fonction de divers paramètres prédéfinis relatifs aux groupes électrogènes en service, une augmentation de la capacité de production est requise. Un mécanisme similaire s'applique dans le cas d'une diminution de la charge. Le but de cette stratégie de commande est donc de suivre les variations de la charge. Ces paramètres prédéfinis ayant été établis de façon empirique, d'après les connaissances des ingénieurs, ils ne sont pas nécessairement optimaux d'un point de vue écoénergétique. L'objectif du travail est de minimiser la consommation de diesel en optimisant les paramètres prédéfinis de la stratégie de commande, et ainsi, de permettre une réduction du déficit généré par les réseaux autonomes, sans avoir à investir dans l'achat de nouveaux équipements. Pour ce, le simulateur de réseaux autonomes OPERA et l'optimiseur boîte noire NOMAD sont utilisés. Les premiers résultats montrent que de légères modifications à la structure des règles d'opération sont requises pour mieux satisfaire l'objectif de minimisation. Après modifications des règles, trois différents cas sont testés sur trois villages nordiques. Le premier cas est l'optimisation d'un jeu de paramètres unique pour l'ensemble des villages. Après optimisation, il est démontré que cette approche n'est pas bénéfique puisqu'un jeu de seuils unique mène à un compromis pour l'ensemble des villages et ne permet pas d'exploiter le plein potentiel pour chaque réseau autonome. Cette phase démontre du même coup que la situation actuelle, à savoir, l'existence d'un seul et même jeu de paramètres pour tous les réseaux autonomes, ne peut être optimale. Le deuxième cas est l'optimisation d'un jeu de paramètres par village. On constate une amélioration des résultats par rapport à l'optimisation précédente. En plus, on remarque qu'il est important d'éliminer de la production les configurations à bas rendement intercalées entre deux configurations à plus haut rendement puisque, de par la nature même des règles d'opération, un passage systématique par cette Configuration moins performante aura lieu et augmentera considérablement la consommation. Le troisième cas est l'optimisation des paramètres pour chacune des configurations de génératrices diesel d'un village. Cette approche mène à beaucoup d'instabilité du point de vue de l'optimisation. Un grand nombre d'évaluations s'en suit, sans mener nécessairement à une convergence vers un meilleur résultat. La structure connue du problème est alors exploitée afin d'améliorer les performances de l'optimisation. Deux méthodes sont employées. Dans les deux cas, des résultats similaires sont obtenus, mais les coûts de calcul diffèrent. La première méthode permet d'assurer des résultats légèrement meilleurs que la deuxième méthode, mais à un coût en terme d'évaluations très élevé. En revanche la deuxième méthode nécessite très peu d'évaluations. Les valeurs des seuils optimisés des règles de transitions ultimes peuvent être associés aux points de transitions favorisant l'utilisation des zones à haut rendement des configurations. Avec l'utilisation des courbes de rendement des configurations en fonction de la puissance débitée, ces points de transitions sont directement identifiables. Ainsi, il semblerait qu'il soit possible de déterminer les valeurs optimales de ces paramètres, sans même avoir recours à l'optimisation. La réduction simulée de consommation de diesel pour les trois villages est de l'ordre de 1,9 %. Étant donné le coût élevé du diesel et l'existence de 20 autres villages isolés, l'emploi de ces méthodes, conjointement à une calibration du simulateur OPERA employé, permettrait une réduction substantielle du déficit annuel. La méthode d'optimisation rapide étant très performante en terme de nombre d'évaluations et des résultats obtenus, elle peut être annexée à des processus d'achat de nouvelles génératrices diesel afin d'évaluer leur plein potentiel de fonctionnement optimal aux réseaux autonomes et d'améliorer la valeur actuelle nette liée à leur achat.

Abstract

Hydro-Québec manages more than 20 isolated power grids all over the province. The grids are located in small villages where the electricity demand is rather small. Those villages being far away from each other and from the main electricity production facilities, energy is produced locally using diesel generators. Electricity production costs at the isolated power grids are very important due to elevated diesel prices and transportation costs. However, the price of electricity is the same for the entire province, with no regards to the production costs of the electricity consumed. These two factors combined result in yearly exploitation losses for Hydro-Québec. For any given village, several diesel generators are required to satisfy the demand. When the load increases, it becomes necessary to increase the capacity either by adding a generator to the production or by switching to a more powerful generator. The same thing happens when the load decreases. Every decision regarding changes in the production is included in the control strategy, which is based on predetermined parameters. These parameters were specified according to empirical studies and the knowledge base of the engineers managing the isolated power grids, but without any optimisation approach. The objective of the presented work is to minimize the diesel consumption by optimizing the parameters included in the control strategy. Its impact would be to limit the exploitation losses generated by the isolated power grids and the CO2 equivalent emissions without adding new equipment or completely changing the nature of the strategy. To satisfy this objective, the isolated power grid simulator OPERA is used along with the optimization library NOMAD and the data of three villages in northern Québec. The preliminary optimization instance for the first village showed that some modifications to the existing control strategy must be done to better achieve the minimization objective. The main optimization processes consist of three different optimization approaches: the optimization of one set of parameters for all the villages, the optimization of one set of parameters per village, and the optimization of one set of parameters per diesel generator configuration per village. In the first scenario, the optimization of one set of parameters for all the villages leads to compromises for all three villages without allowing a full potential reduction for any village. Therefore, it is proven that applying one set of parameters to all the villages is not suitable for finding an optimal solution. In the second scenario, the optimization of one set of parameters per village allows an improvement over the previous results. At this point, it is shown that it is crucial to remove from the production the less efficient configurations when they are next to more efficient configurations. In the third scenario, the optimization of one set of parameters per configuration per village requires a very large number of function evaluations but does not result in any satisfying solution. In order to improve the performance of the optimization, it has been decided that the problem structure would be used. Two different approaches are considered: optimizing one set of parameters at a time and optimizing different rules included in the control strategy one at a time. In both cases, results are similar but calculation costs differ, the second method being much more cost efficient. The optimal values of the ultimate rules parameters can be directly linked to the efficient transition points that favor an efficient operation of the isolated power grids. Indeed, these transition points are defined in such a way that the high efficiency zone of every configuration is used. Therefore, it seems possible to directly identify on the graphs these optimal transition points and define the parameters in the control strategy without even having to run any optimization process. The diesel consumption reduction for all three villages is about 1.9%. Considering elevated diesel costs and the existence of about 20 other isolated power grids, the use of the developed methods together with a calibration of OPERA would allow a substantial reduction of Hydro-Québec's annual deficit. Also, since one of the developed methods is very cost effective and produces equivalent results, it could be possible to use it during other processes; for example, when buying new equipment for the grid it could be possible to assess its full potential, under an optimized control strategy, and improve the net present value.