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Stockage inertiel d'énergieStockage inertiel d'énergieen vue d’améliorer l'intégration des éoliennesen vue d’améliorer l'intégration des éoliennes

dans un réseau électriquedans un réseau électrique

Ludovic LECLERCQ

Benoît ROBYNSÉcole des Hautes Études Industrielles École des Hautes Études Industrielles

(HEI),(HEI), LILLELILLE

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1. Problématique2. Éolienne à vitesse constante + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel4. Conclusion et perspectives

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Stockage inertiel d'énergieStockage inertiel d'énergieen vue d’améliorer l'intégration des éoliennesen vue d’améliorer l'intégration des éoliennes

dans un réseau électriquedans un réseau électrique

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1. Problématique1. Problématique

Les éoliennes actuelles ne participent pas aux services système

- production aléatoire et difficilement prévisible- absence de réglage fréquence-puissance- absence de réglage tension- sensibilité aux creux de tension- sensibilité aux variations rapides de la force du vent- …

Revue REE N°7 juillet 2002« Le raccordement de la production décentralisée en HTA et BT »Par J.-L. FraisseEDF-GDF services

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Une trop forte pénétration de la production éoliennefait courir un risque important de délestage

• introduction d'aléas dans la programmation des moyens de production• dégradation de la sûreté de fonctionnement du système électrique• sensibilité aux creux de tension• problèmes de tenue de tension et de qualité de fourniture

Dans le cas d'un réseau insulaire

Limitation du taux de pénétration de l'éolien(EDF limite à 30 %)

1. Problématique1. Problématique

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Limite des 30 % pas atteinte dans l'immédiat mais localement.Concentration d’éoliennes aux mêmes endroits

et à l’avenir sur les côtes avec de grosse centrales offshore

Dans le cas d'un réseau puissant

1. Problématique1. Problématique

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Augmenter le taux de pénétration de l’éolien :

• Lisser la puissance fluctuante,• régler la tension,• régler la fréquence…

Participer plus ou moins aux services système

1. Problématique1. Problématique

Janvier 2003 : 147,23 MWObjectif pour 2010 : 14000 MW

Plus que 13852,77 MW…

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1. Problématique1. Problématique

Solutions envisagées

1. Lisser la puissance fluctuante Éolienne à vitesse fixe + système de stockage

2. Réglage tension et fréquence Éolienne à vitesse variable + système de stockage

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2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel

Éolienne à vitesse fixe

Moteurdiesel

Stockage inertielChargeCharge

Moteur diesel

MachineSynchrone

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But : lisser la puissance éolienne

Stabilisateur cinétique

Turbine éolienne + génératrice asynchrone

0 t 0 t

0 t

Réseauisolé

2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel

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Problème : Nous ne pouvons stocker

ou restituer indéfiniment

Nous devons tenir compte

de la vitesse du volant d’inertie« Si la vitesse du volant est petite alors on favorise le stockage »

« Si la vitesse du volant est grande alors on favorise la restitution »

« Si la vitesse du volant est moyenne : utilisation normale »

Stratégie de commande du système de stockage inertiel

2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel

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Superviseur à logique floue

Preg

Pwg

Flywheel rotational speed

SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUESUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE

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SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUESUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUESUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUESUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE

BVS

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Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site de Dunkerque

SIMULATIONSSIMULATIONS

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Superviseur à logique floueSuperviseur à logique floue

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Puissance active générée par le groupe électrogènePuissance active générée par le groupe électrogèneSans le système de stockage en pointillés

Avec le système de stockage en trait continu

SIMULATIONSSIMULATIONS

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Puissance active générée par l’associationPuissance active générée par l’associationéolienne-système de stockage éolienne-système de stockage (Preg)(Preg)

Puissance souhaitée en pointillésPuissance obtenue en trait continu

SIMULATIONSSIMULATIONS

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Vitesse de rotation du volant d’inertie

SIMULATIONSSIMULATIONS

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Superviseur simplifiéSuperviseur simplifié

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SIMULATIONSSIMULATIONSPuissance active générée par le groupe électrogènePuissance active générée par le groupe électrogène

Sans le système de stockage en pointillés

Avec le système de stockage en trait continu

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SIMULATIONSSIMULATIONSPuissance active générée par l’associationPuissance active générée par l’association

éolienne-système de stockage éolienne-système de stockage (Preg)(Preg)Puissance souhaitée en pointillés

Puissance obtenue en trait continu

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SIMULATIONSSIMULATIONS

Vitesse de rotation du volant d’inertie

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Sans tenir compte de la vitesse de rotation du volant d’inertie

Pwg Pwgf = Preg

Constante de temps du filtre passe-bas = 30 s.

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SIMULATIONSIMULATIONPuissance active générée par le groupe électrogènePuissance active générée par le groupe électrogène

Sans le système de stockage en pointillés

Avec le système de stockage en trait continu

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SIMULATIONSIMULATIONPuissance active générée par l’associationPuissance active générée par l’association

éolienne-système de stockage éolienne-système de stockage (Preg)(Preg)Puissance souhaitée en pointillés

Puissance obtenue en trait continu

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SIMULATIONSIMULATION

Vitesse de rotation du volant d’inertie

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3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

Éolienne sur charge isolée

Éolienne sur un réseau

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3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

• Capable de l'îlotage• Capable de redémarrer sans tension sur le réseau• Capable de remettre la tension sur un réseau hors tension• Capable de supporter des échelons de consommation• Maintenir l’équilibre production-consommation• Maintenir une tension d’amplitude et de fréquence fixe• ….

Éolienne sur charge isolée

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Machinesynchrone

Convertisseur MLI

Source de tensioncontinue

Éolienne à vitesse variable à pales fixes composéed’une machine synchrone à aimants permanents

et à attaque directe

Toutes ressemblances avec une éolienne développée dans le nord de la France est purement fortuite !

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

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Puissance fourniepar l’éolienne

Puissance consomméepar la charge

Dissipation et/ou stockage

Chargeisolée

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

Éolienne sur charge isolée

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Chargeisolée

Puissance fourniepar l’éolienne Puissance consommée

par la charge

Fourniture auxiliaire et/ourestitution du stockage

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

Éolienne sur charge isolée

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Chargeisolée

Stockage inertiel

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

Éolienne sur charge isolée

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Chargeisolée

Convertisseur 2

Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée…

Filtre LC pour la qualité de la forme d’onde de la tension…

Le convertisseur 2 va réguler les tensions aux bornes des condensateurs du filtre

Source de tension

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Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée…

Puissance de l’éolienne Puissance du stockage inertiel

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Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée…

Tension du bus continuTensions composées

aux bornes des condensateurs

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Convertisseur 2

Filtre LCL pour la qualité de la forme d’onde de la tension…

Le convertisseur 2 va réguler le courant dans la deuxième self

Source de courant

Réseau

Éolienne sur un réseau

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Pour une éolienne fonctionnant sur réseau…

100 kVAR

150 kW

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4. Conclusion et perspectives4. Conclusion et perspectives

• Pitch control• Stockage inertiel de la turbine• Centrale éolienne• Supervision

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MS

MCC

DS 1104

Stockage inertiel

MAS

DS 1104

DS 1103

Réseau

Chargeisolée

Banc d’essai développé sur le site HEI

Filtre

Validation modèles,commandes, supervisions

Participation auxservices systèmes

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Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI

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Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI

MachineAsynchrone

+ codeur

Machine à courant continu

Volantd’inertie

DT

Onduleurs de tensionSEMIKRON

Machinesynchrone