Impact de l'.olien sur le fonct -...

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Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille Equipe Réseaux Electriques et Systèmes Energétiques Impact de l’éolien sur le réseau de transport et la qualité de l’énergie B. Robyns, A. Davigny, C. Saudemont, A. Ansel, V. Courtecuisse, B. François, S. Plumel, J. Deuse Centre National de Recherche : CNRT Futurelec EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT Prévision de l’European Wind Energy Association pour l’Europe: 180000 MW d’éolien en 2020 soit 5x plus qu’en 2004 (34000 MW) Prévision pour la France afin de satisfaire les objectifs de l’UE: 14000 MW d’éolien en 2010 ? avec 800 MW début 2006 cet objectif est reporté ! Mais, à moyen terme (2010?),… 20000 MW 10000 MW Quelques milliers de MW …la France risque de ne pas être épargnée par les caprices du vent !

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Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille

Equipe Réseaux Electriqueset Systèmes Energétiques

Impact de l’éoliensur le réseau de transport et

la qualité de l’énergieB. Robyns, A. Davigny, C. Saudemont, A. Ansel, V. Courtecuisse,

B. François, S. Plumel, J. Deuse

Centre National de Recherche : CNRT Futurelec

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTPrévision de l’European Wind Energy Association pour l’Europe:

→ 180000 MW d’éolien en 2020→ soit 5x plus qu’en 2004 (34000 MW)

Prévision pour la France afin de satisfaire les objectifs de l’UE:→ 14000 MW d’éolien en 2010 ?

→ avec 800 MW début 2006 cet objectif est reporté !

Mais, à moyenterme (2010?),… 20000 MW

10000 MW

Quelques milliers de MW

…la France risque dene pas être épargnée

par les caprices duvent !

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Problématique de l’intégration des éoliennes dansun réseau d’énergie:

⇒ Production aléatoire et difficilement prévisible

⇒ Absence de réglage fréquence-puissance

⇒ Réglage de tension limité

⇒ Sensibilité aux creux de tension

⇒ Sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent

Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs(d’un point de vue électrique)

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs→ limite le taux de pénétration de l’éolien

Dans les réseaux insulaires→ limitation du taux de pénétration de l’éolien à 30% (EDF)

→ dans certains réseaux insulaires la limite des 30% estquasiment atteinte.

Dans les réseaux interconnectés ?

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTTaux de pénétration maximal

(Puissance installée/demande minimale)

En 2004 Allemagne Espagne Danemark

Ouest

Danemark

Est

Horsintercon-

nexion44 % 54,2 % 200 % 77 %

Avecintercon-

nexion30 % 45,8 % 61,5 % 21,2 %

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTQualité de l’électricité

La qualité de l’électricité se vérifie par le maintien dans lesplages contractuelles, réglementaires ou normatives :

- des paramètres caractéristiques des ondes de tension etde courant du réseau électrique;

- de la continuité et de la fiabilité de l’alimentation des utilisateurs.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Plan de l’exposé⇒ Technologies d’éolienne de grande puissance⇒ Ferme d’éoliennes⇒ Tension de raccordement

⇒ Contraintes de raccordement de l’éolien auréseau de transport

⇒ Problèmes induits par l’intégration de l’éolien dans le réseau de transport

⇒ Simulations⇒ Perspectives

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

L’énergie éolienne

3

21

AvCP pw ρ=

vRtωλ =

Coefficient de rendement

Ratio de vitesse:

Puissanceaérodynamique:

Cp < 0.59

β = angle d’orientation des pales

Principe:

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15

= 0°

= 2°

= 4°

= 6°

= 8°

=10°

= 12°

= 14°= 16°

Cp

Type d’éolienne Interfaceréseau

Moyen de contrôle

Fonctionnementpossible

Servicessystème

MAS(Vitesse fixe)

FacultatifGradateurBanc de condensateur

Pitch controlStall Actif

Contrôle de P approximatif et dynamique lente

Contrôle de Q si condensateur

Marginal

MADA(vitessevariable)

ConvertisseurAC/ACDimensionner à25% de Pn

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U

Tant qu’il y a du vent

MSAP(vitessevariable)

ConvertisseurAC/AC

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Fonctionnement en isolé

Réglage w

Réglage U

Îlotage

Tant qu’il y a du vent

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30

Vitesse de vent (m/s)

Puis

sanc

e (k

W)

Courbe mesurée

Courbe théorique

β

Multiplicateur Machine asynchroneA cage

v

Turbine

ac 50 Hz

Compensation de réactif

Puissance

Type d’éolienne Interfaceréseau

Moyen de contrôle

Fonctionnementpossible

Servicessystème

MAS(Vitesse fixe)

FacultatifGradateurBanc de condensateur

Pitch controlStall Actif

Contrôle de P approximatif et dynamique lente

Contrôle de Q si condensateur

Marginal

MADA(vitessevariable)

