1. Contexte et importance
1.1 Contexte du projet
Avec le développement progressif et global des réseaux intelligents et l'essor continu d'éléments émergents tels que les sources d'énergie distribuées, les micro-réseaux, l'internet de l'énergie et les véhicules électriques, le réseau de distribution traditionnel subit des transformations importantes et doit relever de nouveaux défis. Parmi ceux-ci figurent le raccordement au réseau de la production d'énergie renouvelable distribuée à grande échelle et l'accompagnement des utilisateurs pour répondre aux besoins liés à l'évolution des véhicules électriques. Le flux bidirectionnel de puissance de ces dispositifs de production distribuée représente un défi majeur pour le réseau. La puissance de recharge des véhicules électriques atteint plusieurs centaines de kilowatts, ce qui nécessite la construction d'infrastructures de recharge dédiées. Selon les tendances actuelles, la charge des véhicules électriques représentera une part importante de la charge totale du réseau. Cependant, l'irrégularité de la recharge des véhicules électriques constitue une ressource précieuse pour l'équilibrage du réseau. La mise en place d'une tarification en fonction des heures d'utilisation permet d'inciter les utilisateurs à adapter activement leurs horaires de recharge, réduisant ainsi significativement les écarts de charge entre les pics et les creux et améliorant le taux d'utilisation de la capacité du réseau existant. De plus, elle peut compenser efficacement l'intermittence de la production d'énergie renouvelable, réduisant ainsi la demande en capacité de réserve du réseau. Par conséquent, l'intégration des énergies renouvelables distribuées et le développement des véhicules électriques sont indispensables à la transition vers une économie bas carbone, aux économies d'énergie et à la réduction des émissions ; leur évolution est indéniable. À terme, les futurs micro-réseaux évolueront vers une fiabilité accrue, une meilleure qualité d'énergie et une plus grande adaptabilité aux besoins d'accès aux nouvelles énergies distribuées, ainsi qu'à la recharge et à l'échange de véhicules électriques. Des systèmes de mesure avancés, des réseaux de communication plus économiques et des systèmes intelligents de gestion intégrée de l'énergie et de contrôle joueront un rôle crucial dans l'amélioration de la gestion de la production et de la fiabilité de l'alimentation électrique des micro-réseaux, et contribueront à l'avènement des réseaux intelligents.
1.2 Importance du projet
Ce projet est un projet de démonstration de micro-réseau intégrant l'éolien, le solaire, le stockage d'énergie, la recharge et l'utilisation de l'énergie. La construction de ce projet vise à explorer la mise en place d'un système électrique local intégrant la production, le transport (distribution), le stockage et l'utilisation de l'énergie, capable d'absorber une part importante d'énergies renouvelables fluctuantes. Elle explore également de nouveaux modèles d'exploitation et de nouvelles formes de services énergétiques.
(1) Adaptation aux conditions locales et mécanismes innovants. Un micro-réseau connecté au réseau principal sera construit en fonction de la situation du parc et du développement des énergies renouvelables. Ces dernières constitueront la principale source d'alimentation du micro-réseau. Le projet explorera des technologies d'alimentation autonome, combinées au réseau principal, ainsi que de nouveaux modèles de commercialisation et de gestion de l'énergie pour les micro-réseaux d'énergies renouvelables connectés au réseau.
(2) Complémentarité multi-énergies et intégration autonome. Le projet combine diverses sources d'énergie distribuées, le stockage d'énergie et des technologies énergétiques à haut rendement. Grâce aux réseaux intelligents et aux systèmes de gestion de l'énergie, il forme un système énergétique distribué intégré et hautement performant, basé sur les énergies renouvelables.
(3) Technologie de pointe et rationalité économique. Ce projet intègre la production d'énergie distribuée et une technologie de contrôle intelligent de l'énergie pour former un système énergétique avancé et performant. Il établit une interaction bidirectionnelle avec le réseau électrique public, permettant d'atténuer la volatilité des énergies renouvelables, de réduire les écarts de production du réseau, de remplacer partiellement ou totalement les sources d'écrêtement des pointes de consommation, et de recevoir et exécuter des instructions de gestion du réseau. La puissance et la durée des échanges au niveau du point de raccordement au réseau sont contrôlables, ce qui facilite la régulation de la tension et de la fréquence au sein du micro-réseau. Il garantit l'alimentation continue de toutes les charges locales ou critiques grâce à une gestion hybride (connecté/hors réseau). Enfin, grâce à un soutien politique adapté, ce micro-réseau d'énergie nouvelle est économiquement viable et peut ainsi participer pleinement aux échanges sur le marché de l'électricité.
(4) Démonstration typique, déploiement aisé. Compte tenu des conditions existantes, le projet explore pleinement l'application de diverses technologies de production d'énergie distribuée et de micro-réseaux, innove en matière de systèmes de gestion et de modèles économiques, intègre différentes politiques, élabore un modèle type adapté au contexte local et facilement reproductible, et le déploie progressivement par la démonstration.
2. État d'avancement et objectifs du projet
2.1 Informations générales sur le projet
Le projet est doté d'un local dédié à la distribution électrique. Un réseau de 10 kVLa ligne d'arrivée est raccordée au local de distribution électrique, qui comprend un transformateur sec, une armoire d'arrivée, une armoire de compensation de puissance réactive et quatre armoires de distribution. Ces dernières alimentent l'immeuble de bureaux, la résidence étudiante, le hall d'exposition, le poste de transformation, l'éclairage extérieur, la toiture, le système de protection incendie, la salle informatique centrale, les ascenseurs, etc. Un espace est également prévu dans le local de distribution électrique pour l'installation ultérieure d'un système de stockage d'énergie.
Le schéma du système est présenté ci-dessous :
Le site du projet accepte une tension de 10 kV, avec une puissance installée de 500 kVA et une consommation électrique annuelle d'environ 680 MWh. La charge électrique actuelle de l'institut de recherche est de 100 kW et, compte tenu des extensions futures, la charge moyenne future est estimée à environ 300 kW.
