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Développement d'un estimateur d'état énergétique d'un chauffe-eau pour un contrôle par champ moyen

Jérôme Solis

Mémoire de maîtrise (2015)

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Citer ce document: Solis, J. (2015). Développement d'un estimateur d'état énergétique d'un chauffe-eau pour un contrôle par champ moyen (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/2014/
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Résumé

RÉSUMÉ Les chauffe-eau électriques domestiques présentent un potentiel de stockage intéressant pouvant être exploité dans un contexte de réseaux électriques intelligents. Ainsi, par exemple, une variation de 1 °C de la température de l’eau d’un chauffe-eau électrique (CE) de 270 litres correspond à 0.313 kWh d’énergie. Pour un réseau électrique comme celui d’Hydro-Québec, qui compte environ 2 millions de CE, cela représente un fort potentiel de stockage. Cette source de stockage déjà présente sur le réseau permettrait, à l’aide d’une stratégie de contrôle adéquate, de lisser la courbe de consommation d’électricité en déplaçant une partie de la charge survenant lors des périodes de pointe vers les périodes de creux. Ce mémoire s’inscrit dans un contexte de développement d’une plate-forme de simulation visant à implanter une stratégie de contrôle par champ moyen des chauffe-eau sur le réseau. Cette approche novatrice de contrôle permet à l’ensemble des chauffe-eau de répondre à une consigne globale tout en respectant les contraintes locales de chacun. Pour être fonctionnelle, cette stratégie requiert plusieurs composantes devant être intégrées à la plate-forme de simulation. Plus particulièrement, ce mémoire s’intéresse au développement d’un modèle numérique et à l’estimation de l’état en température et en énergie d’un chauffe-eau électrique domestique. Le modèle proposé pour la prédiction du comportement d’un chauffe-eau est un modèle multinodal. Cette approche permet de discrétiser le réservoir d’un chauffe-eau en plusieurs petits volumes. L’équation de conservation de l’énergie est résolue pour chacun de ces sous-volumes, et il est possible de prédire l’évolution en température moyenne à la sortie avec une erreur moyenne de 2.4 °C. Les résultats issus du modèle multi-nodal se comparent favorablement avec des modèles numériques de référence, retrouvés dans le logiciel de simulation thermique TRNSYS, ainsi qu’avec des mesures expérimentales de température d’un chauffe-eau électrique. Dans ce modèle, la température est supposée uniforme pour chaque sous-volume et les pertes en attente sont considérées constantes. Bien que le modèle soit linéaire, une routine de correction permet de redistribuer adéquatement la chaleur à l’intérieur du réservoir tout en respectant la dynamique thermique du chauffe-eau, notamment la présence d’une stratification de la température au niveau des éléments chauffants. Le modèle multi-nodal est utilisé principalement pour simuler la charge d’une grande population de chauffe-eau sur le réseau électrique. Il est également utile au planificateur, qui génère la température de consigne pour l’ensemble de la population, ainsi qu’au contrôleur par champ moyen, qui génère la commande optimale pour ce même ensemble.----------ABSTRACT Domestic electric water heaters (EWH) provide an interesting energy storage potential that can be exploited in the context of smart grids. For example, a variation of 1 °C of the water temperature of an EWH of 270 liters corresponds to 0.313 kWh of energy. For utilities like Hydro-Québec, which has about 2 million EWH connected to its grid, this represents a strong storage potential. This storage source already present on the network could allow, using an adequate control strategy, to smooth the electricity consumption curve by moving some of the load occurring during peak periods to trough periods. This thesis position itself in the context of developing a simulation platform to implement a mean field control strategy of water heaters on the grid. This innovative approach enables control of all water heaters to meet a global objective while respecting local constraints of each. To be functional, the strategy requires several components to be integrated into the simulation platform. Specifically, this thesis focuses on the development of a numerical model and the estimation of the state in temperature and energy of an EWH. The proposed model for predicting the behavior of a EWH is a multi-nodal model. This approach allows discretizing the tank of an EWH into smaller volumes. The energy conservation equation is solved for each of these sub-volumes and it is possible to predict changes in the output mean temperature with an average error of 2.4 °C. The results from the multi-nodal model compare favorably with numerical reference models, found in the TRNSYS thermal simulation software, as well as experimental measurements of temperature of an electric water heater. In this model, the temperature is assumed to be uniform for each sub-volume and the standby losses are considered constants. Although the model is linear, a correction routine allows redistributing adequately heat within the tank while respecting the thermal dynamics of the heater, including the presence of temperature stratification at the heating elements, hence breaking the linearity. The multi-nodal model is used primarily to simulate the load of a large water heater population on the power grid. It is also useful to the scheduler, which generates the desired temperature for the whole population, as well as by mean field controller, which generates the optimal control for this same group. The estimation process takes place in two distinct steps: estimating the sequence of hot water draw (discrete state of the system) and the reconstruction of the temperature Inside the tank (continuous system state).

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Département: Département de génie électrique
Directeur de mémoire/thèse: Frédéric Sirois, Roland Malhamé et Michel Bernier
Date du dépôt: 01 avr. 2016 13:28
Dernière modification: 24 oct. 2018 16:11
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/2014/

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