Hierarchical co-simulation approach for the study of microgrid energy exchanges

Approche hiérarchique de co-simulation pour l'étude des échanges d’énergie des micro-réseaux

Jean-Baptiste Wiart (1, 2)

1 SIMBIOT - SIMulating and Building IOT
2 GREEN - Groupe de Recherche en Energie Electrique de Nancy

The context of this thesis is part of a microgrid modelling and simulation approach. Funded by the LUE ULHyS project, a multidisciplinary research programme on hydrogen and fuel cell technologies, from innovative materials for PEM-FCs to hydrogen economics and prospective ergonomics, the thesis proposed a multi-disciplinary framework for the study of energy exchanges in microgrids by co-simulation. The modeling of multi-source, multi-carrier microgrids requires the system to be described as the integration of interacting heterogeneous subsystems. Its simulation consists in managing the synchronisation of heterogeneous simulators and the exchange of data between them. Mecsyco (Multi-agent Environment for Complex SYstem CO-simulation - mecsyco.fr) has demonstrated its ability to rigorously address these issues. The challenges are no longer at the formal and software levels, but on the semantic aspect. Currently, the need for microgrid experts to become more competent in computer science, formalism integration principles, etc. in order to be able to design microgrid models and simulate them themselves diverts them from their initial objective, takes time and can potentially introduce serious errors. The challenge lies in the integration of the heterogeneities specific to the study of energy exchanges in a microgrid into a co-simulation approach, at the semantic level. This thesis proposes concepts and software components (related software tools in relation with mecsyco) adapted to microgrid experts to bridge the gap between conceptual requirements and the simulation of multi-source and multi-carrier microgrids. The work defines two concepts allowing the representation of microgrids in a modular and hierarchical co-simulation approach at all levels of modelling and simulation : the informationnal components first, informational characteristic of the components performing physical operations (consume, produce, store) on energy ; the coupling operator second, object of the reification of the network management strategy, collecting information and allowing the calculation of a new energy distribution guaranteeing the network balancing. The evaluation of the work is done through an iterative example of simulation of an eco-neighbourhood in which we illustrate the properties of modular integration of models and hierarchisation at all levels of the co-simulation approach. We also illustrate the visualisation capabilities of the results through the automated R reports, newly integrated to the Mecsyco middleware.

Le contexte de cette thèse s’intègre dans une démarche de modélisation et simulation de micro-réseaux. Financée par le projet LUE ULHyS, programme de recherche multidisciplinaire sur les technologies de l’hydrogène et des piles à combustible, des matériaux innovants pour les PEM FC à l’économie de l’hydrogène et à l’ergonomie prospective, la thèse a proposé un cadre multi-disciplinaire dont le sujet porte sur l’étude par cosimulation des échanges d’énergies dans les micro-réseaux. La modélisation des micro-réseaux multi-sources multi-porteurs impose de décrire le système comme l’intégration de sous-systèmes hétérogènes en interaction. Sa simulation consiste à gérer la synchronisation des simulateurs hétérogènes ainsi que l’échange de données entre eux. Mecsyco Multi-agent Environment for Complex SYstem CO-simulation - mecsyco.fr) a démontré sa capacité à aborder rigoureusement ces questions. Les enjeux se situent, non plus aux niveaux formel et logiciel, mais sur l’aspect sémantique. Actuellement, la montée en compétence des experts en micro-réseaux sur des problématiques informatique, des principes d’intégration de formalisme, etc. pour pouvoir concevoir eux-mêmes des modèles de micro-réseaux et les simuler les détourne de leur objectif initial, prend du temps et peut potentiellement introduire de graves erreurs. Le défi réside dans l’intégration dans une démarche de co-simulation, au niveau sémantique, des hétérogénéités spécifiques à l’étude des échanges d’énergies dans un micro-réseau. Cette thèse propose des concepts et des composants logiciels (outils logiciels connexes en relation avec mecsyco) adaptés aux experts en micro-réseaux pour combler le fossé entre les exigences conceptuelles et la simulation de micro-réseaux multi-sources et multi-porteurs. Les travaux définissent deux concepts permettant la représentation des micro-réseaux dans une démarche de cosimulation modulaire et hiérarchique à tout les niveaux de la modélisation et ismulation : les smart- composants d’abord, caractéristique informationnel des composants effectuant des opérations physiques (consommer, produire, stocker) sur l’énergie ; l’opérateur de couplage ensuite, objet de la réification de la stratégie de gestion du réseau, collectant les informations et permettant le calcul d’une nouvel répartition de l’énergie garantissant l’équilibrage du réseau. L’évaluation du travail se fait à travers un exemple itératif de simulation d’un éco-quartier dans laquelle nous illustrons les propriétés d’intégration modulaire de modèles et de hiérarchisation à tout les niveaux de la démarche de co-simulation.

Mots clés: Cosimulation; Microgrids

Mots clés: co-simulation; micro-réseaux

Domaines: Modélisation et simulation

Jean-Baptiste Wiart. Approche hiérarchique de co-simulation pour l'étude des échanges d’énergie des micro-réseaux. Modélisation et simulation. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0026⟩. ⟨tel-04142176v2⟩