Les frais d'électricité sont calculés en fonction de la capacité du transformateur, du coût du kilowattheure et du facteur de régulation, le coût du kilowattheure étant fixé à 0,1 USD/kWh.
Actuellement, aucun compteur n'est installé sur les circuits ou équipements électriques. La consommation électrique totale de l'institut de recherche ne peut être relevée que manuellement à partir du compteur principal. Il n'existe pas de visibilité précise sur la consommation et le flux d'énergie de chaque circuit et équipement. Les méthodes de gestion de l'électricité sont relativement rudimentaires et la réglementation en vigueur est insuffisante. L'application des technologies d'économie d'énergie est insuffisante, ce qui indique un potentiel d'amélioration important.
2.2 Données météorologiques
Ce projet est situé entre 31°40′34″ et 31°57′36″ de latitude nord et entre 119°59′ et 120°34′30″ de longitude est. Il est bordé au nord par le fleuve Yangtsé. Le climat y est chaud et humide toute l'année, avec des conditions climatiques favorables. La température annuelle moyenne est de 15,7 °C, la température moyenne du mois le plus chaud de l'été atteignant 28,3 °C. La période sans gel dure en moyenne plus de 240 jours par an et l'ensoleillement est abondant (43 % de la saison). Juillet est le mois le plus chaud et janvier le plus froid. Les phénomènes météorologiques extrêmes les plus fréquents sont les typhons, les pluies torrentielles, les périodes de pluie continue et les vagues de froid. Les marées, la grêle et les vents violents sont courants. L'ensoleillement est maximal en juillet et en août. Les précipitations sont abondantes tout au long de l'année. On compte 136,6 jours de pluie par an et une pluviométrie annuelle moyenne de 1177 mm. Les précipitations sont concentrées au printemps et en été, ce qui assure une abondance d'eau de surface et souterraine.
2.3 Analyse de l'impact météorologique
(1) Analyse des conditions de température ambiante
D'après les données météorologiques pluriannuelles de la station météorologique locale, la température moyenne pluriannuelle du site du projet est de 15,7 °C, la température maximale extrême pluriannuelle est de 39,4 °C et la température minimale extrême pluriannuelle est de -14,2 °C.
Par conséquent, compte tenu des données de température extrême du site, la température de fonctionnement des panneaux solaires de ce projet peut être maintenue dans la plage admissible. De plus, la température du site est relativement douce, ce qui est favorable à l'augmentation de la production d'énergie du système photovoltaïque.
(2) Analyse de l'impact de la vitesse maximale du vent et des tempêtes de sable
Ce site, dégagé de tout obstacle, est exposé à une vitesse maximale du vent de 23,7 m/s. Les panneaux solaires bénéficient d'une large surface exposée au vent. La conception du support des modules doit tenir compte de la charge du vent. Le principe de base est que la résistance au vent du support et des fondations des panneaux solaires ne doit pas être compromise par une pression du vent de 25 ans.
(3) Analyse de l'impact de l'accumulation de neige
Le choix de la distance H entre le point le plus bas du panneau solaire et le sol prend principalement en compte les facteurs suivants :
a. Supérieure à la hauteur de neige maximale locale ;
b. Prévention des dommages causés par les animaux ;
c. Respect des exigences de calcul du contrepoids.
Comme il n'y a pas d'accumulation de neige dans cette zone, celle-ci n'a aucun impact sur la sécurité des panneaux solaires.
(4) Grêle
La surface des modules photovoltaïques est en verre trempé. Tous les modules ont subi avec succès le test d'impact de la grêle et peuvent résister à l'impact de la grêle ordinaire.
3. Base de conception
GB/T 14549-1993 « Qualité de l'énergie - Harmoniques dans les réseaux électriques publics »
GB GB 50052-2009 « Code pour la conception des systèmes d'alimentation et de distribution d'énergie »
GB 50054-2011 « Code pour la conception des réseaux de distribution d'énergie basse tension »
GB 50065-2011 « Code pour la conception de la mise à la terre des installations électriques en courant alternatif »
GB 50168-2006 « Code pour la construction et la réception des lignes de câbles dans les installations électriques »
GB 50169-2006 « Code pour la construction et la réception des dispositifs de mise à la terre dans les installations électriques »
GB 50217-2007 « Code pour la conception des câbles en génie électrique »
Q/GDW 238-2009 « Code pour les systèmes d'alimentation électrique des systèmes de charge et de stockage photovoltaïques pour véhicules électriques »
GB_T_2297-1989 « Terminologie des systèmes d'énergie solaire photovoltaïque »
GB 50797-2012 « Code pour la conception de Centrales photovoltaïques
GB/T 20046-2006 « Caractéristiques de l’interface réseau pour les systèmes photovoltaïques (PV) »
GB/T 19939-2005 « Exigences techniques pour le raccordement au réseau des systèmes photovoltaïques »
CECS85-96 « Spécifications techniques pour la construction et la réception des installations de systèmes d’énergie solaire photovoltaïque »
GB/T 18287-2000 « Spécifications générales pour les batteries lithium-ion et les blocs-batteries »
GB/T 2900.11-1988 « Terminaison de batteries »Logique
GB51048-2014 Spécifications de conception pour les centrales de stockage d'énergie électrochimique
Q/GDW 1885-2013 Conditions techniques pour les convertisseurs de stockage d'énergie dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries
NB/T 31016-2011 Conditions techniques pour les systèmes de contrôle de puissance des systèmes de stockage d'énergie par batteries
4. Schéma général
4.1 Topologie du système
Cette mise à niveau consiste principalement à ajouter au système existant un système de production d'énergie photovoltaïque, un système éolien, un système de stockage d'énergie, des bornes de recharge et les dispositifs de comptage d'électricité associés. Le schéma du système de distribution d'énergie mis à niveau est présenté ci-dessous, les éléments rouges représentant les nouveaux composants.
