Gestion de stockage d'énergie thermique d'un arc de chauffe-eaux par une commande à champ moyen

Dans un contexte actuel de transition énergétique, le smartgrid et la gestion de la charge électrique sont des champs de recherche de plus en plus actifs. Le projet smartDESC dans lequel ce mémoire s'inscrit, s'intéresse plus spécifiquement au contrôle d'appareils électroménagers chauffant (chauffe-eau, chauffe-espace) permettant de moduler la charge domestique. Ainsi, en utilisant la théorie des jeux à champ moyen, le projet smartDESC veut convertir les chauffe-eaux (et éventuellement les chauffe-espace) en des réservoirs d'énergie intelligents. Pour ce faire, un ensemble de "modules" a été développé. Certains permettent la génération d'une commande optimale et son interprétation en champ moyen, d'autres permettent la simulation numérique d'un chauffe-eau, du processus aléatoire de tirage d'eau ou d'un réseau de télécommunications. Durant la maîtrise de recherche, tous ces modules ont été intégrés, testés, interfacés et réglés dans un simulateur commun. Ce simulateur a pour but de réaliser des simulations de réseau électriques complètes allant du fonctionnement individuel de chaque chauffe-eau jusqu'à des considérations plus générales tel que la charge globale électrique. Après l'interfaçage de l'ensemble des modules, un ensemble de simulations ont été réalisées. Ces simulations permettent d'analyser la réponse d'un parc de chauffe-eaux connectés à différents types de contrôle et de situation. Dans un premier temps, les différents modules sont décrits précisément d'un point de vue théorique et pratique. Ensuite, différents types de contrôle sont appliqués à une population uniforme de maisons équipées de chauffe-eaux et de dispositifs de commande. Les résultats de chacun de ces contrôles sont analysés et comparés afin d'en comprendre les points forts et faibles. Enfin, un étude est menée afin d'analyser les capacités de résilience d'un contrôle champ-moyen. Ce rapport tend à montrer la possibilité d'effectuer un contrôle basé sur l'utilisation de la théorie des jeux à champ moyen. Ce contrôle offre une bonne résilience aux imprévus pouvant perturber le réseau. Il est aussi démontré que l'utilisation d'un contrôle champs-moyen pour absorber les variations dues à la production éolienne est possible. Ainsi, en réduisant la variabilité de la charge électrique du secteur résidentiel, le contrôle en champ moyen participe à accroître la stabilité générale du réseau.

Abstract

In today's energy transition, smart grids and electrical load control are very active research fields. This master's thesis is an offshoot of the SmartDesc project which aims at using energy storage capability of electric household appliances, such as water heaters and electric heaters to mitigate the fluctuations of system loads and renewable generation. The smartDESC project aims at demonstrating that the mean field game theory (MFG), as new mathematical theory, can be used to convert and control water heaters (and possibly space heater) into smart thermal capacities. Thus, a set f "modules" has been developed. These modules are used to generate the optimal control and locally interpret it, to simulate the water-heater thermophysics or water draw event, or to virtualize a telecommunication mesh network. The different aspects of the project have been first studied and developed separately. During the course of this master's research, the modules have been integrated, tested, interfaced and tuned in a common simulator. This simulator is designed to make complete electrical network simulations with a multi-scale approach (from individual water heater to global electric load and production). Firstly, the modules are precisely described theoretically and practically. Then, different types of control are applied to an uniform population of houses fitted with water heaters and controllers. The results of these controls are analysed and compared in order to understand their strengths and weaknesses. Finally, a study was conducted to analyse the resilience of a mean field control. This report demonstrates that mean field game theory in coordination with a system level aggregate model based optimization program, is able to effectively control a large population of water heaters to smooth the overall electrical load. This control offers good resilience to unforeseen circumstances that can disrupt the network. It is also demonstrated that a mean field control is able to absorb fluctuations due to Wind power production. Thus, by reducing the variability of the residential sector's electrical charge, the mean field control plays a role in increasing power system stability in the face of high levels of renewable energy penetration. The next stage of smartDESC project is now to set up an intelligent electric water heater prototype. This prototype, in progress since January 2016 at École Polytechnique in Montreal,is aimed at proving concretely the theories developed in the project.