Dimensionnement et gestion optimaux d'un réseau électrique en présence de sources d'énergie renouvelables // Optimal sizing and management of an electrical network in the presence of renewable energy sources

Abstract

تقدم هذه الأطروحة تصميم ونمذجة وتحسين نظام طاقة متجددة هجين مستقل يهدف إلى توفير الكهرباء للمناطق النائية في ولاية أدرار جنوب الجزائر. ونظرًا للقيود اللوجستية والمالية المرتبطة بمد شبكة الكهرباء الوطنية إلى المناطق المعزولة، تقترح هذه الدراسة حلاً للشبكة المصغرة يدمج الألواح الكهروضوئية، وتوربينات الرياح، وأنظمة تخزين البطاريات، ومولد ديزل، وعاكسًا لضمان موثوقية الطاقة واستدامتها. يهدف هذا البحث بشكل رئيسي إلى تحديد الحجم والتكوين الأمثل لمكونات الشبكة المصغرة الهجينة لتحقيق تكلفة طاقة مستوية منخفضة مع الحفاظ على موثوقية عالية للنظام، وذلك من خلال تقييم احتمالية فقدان مصدر الطاقة (LPSP). تم إجراء عملية التحسين باستخدام أربع خوارزميات متعددة الأهداف: تحسين أسراب الجسيمات متعدد الأهداف (MOPSO)، ومحسن أسد النمل متعدد الأهداف (MOALO)، وخوارزمية اليعسوب متعددة الأهداف (MODA)، والخوارزمية الجينية متعددة الأهداف (MOGA). طُبّقت هذه الخوارزميات في MATLAB R2023a، وأُجريت عمليات المحاكاة باستخدام بيانات الأرصاد الجوية الفعلية للإشعاع الشمسي وسرعة الرياح ودرجة الحرارة التي تم الحصول عليها من وكالة ناسا. من بين جميع الخوارزميات المختبرة، قدّمت خوارزمية MOPSO أفضل النتائج، محققةً أقل تكلفة طاقة مُستوية (LCOE) قدرها 0.2520 دولار/كيلوواط ساعة، وتكلفة طاقة منخفضة (LPSP) قدرها 0.0991639. يتضمن التكوين الأمثل للنظام في خوارزمية MOPSO 135 لوحة كهروضوئية، و53 توربين رياح، وسعة بطارية كافية لتلبية الطلب على الحمل ليوم واحد من التشغيل الذاتي. تضمن استراتيجية إدارة الطاقة المقترحة (EMS) تدفقًا فعالًا للطاقة بين المكونات من خلال التشغيل في أربعة أوضاع مختلفة بناءً على توافر مصادر الطاقة المتجددة وحالة شحن البطارية. بالإضافة إلى مقارنات الأداء، أُجري تحليل حساسية لتقييم مساهمة كل مصدر من مصادر الطاقة المتجددة، وتحديد النظام الأكثر فعالية من حيث التكلفة وصديقًا للبيئة. أظهرت النتائج أن نظام الطاقة الكهروضوئية ساهم بأكثر من 50% من إجمالي تغطية الأحمال، مما يُبرز الإمكانات العالية للطاقة الشمسية في المنطقة. وفي نهاية المطاف، تُبرهن هذه الدراسة على جدوى وفعالية نظام شبكة كهربائية هجينة مُحسّن من خلال خوارزميات متطورة متعددة الأهداف لتوفير طاقة موثوقة ونظيفة وبأسعار معقولة للمناطق الصحراوية النائية.