Système photovoltaïque : Ce projet utilise un système photovoltaïque de 300 kW installé sur le toit, constituant la principale source de production d’énergie. En raison des importantes fluctuations de la production photovoltaïque dues aux conditions climatiques, le système de contrôle du micro-réseau doit se concentrer sur la surveillance et la planification du fonctionnement de l’équipement photovoltaïque.
Système éolien : Ce projet installe six petites éoliennes de 1 kW, soit une puissance totale de 6 kW, à des fins de recherche sur les systèmes éoliens.
Système de stockage d’énergie : Une batterie solaire lithium-ion de 100 kW/215 kWh est configurée comme unique système de stockage d’énergie du micro-réseau. Son rôle est de réguler les performances de la micro-source d’énergie, d’assurer la qualité de l’alimentation pour les charges sensibles, de supprimer les oscillations du réseau et d’effectuer l’écrêtement des pointes de consommation et le lissage des creux de consommation. Le contrôle et la protection locaux de chaque batterie solaire lithium-ion sont assurés par un système de gestion de batterie (BMS) dédié, géré et contrôlé par le système de contrôle du micro-réseau via une interface de communication.
Bornes de recharge CA : Ce projet comprend cinq bornes de recharge CA de 7 kW, une borne de recharge CC de 80 kW et une borne de recharge CC de 120 kW. La protection et le contrôle locaux de ces bornes sont assurés par les bornes elles-mêmes, tandis que le système de contrôle du micro-réseau gère et planifie leur fonctionnement par communication.
4.2 Caractéristiques du système
Ce projet prévoit la construction d'un système de micro-réseau multi-sources basé sur un bus CA de 0,4 kV, intégrant l'alimentation secteur, l'énergie photovoltaïque, l'énergie éolienne, le stockage d'énergie, les bornes de recharge et les charges traditionnelles. Grâce à un contrôle conjoint de la production et de la consommation d'énergie au sein du micro-réseau, une gestion et une planification unifiées seront mises en œuvre, permettant une gestion dynamique de la charge de l'institut de recherche et un ajustement des niveaux de protection de la charge en fonction des conditions de fonctionnement des équipements.
Pour assurer la gestion, la surveillance et le contrôle de l'ensemble du système de micro-réseau, l'architecture du système de surveillance du projet est présentée sur la figure 11.
(1) Le système adopte une architecture à trois couches : la couche supérieure est le système de gestion de l’énergie, la couche intermédiaire est le système de contrôle central et la couche inférieure est la couche des équipements. Ce système autonome est capable d’autorégulation, de protection et de gestion, et peut basculer entre le fonctionnement connecté au réseau et le fonctionnement hors réseau. Il peut fonctionner en parallèle avec le réseau électrique externe ou de manière isolée.
(2) Le système possède des fonctions complètes de communication, de surveillance, de gestion, de contrôle, d’alerte précoce et de protection, garantissant un fonctionnement continu et sûr sur de longues périodes. L’état de fonctionnement du système peut être surveillé via un ordinateur hôte, offrant ainsi de riches capacités d’analyse des données.
(3) La stratégie de répartition de l’énergie du système est ajustée et définie de manière flexible par le système de gestion de l’énergie en fonction de l’état de charge (SOC) des batteries solaires lithium-ion.
(4) Le système fonctionne en parallèle avec le réseau électrique, assurant un fonctionnement économique et une répartition intelligente grâce à la prévision des sources d’énergie distribuées et des charges.
5.1.1 Principes de conception
La conception d'un système de production d'énergie photovoltaïque exige une fiabilité élevée afin de garantir un fonctionnement normal même dans des conditions difficiles. Elle doit également être simple d'utilisation et de maintenance pour le confort de l'utilisateur.
Compte tenu des caractéristiques spécifiques des installations photovoltaïques en toiture et des impératifs de sécurité et de fiabilité des systèmes raccordés au réseau lors de l'installation et de l'utilisation, tout en minimisant le nombre de lignes de connexion entre le champ photovoltaïque et l'onduleur et en facilitant la maintenance ultérieure, l'utilisation d'onduleurs de chaîne est recommandée.
Le système de production d'énergie photovoltaïque doit être configuré de manière rationnelle afin de répondre de façon fiable aux besoins en énergie, tout en minimisant la taille du système et les coûts d'investissement.
5.1.2 Schéma du système
Ce projet est conçu comme un système distribué, sans système de suivi solaire ni de concentration. Les panneaux solaires sont installés avec un angle d'inclinaison fixe et raccordés au réseau de distribution basse tension de l'entreprise afin de permettre l'autoconsommation et l'injection du surplus d'énergie sur le réseau.
(1) Puissance installée
En fonction de la consommation électrique actuelle, des prix de l'électricité, du lieu d'installation et des coûts d'investissement, la puissance installée de ce projet est fixée à 300 kW. On estime qu'après la mise en service, le taux d'autoconsommation global dépassera 90 %.
(2) Réglage de l'angle d'inclinaison
L'angle d'inclinaison optimal pour une installation fixe dépend de nombreux facteurs, tels que la situation géographique, la distribution annuelle du rayonnement solaire, le rapport entre rayonnement direct et diffus, les besoins en énergie de la charge et les conditions spécifiques du site.
L'angle d'inclinaison d'installation d'un champ photovoltaïque a un impact significatif sur l'efficacité du système de production d'énergie photovoltaïque. Pour une installation fixe, les modules photovoltaïques doivent être installés avec des angles d'azimut et d'inclinaison appropriés afin de garantir des performances optimales. L'emplacement d'installation doit être choisi de manière à ce que les modules reçoivent la lumière du soleil de 9 h à 15 h le jour où l'ensoleillement est le plus court de l'année.
