Enabling Full-Multiport Optimal Power Flow in Smart-Transformer-Based Meshed Hybrid AC/DC Microgrids: An Algebraic Dual-Active-Bridge Model
Cet article présente un nouveau modèle algébrique de pont à double actif intégré dans un cadre d'optimisation du flux de puissance par cône second ordre en nombres entiers pour capturer avec précision l'architecture à trois étages des transformateurs intelligents dans les micro-réseaux hybrides AC/DC, révélant que le redresseur moyenne tension, plutôt que le pont à double actif, est la principale source de perte d'énergie et que la modélisation explicite du port CC moyenne tension améliore considérablement l'utilisation du stockage.
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L'électricité qui alimente nos maisons et nos entreprises est un équilibre délicat. Elle doit être produite, acheminée à travers un vaste réseau de câbles et consommée au moment exact, tout en maintenant un rythme régulier. Alors que le monde s'éloigne des combustibles fossiles, ce système devient plus complexe. De nouvelles sources comme les panneaux solaires et les batteries sont ajoutées, mais elles produisent ou stockent souvent l'énergie sous une forme différente de celle attendue par le réseau traditionnel. Pour gérer ce mélange, les ingénieurs construisent des « micro-réseaux hybrides », de petits réseaux autonomes capables de gérer à la fois le courant alternatif standard du réseau et le courant continu utilisé par l'électronique moderne et les batteries. Le défi consiste à connecter ces différentes parties de manière efficace sans gaspiller d'énergie ni perdre le contrôle du flux.
Au cœur de cette nouvelle architecture se trouve un dispositif appelé transformateur intelligent. Contrairement aux lourdes boîtes métalliques silencieuses qui augmentaient ou diminuaient traditionnellement la tension, un transformateur intelligent est un routeur électronique. Il peut prendre de l'énergie d'une ligne à moyenne tension, la convertir et la distribuer vers un quartier à basse tension, tout en gérant le flux d'énergie dans les deux sens. Crucialement, ce dispositif possède un « étage intermédiaire » interne où l'électricité séjourne sous forme de courant continu avant d'être convertie à nouveau. Cet étage intermédiaire est une opportunité cachée : il offre un nouveau point de connexion où des panneaux solaires et des batteries pourraient être branchés directement, évitant ainsi le besoin d'étapes de conversion supplémentaires. Cependant, pendant des décennies, les modèles mathématiques utilisés pour planifier et exploiter ces réseaux ont traité le transformateur intelligent comme une boîte simple à efficacité fixe. Ils ignoraient les détails internes, masquant de fait ce point de connexion intermédiaire et supposant que le dispositif perdait une quantité constante d'énergie, quel que soit son mode d'utilisation.
Une équipe de chercheurs a changé la compréhension de ces systèmes en construisant un nouveau modèle mathématique plus précis du fonctionnement interne du transformateur intelligent. Ils se sont concentrés sur le pont électronique spécifique qui déplace l'énergie entre les côtés haute tension et basse tension, un composant connu sous le nom de pont à double activation (dual-active bridge). Au lieu de traiter cela comme une boîte noire, ils ont créé une description algébrique qui capture exactement comment la tension et le séquençage des commutations électroniques affectent le transfert de puissance. Ce faisant, ils ont pu intégrer ce comportement complexe et détaillé dans un outil d'optimisation standard utilisé par les gestionnaires de réseaux. Cela leur a permis de réaliser une simulation complète à l'horizon de 24 heures d'un micro-réseau hybride, testant la performance du système en utilisant l'ancien modèle simplifié par rapport à leur nouveau modèle détaillé.
Les résultats de cette simulation ont révélé deux vérités surprenantes que les anciens modèles ne pouvaient pas voir. Premièrement, les chercheurs ont découvert que le pont interne, que de nombreux ingénieurs supposaient être la principale source de perte d'énergie, est en réalité remarquablement efficace. Dans leur simulation, ce composant fonctionnait avec une efficacité de 99,7 %, perdant presque aucune énergie. Les pertes réelles se produisaient ailleurs, dans les étapes de conversion de l'électricité vers et depuis le réseau, qui dissipaient six fois plus d'énergie que le pont lui-même. Cette découverte suggère que si les ingénieurs veulent rendre les transformateurs intelligents plus efficaces, ils doivent concentrer leurs efforts sur les étapes d'entrée et de sortie, et non sur le pont central.
Deuxièmement, et peut-être plus important encore, le nouveau modèle a montré la véritable valeur de ce point de connexion intermédiaire caché. Lorsque les chercheurs ont permis au système d'utiliser ce port de courant continu interne pour connecter des batteries et des panneaux solaires, les actifs de stockage sont devenus bien plus utiles. Même si la capacité totale de batterie installée était exactement la même dans les deux scénarios (ancien et nouveau), les batteries connectées à ce port intermédiaire ont cyclé 55,1 % d'énergie en plus sur la durée d'une journée. Cela s'explique par le fait que le port intermédiaire permettait aux batteries de charger et de décharger plus librement, répondant directement au prix de l'électricité et à la disponibilité de l'énergie solaire sans être contraintes par les conditions locales des câbles du quartier à basse tension.
L'étude a également démontré que ce niveau de détail n'entraîne pas un coût de calcul élevé. Le nouveau modèle complexe a résolu le problème de planification sur 24 heures en moins d'un quart de seconde, aussi rapidement que la version simplifiée. Cela signifie que les gestionnaires de réseaux peuvent utiliser cette représentation plus précise pour la prise de décision en temps réel sans ralentir leurs systèmes. La recherche confirme que la valeur du transformateur intelligent ne réside pas seulement dans sa capacité à convertir la puissance, mais dans la flexibilité architecturale qu'il apporte. En exposant le point de connexion interne, il permet une utilisation plus intégrée et efficace des énergies renouvelables et du stockage, transformant un simple dispositif de conversion en un hub puissant pour le futur réseau énergétique.
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