This thesis presents the design, modeling, and optimization of a standalone hybrid renewable energy system (HRES) aimed at supplying electricity to remote areas in the Adrar region of southern Algeria. Given the logistical and financial constraints associated with extending the national electricity grid to isolated areas, this study proposes a microgrid solution that integrates photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WT), battery storage systems, a diesel generator (DG), and an inverter to ensure energy reliability and sustainability. The central objective of this research is to determine the optimal sizing and configuration of the hybrid microgrid components to achieve a low Levelized Cost of Energy (LCOE) while maintaining high system reliability, evaluated through the Loss of Power Supply Probability (LPSP). The optimization process was carried out using four multi-objective algorithms: Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO), Multi-Objective Ant Lion Optimizer (MOALO), Multi-Objective Dragonfly Algorithm (MODA), and Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). These were implemented in MATLAB R2023a, and simulations were performed using actual meteorological data for solar radiation, wind speed, and temperature obtained from NASA. Among all tested algorithms, MOPSO provided the best results, achieving the lowest LCOE of $0.2520/kWh and an LPSP of 0.0991639. The optimal system configuration under MOPSO includes 135 PV panels, 53 wind turbines, and sufficient battery capacity to meet the load demand for one autonomous day. The proposed Energy Management Strategy (EMS) ensures efficient power flow between components by operating in four distinct modes based on the availability of renewable sources and battery state of charge. In addition to performance comparisons, a sensitivity analysis was conducted to evaluate the contribution of each renewable energy source and identify the most cost-effective and environmentally friendly setup. Results show that the PV system contributed over 50% of the total load coverage, highlighting the region’s high solar potential. Ultimately, this study demonstrates the viability and effectiveness of a hybrid microgrid system optimized through advanced multi-objective algorithms for providing reliable, clean, and affordable energy to remote desert regions.

Cette thèse présente la conception, la modélisation et l'optimisation d'un système hybride d'énergie renouvelable (SERH) autonome visant à alimenter en électricité les zones reculées de la région d'Adrar, dans le sud algérien. Compte tenu des contraintes logistiques et financières liées à l'extension du réseau électrique national aux zones isolées, cette étude propose une solution de micro-réseau intégrant des panneaux photovoltaïques (PV), des éoliennes (ÉTE), des systèmes de stockage sur batterie, un générateur diesel (DG) et un onduleur afin de garantir la fiabilité et la durabilité énergétiques. L'objectif principal de cette recherche est de déterminer le dimensionnement et la configuration optimaux des composants du micro-réseau hybride afin d'obtenir un faible coût actualisé de l'énergie (LCOE) tout en maintenant une fiabilité élevée du système, évaluée par la probabilité de perte d'alimentation électrique (LPSP). Le processus d'optimisation a été réalisé à l'aide de quatre algorithmes multi-objectifs : l'optimisation multi-objectif par essaim de particules (MOPSO), l'optimiseur multi-objectif fourmi-lion (MOALO), l'algorithme multi-objectif libellule (MODA) et l'algorithme génétique multi-objectif (MOGA). Ces algorithmes ont été implémentés dans MATLAB R2023a, et des simulations ont été réalisées à partir de données météorologiques réelles de rayonnement solaire, de vitesse du vent et de température, obtenues auprès de la NASA. Parmi tous les algorithmes testés, MOPSO a fourni les meilleurs résultats, avec un LCOE le plus bas de 0,2520 $/kWh et un LPSP de 0,0991639. La configuration optimale du système selon MOPSO comprend 135 panneaux photovoltaïques, 53 éoliennes et une capacité de batterie suffisante pour répondre à la demande de charge pendant une journée d'autonomie. La stratégie de gestion de l'énergie (EMS) proposée assure un flux d'énergie efficace entre les composants en fonctionnant selon quatre modes distincts, en fonction de la disponibilité des sources d'énergie renouvelables et de l'état de charge des batteries. Outre les comparaisons de performances, une analyse de sensibilité a été réalisée pour évaluer la contribution de chaque source d'énergie renouvelable et identifier la configuration la plus rentable et la plus respectueuse de l'environnement. Les résultats montrent que le système photovoltaïque a contribué à plus de 50 % de la couverture de la charge totale, soulignant le fort potentiel solaire de la région. En fin de compte, cette étude démontre la viabilité et l’efficacité d’un système de micro-réseau hybride optimisé grâce à des algorithmes multi-objectifs avancés pour fournir une énergie fiable, propre et abordable aux régions désertiques reculées.