L'angle d'inclinaison optimal est déterminé par la latitude du site et la distribution mensuelle de l'irradiation solaire. À partir des données de rayonnement solaire horizontal du site, la méthode de calcul du rayonnement solaire total sur la surface inclinée peut être optimisée afin d'obtenir l'angle d'inclinaison optimal.
Ce projet prévoit l'installation sur une toiture en tôle ondulée. Afin de minimiser la charge supplémentaire sur le système photovoltaïque, une méthode d'installation à inclinaison fixe est adoptée. L'angle d'inclinaison des supports fixes sur la toiture en tôle ondulée est d'environ 3° par rapport à l'angle d'inclinaison de celle-ci. Sur la toiture orientée nord, cet angle est de 3° après la mise en place des supports.
Les systèmes de montage solaire sont installés et fixés à l'aide de pinces photovoltaïques spécifiques qui maintiennent les tuiles en tôle ondulée sans endommager la couche d'étanchéité de la toiture. Sur la toiture orientée sud, les modules photovoltaïques sont installés directement, l'angle d'inclinaison de la toiture étant aligné avec son angle d'inclinaison. Sur la toiture orientée nord, l'angle d'inclinaison horizontal des poteaux de support est de 3° après la construction.
La structure des supports utilise des profilés en alliage d'aluminium et est fixée par des boulons. Ces boulons sont en acier inoxydable 304, garantissant une durée de vie supérieure à 25 ans.
(3) Calcul de la production d'électricité
En fonction de la capacité installée du projet, de son emplacement et de sa méthode d'installation, la production d'électricité de la première année est calculée comme suit : voir le chapitre 6 pour plus de détails.
Tableau d'estimation de la production d'énergie photovoltaïque
Capacité installée | Heures de pointe moyennes quotidiennes | Heures d'ensoleillement maximales annuelles | Production d'électricité initiale annuelle |
| 300kW | 3.46h | 1264h | 303MWh |
Note: Power generation efficiency is calculated based on 80%. | |||
5.1.3 Modules photovoltaïques
Les types de modules solaires les plus courants comprennent le silicium polycristallin, le silicium monocristallin et les couches minces de silicium amorphe. Comparaison des performances de plusieurs technologies de cellules solaires couramment utilisées :
(1) Les modules de cellules solaires en silicium cristallin sont technologiquement matures, offrant des performances stables et une longue durée de vie.
(2) Parmi les modules de cellules solaires commercialisés, les modules en silicium monocristallin présentent le rendement de conversion le plus élevé, suivis par ceux en silicium polycristallin.
(3) Les modules de cellules en silicium cristallin ont un taux de défaillance extrêmement faible et sont les plus simples à utiliser et à entretenir.
(4) Les modules de cellules solaires en silicium cristallin sont faciles et pratiques à installer en extérieur, permettant des configurations compactes et un gain de place.
(5) Bien que les cellules en couches minces de silicium amorphe présentent certains avantages en termes de prix, de sensibilité à la faible luminosité et de performances à haute température, leur durée de vie est relativement courte.
Compte tenu de la maturité et de la rentabilité des modules de cellules en silicium cristallin, ainsi que de leur utilisation à grande échelle tant au niveau national qu'international, ce projet adopte des cellules PERC multibusbars à haut rendement combinées à la technologie de réduction de la taille des cellules. Le produit offre une puissance de sortie supérieure, réduisant ainsi le coût par watt du système. Il présente d'excellentes performances en termes de pertes par ombrage et de coefficient de température, tandis que la technologie de réduction de la taille des cellules diminue efficacement le risque de points chauds dans les modules haute puissance, garantissant ainsi des performances et une fiabilité supérieures en matière de production d'énergie pour les applications système.
Puissance maximale (Pmax) | 550Wp |
| Dimension | 2274×1134×35mm |
Tension en circuit ouvert (Voc) | 49.62V |
Tension à puissance maximale (Vmp) | 40.9V |
Courant de court-circuit (Isc) | 14.03A |
Courant à puissance maximale (Imp) | 13.45A |
Rendement du module STC (%) | 21.29% |
Température de fonctionnement | -40℃~+85℃ |
| Poids | 28.9kg |
5.1.4 Onduleur raccordé au réseau
L'onduleur est un composant essentiel d'un système de production d'énergie solaire raccordé au réseau. Sa fonction principale est de convertir le courant continu (CC) produit par les panneaux solaires en courant alternatif (CA) et de l'injecter dans le réseau électrique. Simultanément, il stabilise la tension intermédiaire, facilitant ainsi la recherche du point de puissance maximale (MPPT) par le hacheur élévateur en entrée, et assure une protection complète du réseau pour garantir un fonctionnement sûr et fiable du système.
Les panneaux solaires sont connectés en plusieurs chaînes parallèles, chacune reliée à un onduleur distinct, formant un « onduleur de chaîne ». De cette manière, les chaînes photovoltaïques ne sont pas connectées en parallèle côté CC, mais en parallèle avec le réseau côté CA. Chaque onduleur de chaîne possède une unité MPPT indépendante, ce qui réduit l'écart entre le point de fonctionnement optimal de la chaîne de panneaux solaires et celui de l'onduleur, ainsi que les pertes dues à l'ombrage, augmentant ainsi la production d'énergie.
Ce projet est une installation photovoltaïque distribuée en toiture d'une puissance de 300 kWc. Ce projet utilise un raccordement au réseau basse tension de 400 V via le transformateur de l'entreprise. De ce fait, il privilégie l'utilisation d'onduleurs de chaîne haute performance. Le système côté courant continu fonctionne en 1100 V, tandis que le système côté courant alternatif fonctionne en 400 V, ce qui est parfaitement adapté à ce projet.
Efficacité maximale | 98.6% |
Tension d'entrée maximale | 1100V |
Courant d'entrée maximal par MPPT | 26A |
Courant de court-circuit maximal par MPPT | 40A |
Plage de tension | 200V-1000V |
Tension d'entrée nominale | 600V |
Nombre de canaux d'entrée | 20 |
Nombre de MPPT | 10 |
Puissance de sortie nominale | 100,000W |
Puissance apparente maximale | 110,000VA |
Puissance active maximale (cosΦ=1) | 110,000W |
Tension de sortie nominale | 3×220V/380V, 3×230V/400V, 3W+N+PE |
Fréquence | 50Hz/60Hz |
Courant de sortie nominal | 152.0A (380Vac), 144.4A (400Vac) |
Courant de sortie maximal | 168.8A (380Vac), 160.4A (400Vac) |
| Facteur de puissance | 0.8 (leading)...0.8 (lagging) |
| THDU | <3% |
5.1.5 Micrométéorologie
Pour surveiller la production et le rendement de l'énergie photovoltaïque, un suivi en ligne des données environnementales telles que l'ensoleillement, la température et la vitesse du vent est nécessaire.
La station météorologique QXZN Standard Edition est une station de configuration standard. Elle est équipée d'une interface maître ModBus-RTU (pour la vitesse et la direction du vent, la température et l'humidité du sol et de l'air, le bruit, la qualité de l'air, la pression atmosphérique, l'ensoleillement, les précipitations (pluie et neige), le rayonnement ultraviolet, le rayonnement total, le CO, l'O₃, le NO₂, le SO₂, le H₂S, etc.), d'un canal d'acquisition des précipitations (cumul, instantané, journalier et actuel), d'une sortie pour l'azote, le phosphore et le potassium, et de deux sorties relais (en option). La station peut transmettre les données à la plateforme logicielle de surveillance via GPRS ou Ethernet. Elle dispose également d'une interface esclave ModBus-RTU, permettant la transmission des données vers le logiciel de surveillance ou le panneau de configuration PLC du client via une communication RS-485. De plus, il peut être connecté à un écran LED externe (matrice de points 96 x 48 par défaut).
5.1.6 Schéma de configuration du système
Ce projet est conçu avec une puissance photovoltaïque (PV) installée de 300 kW (transformateur de 500 kVA, rendement PV de 60 % en conditions extrêmes, conforme aux exigences de conception). Avec des modules PV de 550 W, le nombre de modules requis est de 300 000 W ÷ 550 W = 545 modules, soit une puissance installée de 299,75 kW.
Un onduleur de chaîne de 100 kW est sélectionné, avec une plage de suivi MPPT de 200 à 1 100 V CC et une tension d'entrée CC maximale de 1 100 V CC.
À partir de ces données, et en tenant compte des températures extrêmes, le nombre de modules PV en série est calculé : tension d'entrée maximale 1 100 V ÷ 49,62 V = 22 modules. La tension nominale de 600 V ÷ 49,62 V correspond à 12 modules. Par conséquent, le nombre de modules photovoltaïques doit être compris entre 12 et 22. Afin de garantir le fonctionnement à long terme de l'onduleur, ce projet prévoit 15 modules photovoltaïques par chaîne, connectés à l'onduleur sous une tension de 750 V. Si chaque onduleur alimente 15 panneaux solaires, on comptera 36 canaux d'entrée : 35 canaux pour 15 modules chacun et 1 canal pour 20 modules.
Les onduleurs sélectionnés pour ce projet supportent un maximum de 20 canaux d'entrée, ce qui nécessite deux onduleurs de 100 kW, chacun alimentant 18 chaînes de modules. (Le rapport de capacité est de 1,495. Conformément à la norme « NB/T 10394-2020 – Spécifications d'efficacité énergétique des systèmes de production d'énergie photovoltaïque », un rapport de capacité de 1,5 pour les modules fixes à une seule face optimise le coût de production d'énergie, conformément aux exigences de conception.)
Schéma fonctionnel d'une solution de système photovoltaïque
5.2 Schéma de configuration d'un système éolien
5.2.1 Système de production d'énergie éolienne
Le système de production d'énergie éolienne raccordé au réseau utilise des éoliennes pour convertir l'énergie éolienne en courant alternatif (CA). Le courant alternatif produit par les éoliennes, dont l'amplitude et la fréquence sont instables, est redressé en courant continu (CC) par un contrôleur, puis acheminé vers un onduleur. Ce dernier convertit le courant continu en courant alternatif stable qui, après avoir été mesuré, est directement injecté dans un convertisseur CC pour produire du courant alternatif triphasé de 380 V et 50 Hz.
Le courant alternatif produit par l'onduleur raccordé au réseau est injecté dans un appareillage de commutation basse tension et connecté en parallèle à la borne 380 V du poste de transformation. Le système utilise une sortie triphasée 220/380 V CA à cinq fils et fonctionne directement raccordé au réseau, côté secondaire du transformateur situé dans la salle de distribution. Le système de production d'énergie éolienne raccordé au réseau est doté de fonctions de protection contre l'inversion de polarité, l'îlotage, les surintensités de court-circuit et les surtensions afin de garantir un fonctionnement sûr et fiable du système éolien raccordé au réseau.
5.3 Charging System Configuration Scheme
5.3.1 System Scheme
The charging system mainly consists of charging equipment and a monitoring platform. The charging equipment includes five 7kW AC charging piles, one 80kW DC charging pile, and one 120kW DC charging pile. Each selected charging pile consists of a shunt, contactor, charging connection cable and vehicle plug, charging controller, status indicator lights, metering module, and auxiliary power module.
The charging pile can display relevant information for each status, including operating status, charging capacity, and billing information. The displayed characters should be clear, complete, and undamaged, and legible without ambient light. It should have the function and interface for external manual parameter setting and manual control; an internal energy meter should be installed to measure the output energy of the charging pile, enabling remote transmission of charging metering information to the electric vehicle payment cloud platform; and an APP-based QR code scanning function for start/stop functionality should be supported.
5.3.2 bornes de recharge
Paramètre de la borne de recharge
| Borne de recharge CA de 7 kW | |
Puissance nominale | 7kW |
Tension d'entrée | AC220V±15% |
Mode d'entrée | Système monophasé à trois fils |
Fréquence de fonctionnement | 45~55Hz |
Tension de sortie | AC220V |
Courant de sortie | 0~32A |
Indice de protection | IP65 |
| Borne de recharge CC de 120 kW | |
Puissance de sortie maximale | 120kW |
Plage de tension de sortie | 200-700VDC |
Courant de sortie maximal | 250A |
Alimentation auxiliaire BMS | 12VDC |
Rendement maximal | ≥95% |
Tension d'entrée nominale | 380AC (système triphasé à cinq fils, 3W+N+PE) ; |
Plage de tension d'entrée | 304~456Vac |
| Plage de fréquence d'entrée | 45~65Hz |
5.4 Schéma de configuration du système de stockage d'énergie
5.4.1 Schéma du système
Le système de stockage d'énergie est un élément essentiel du micro-réseau. Il se compose principalement de batteries solaires, d'un système de gestion de batteries (BMS), d'un système de protection incendie, d'un convertisseur d'énergie, d'armoires de jonction, d'armoires de distribution et des accessoires électriques associés. Les batteries lithium-fer-phosphate (LiFeP) offrent une sécurité élevée : elles ne présentent aucun risque d'explosion ou d'incendie en cas de surcharge, de décharge excessive, de surchauffe, de court-circuit ou de choc. De plus, elles sont écologiques, exemptes de métaux lourds et rares, non toxiques (certification CE) et non polluantes. Compte tenu des exigences du système photovoltaïque et du système de charge, ce projet a opté pour un système de stockage d'énergie de 100 kW/215 kWh. Le système tout-en-un Brovolt 100 kW/215 kWh a été choisi.
Marque | Brovolt |
Type de cellule | LiFePO4 |
Configuration | 1P240S |
Énergie | 215kWh |
Plage de tension de la batterie | 672V-864V |
Type de réseau | 3P4W |
Puissance nominale | 100kW |
Tension nominale | AC400V |
Fréquence | 50Hz/60Hz |
Courant nominal | 72A |
Facteur de puissance | 0.8（Leading）~0.8（Lagging） |
| Harmoniques de sortie | ≤3% |
5.4.4 Schéma d'installation du système de stockage d'énergie
Concernant l'installation du système de stockage d'énergie, et compte tenu des conditions actuelles du site, ce projet envisage deux schémas d'installation : le premier consiste à utiliser des conteneurs standard, disposés séparément sur une zone dégagée ; le second consiste à l'installer dans un local de distribution électrique existant, en configurant la climatisation, la protection incendie, l'éclairage et les autres équipements nécessaires.
5.4.5.1 Schéma d'installation de l'armoire extérieure pour système tout-en-un
Ce système adopte un schéma standardisé. L'aspect général de l'armoire extérieure est illustré dans la figure ci-dessous.
Lors du choix d'un site d'installation, veuillez respecter les principes suivants :
Les conditions climatiques et géologiques (telles que l'émission d'ondes de choc et le niveau de la nappe phréatique) du site d'installation du système intégré de stockage d'énergie doivent être pleinement prises en compte.
L'environnement doit être sec, bien ventilé et éloigné des zones inflammables et explosives.
Le sol du site d'installation doit présenter un certain degré de compactage. Il est recommandé que le taux de compactage relatif du sol soit supérieur ou égal à 98 %. Si le sol est meuble, des mesures doivent être prises pour garantir la stabilité des fondations.
Remarque :
(1) Un système de drainage doit être installé sur le site d'installation afin d'éviter que le fond ou les équipements internes de l'armoire extérieure de la batterie ou du climatiseur ne soient submergés par l'eau pendant la saison des pluies ou en cas de fortes précipitations.
(2) Ne plantez pas d'arbres à proximité immédiate du site d'installation. Ceci afin d'éviter que des vents violents ne fassent tomber des branches ou des feuilles qui pourraient obstruer les portes ou les entrées d'air de l'armoire extérieure de la batterie ou du climatiseur.
Les raccordements électriques doivent être strictement conformes au manuel d'utilisation du fabricant.
5.5 Système de surveillance du stockage et de la charge photovoltaïques
5.5.1 Solution système
Le système de surveillance énergétique (EMS) pour micro-réseau photovoltaïque-stockage-recharge assure la surveillance et la gestion centralisées des équipements tels que les boîtiers de raccordement photovoltaïques, les onduleurs photovoltaïques et éoliens raccordés au réseau, le système de gestion technique du bâtiment (BMS) et le système de contrôle de puissance (PCS) au sein du micro-réseau, ainsi que des capteurs environnementaux et d'alarme associés. L'EMS collecte les informations relatives aux équipements et aux données d'état des capteurs grâce à des modules intelligents d'acquisition et de transmission de données. Parallèlement, le logiciel de l'EMS intègre des fonctions d'alarme permettant aux utilisateurs de gérer rapidement les pannes.
Les principales fonctions du système de surveillance énergétique pour micro-réseau photovoltaïque-stockage-recharge sont les suivantes :
1) Surveillance de l'état de fonctionnement global et des données du micro-réseau.
2) Surveillance des données de fonctionnement et de l'état des équipements photovoltaïques, éoliens, de stockage d'énergie et des bornes de recharge.
3) Affichage des flux d'énergie en temps réel du système.
4) Gestion et contrôle coordonnés des systèmes photovoltaïques et de stockage d'énergie. 5) Analyse statistique de la consommation d'électricité, de l'utilisation des énergies renouvelables et des données relatives aux économies d'énergie.
6) Gestion des utilisateurs et contrôle d'accès.
7) Gestion des alarmes importantes, etc. 5.5.2 Surveillance et gestion
(1) Surveillance photovoltaïque
Pour les systèmes de production d'énergie photovoltaïque, le système photovoltaïque-stockage-charge assure la surveillance en ligne des panneaux photovoltaïques, des paramètres environnementaux, des boîtiers de raccordement et des onduleurs, garantissant ainsi le bon fonctionnement de la production d'énergie photovoltaïque.
Mesures surveillées : Informations environnementales telles que l'ensoleillement, la température et la vitesse du vent ; température des panneaux, tension CC, courant CC, puissance CC et puissance de l'onduleur, etc.
Surveillance de l'état : Alarmes de surtension/sous-tension CA/CC, de surintensité CA/CC et de fréquence (sur/sous-fréquence). Protection contre la surchauffe, les surcharges et les fuites de courant, etc.
Surveillance énergétique : Production d'énergie photovoltaïque en temps réel, production d'énergie totale, etc.
Télécommande : Démarrage, arrêt et réglage de la puissance de l'onduleur.
(2) Surveillance des éoliennes
Pour les systèmes de production d'énergie éolienne, le système au niveau de la station assure la surveillance en ligne des onduleurs connectés au réseau, etc., garantissant ainsi le bon fonctionnement de la production d'énergie éolienne.
Surveillance des mesures : Informations environnementales telles que la température et la vitesse du vent ; tension CC, courant CC, puissance CC et puissance de l'onduleur, etc. Surveillance de l'état : Alarmes de surtension/sous-tension CA/CC, de surintensité CA/CC et de fréquence (surtension/sous-tension), protection contre la surchauffe, les surcharges et les fuites de courant, etc.
Surveillance de la puissance : Production d'énergie des éoliennes en temps réel, production d'énergie totale, etc.
Télécommande : Démarrage, arrêt et réglage de la puissance de l'onduleur.
(3) Surveillance du stockage d'énergie : Le système de stockage d'énergie photovoltaïque configuré assure une surveillance en ligne des batteries solaires et de l'onduleur bidirectionnel PCS, garantissant ainsi que leur capacité restante demeure dans une plage optimale et une utilisation sûre et rationnelle de la batterie.
Surveillance des mesures : Mode de fonctionnement, mode de contrôle de puissance, valeurs prédéfinies (puissance, tension, courant et fréquence), tension et courant de charge/décharge de la batterie solaire lithium-ion, état de charge (SOC) et température.
Données d'alarme : État de charge/décharge de la batterie, surtension/sous-tension AC/DC, surintensité AC/DC, alarme de fréquence (sur/sous-fréquence), surchauffe, surcharge, protection contre les fuites, etc.
Données énergétiques : État de charge (SOC) de la batterie.
Données de paramétrage : Démarrage, arrêt et réglage de la puissance du PCS.
(4) Surveillance de la charge : Le système de stockage d'énergie photovoltaïque doit assurer la surveillance des mesures, de l'état et de l'énergie de la borne de charge.
Surveillance des mesures : Courant de charge, tension de charge, puissance de charge, durée de charge, etc.
Surveillance de l’état : État de la borne de charge, état du commutateur de confirmation de connexion. Surveillance de la puissance : Quantité de charge en temps réel et relevés de compteur pendant la charge.
(5) Surveillance de la distribution d’énergie : Le système photovoltaïque de stockage et de charge surveille diverses données de mesure, les données d’alarme d’état et les données de puissance des commutateurs haute et basse tension du transformateur de distribution entrant.
Surveillance des mesures : Courant, tension, puissance et fréquence des côtés haute et basse tension du transformateur de distribution.
Surveillance de l’état : État des commutateurs haute et basse tension du transformateur de distribution et signaux de fonctionnement des dispositifs de protection.
Surveillance de la puissance : Consommation d’énergie des côtés haute et basse tension du transformateur de distribution.
(6) Surveillance auxiliaire : Le système photovoltaïque de stockage et de charge surveille l’environnement, la sécurité, la protection incendie et les fonctions vidéo de la salle de distribution. Il peut également exécuter des contrôles de liaison pertinents en fonction des anomalies surveillées afin de garantir la sécurité de l’environnement d’exploitation.
5.5.3 MaiFonctions : Le système photovoltaïque-stockage-charge est le système de gestion principal du micro-réseau. Il répartit l'énergie au sein du micro-réseau selon des principes d'optimisation et coordonne les flux de puissance entre les différentes unités de production. Il assure des fonctions telles que la surveillance des équipements, la surveillance de la production photovoltaïque et éolienne, la surveillance du stockage d'énergie, la surveillance de la distribution d'énergie, la gestion des systèmes de surveillance auxiliaires, l'analyse statistique de l'énergie, la gestion de l'énergie, la répartition du stockage d'énergie, la gestion des alarmes et la gestion des rapports. Description des fonctions associées :
Le module de surveillance des équipements permet de visualiser les données en temps réel des équipements du système. Il offre la possibilité de consulter ces données sous forme de listes ou de formats personnalisés, et permet le contrôle et la configuration dynamique des équipements via cette interface.
L'interface de surveillance environnementale affiche les données de température et d'humidité ambiantes sous forme graphique.
Grâce à l'analyse statistique des données de consommation d'énergie, le système détermine l'état de la consommation énergétique du bâtiment et l'efficacité énergétique des équipements, fournissant ainsi des mesures d'optimisation de la gestion de l'énergie. Lors du traitement et du chargement des données, le système catégorise, collecte et enregistre la consommation électrique pour l'éclairage, la climatisation et le chauffage, les bureaux, les ascenseurs, les équipements spécialisés et autres usages.
Le système doit gérer plusieurs niveaux d'alarme (alarmes générales, alarmes importantes et alarmes d'urgence). Différents seuils et paramètres d'alarme doivent être configurables. La couleur, la fréquence sonore et le volume des voyants d'alarme doivent s'ajuster automatiquement en fonction du niveau d'alarme. En cas d'alarme, l'utilisateur est automatiquement alerté, les informations d'alarme sont affichées et une fonction d'impression est disponible.
Le système offre également des fonctions de consultation, d'analyse statistique, d'organisation et d'impression des statistiques des équipements, ainsi que la gestion d'un logiciel de reporting basique. Le système de surveillance et de gestion permet de stocker diverses données historiques de surveillance, d'alarmes et d'exploitation (ci-après dénommées « données de performance ») dans la base de données système ou sur un support de stockage externe.
Le système de gestion de l'énergie assure la collecte et la surveillance des données du système de gestion des batteries (BMS), le contrôle intelligent des équipements tels que les convertisseurs de stockage d'énergie, et réalise des fonctions comme la gestion de la charge et de la décharge du système de stockage, la commutation réseau/hors réseau et un contrôle optimisé.
Le système de surveillance auxiliaire centralise la surveillance de variables telles que l'environnement du poste, la sécurité, la protection incendie et la vidéosurveillance. L'alimentation électrique, la climatisation et les autres équipements électriques, ainsi que l'environnement du poste, sont essentiels au fonctionnement sûr et stable du système. Pour la gestion intelligente de la climatisation et de l'éclairage, l'interface RS485 permet de collecter la température et l'humidité ambiantes, de démarrer/arrêter à distance, de régler la température, de définir le mode de fonctionnement et d'effectuer d'autres opérations, assurant ainsi la surveillance et le contrôle à distance de la climatisation et minimisant la consommation d'énergie.
5.5.4 Gestion de l'énergie : À partir des paramètres de fonctionnement, des contraintes et des données prévisionnelles de chaque système, des stratégies de coordination et de contrôle de l'énergie sont élaborées pour assurer l'interaction, l'intégration et la répartition flexible de l'énergie entre le réseau de distribution, la production d'énergie renouvelable distribuée, les bornes de recharge et les dispositifs de stockage d'énergie.
Le raccordement des éoliennes et des installations photovoltaïques permet non seulement d'améliorer la situation, mais aussi de contribuer aux économies d'énergie et à la réduction des émissions. Par ailleurs, le stockage d'énergie se caractérise par sa flexibilité, sa capacité de gestion et sa réactivité. Les véhicules électriques constituent également une ressource pilotable côté demande. Ainsi, la gestion conjointe des charges photovoltaïques, éoliennes, de stockage d'énergie et de véhicules électriques permet, d'une part, d'optimiser la répartition temporelle de la charge, favorisant ainsi l'absorption de l'énergie photovoltaïque et éolienne et réduisant l'impact sur le réseau électrique ; d'autre part, elle permet de réduire les coûts de recharge pour les utilisateurs et d'augmenter les revenus, aboutissant à une situation gagnant-gagnant sur le plan économique.
Les stratégies de gestion de l'énergie mises en œuvre dans ce projet sont les suivantes :
(1) Stratégie de fonctionnement automatique en mode connecté au réseau
1. Les équipements de production d'énergie sont maintenus en état de fonctionnement. Lors du fonctionnement en mode connecté au réseau, le micro-réseau est autorisé à réinjecter de l'énergie dans celui-ci. Il est donc essentiel de garantir que les équipements de production d'énergie restent en état de fonctionnement afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie propre.
2. Si le niveau de charge (SOC) de la batterie solaire est inférieur à 90 %, la charge commence et s'arrête lorsque le niveau de charge atteint 100 %.
3. Pendant la décharge, si…Lorsque le niveau de charge (SOC) de la batterie solaire lithium-ion est inférieur à 15 %, le système émet une alarme, mais la décharge se poursuit. Lorsque le SOC atteint 5 %, la décharge s'arrête et une alarme se déclenche.
4. Le réglage de la puissance de charge et de décharge s'effectue par paliers de 5 kW.
5. La stratégie n'ajuste la charge et la décharge que lorsque la différence entre la production d'énergie des équipements de production et la consommation de la charge dépasse 5 kW.
(2) Stratégie d'écrêtement des pointes et de remplissage des creux
1. En fonction des tarifs différenciés selon les heures d'utilisation, définir les périodes de charge et de décharge, ainsi que différents modes de charge et de décharge (une charge et une décharge, deux charges et deux décharges, etc.).
2. Lorsque la production d'énergie des sources d'énergie distribuées dépasse la consommation, la priorité est donnée à la charge de la batterie à partir de l'électricité produite par ces sources. Une fois la batterie complètement chargée, elle peut réinjecter de l'énergie dans le réseau.
(3) Stratégie de surveillance des sources d'alimentation connectées au réseau
1. Lors des pics de consommation électrique, surveiller l'alimentation électrique provenant du point de couplage commun (PCC), la production et la consommation du micro-réseau. Après calcul et analyse, réinjecter dans le réseau l'excédent d'énergie autoproduite par rapport à la charge.
2. En détectant la production et la consommation des équipements de production du micro-réseau, et en les combinant avec la durée d'exécution de la stratégie de stockage d'énergie, calculer l'énergie autoproduite stockée dans le système de stockage. Si l'injection de cette énergie stockée dans le réseau principal s'avère nécessaire lors des pics de consommation, elle ne doit pas excéder la capacité de stockage du micro-réseau. (4) Optimisation de la stratégie d'exploitation. Pour une planification optimale de la production d'énergie distribuée, du réseau de distribution, du stockage et de la charge électrique, les données de production et de charge des sources d'énergie distribuées peuvent être prédites en combinant les données de production, les données météorologiques et les données historiques. Un modèle d'optimisation peut être élaboré en combinant les prix de l'électricité, la puissance de charge et de décharge des systèmes de stockage d'énergie, ainsi que la puissance absorbée. La stratégie de planification de chaque système (éolien, solaire, stockage d'énergie et recharge) peut être déterminée par des algorithmes tels que les réseaux de neurones et les essaims de particules.