ConvertisseurAC/ACDimensionner à25% de Pn

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U

Tant qu’il y a du vent

MSAP(vitessevariable)

ConvertisseurAC/AC

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Fonctionnement en isolé

Réglage w

Réglage U

Îlotage

Tant qu’il y a du vent

Machine Asynchroneà Double Alimentation

v

BaguesBalais

OnduleurMLI

ac 50 Hz

Fréquence variable (ac)

Machine Asynchroneà Double Alimentation

v

BaguesBalais

OnduleurMLI

ac 50 Hz

Fréquence variable (ac)

OnduleurMLI

Multiplicateur

Turbine

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5 10 15 20

vent (m/s)

Puis

sanc

e (k

W)

Puissance en fonction de la vitesse du vent

0 2 4 6 8 1 0-2 0 0

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

1 4 0 0

1 6 0 0P u iss a n c e é lé c tr iq u e (k W )

te m p s (h e u re )

Puissance en fonctiondu temps

Type d’éolienne Interfaceréseau

Moyen de contrôle

Fonctionnementpossible

Servicessystème

MAS(Vitesse fixe)

FacultatifGradateurBanc de condensateur

Pitch controlStall Actif

Contrôle de P approximatif et dynamique lente

Contrôle de Q si condensateur

Marginal

MADA(vitessevariable)

ConvertisseurAC/ACDimensionner à25% de Pn

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U

Tant qu’il y a du vent

MSAP(vitessevariable)

ConvertisseurAC/AC

Pitch control

Couplegénératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Fonctionnement en isolé

Réglage w

Réglage U

Îlotage

Tant qu’il y a du vent

M achine Synchrone

O nduleurM LI

ac 50 H z

Fréquencevariable (ac)

O nduleurM LI

v

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTMSAP – Banc d’essai

Puissance active

MPPT Lissage de puissance

Evolution des parts de marché des différentes technologies d’éoliennes

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Synchrone

Asynchrone à double alimentation

Asynchrone vitesse fixe

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTFerme d’éoliennes

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

Vers autres groupesd’éoliennes

Grouped’éoliennes

Vers réseauélectrique

T

Raccordement deséoliennes en alternatif

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTFerme d’éoliennes

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

AC

DC

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

AC

DC

AC

DC

Grouped’éoliennes

Vers autres groupesd’éoliennes

Vers réseauélectrique

Raccordement deséoliennes en continu

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puis

sanc

e (k

W)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puis

sanc

e (k

W)

050

100150200250300350400

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puss

ance

(kW

)

Ferme d’éoliennesi

Foisonnementde l’éolien

1 éolienne

3 éoliennes 10 éoliennes

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTRaccordement de la production

Les modalités de raccordement au réseau électrique des installations de production, et notamment les contraintes techniques, sont définies par des textes réglementaires tels que décrets et arrêtés.

Type de réseau Plage de tension Niveaux de tension Puissance

BT BT monophasé 230 V S ≤18 kVA

BT BT triphasé 400V S ≤250 kVA

MT (HTA) 1 kV < U ≤50 kV 15 kV, 20 kV P ≤12 MW

HT (HTB1) 50 kV < U ≤130 kV 63 kV, 90 kV P ≤50 MW

HT (HTB2) 130 kV < U ≤350 kV 150 kV, 225 kV P ≤250 MW

HT (HTB3) 350 kV < U ≤500 kV 400 kV P > 250 MW

Niveaux de tension de raccordement des installations en fonction de leur puissance.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTRaccordement de la production

L’obligation de rachat par EDF de l’électricité produitepar des installations éoliennes d’une puissance inférieure ou égale à 12 MW a favorisé le développement de l’éolien dans le réseau HTA.

Néanmoins, la tendance pour l’avenir est le développement de fermes éoliennes terrestres ou off-shore d’une puissancesupérieure à 12 MW, voire très supérieure (de l’ordre de la centaine de MW), qui seront donc connectées au réseau HTB.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTContraintes de raccordement au réseau HTB⇒ Services système

→ réglages primaires et secondaires de tension→ réglages primaires et secondaires de fréquence→ fonctionnement en réseau séparé→ renvoi de tension et participation à la reconstitution

du réseau⇒ Soutien du système électrique en régime exceptionnel

⇒ Couplage au réseau et stabilité assurée

⇒ Recevoir et exécuter des ordres de conduite et de sauvegarde

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Prévision de la productionIncertitude moyenne sur les prévisions à 24 h : 10 %

Exemple danois de bonne prévision réalisée la veille à 11h

Erreur de prévision

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Prévision de la production

Exemple danois de mauvaise prévision réalisée la veille à 11h

Erreur de prévision

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Capacité d’accueil du réseauLa capacité des lignes et des postes est limitée.

Dans le cas de l’éolien, les lieux de production (sites ventés) sont souvent éloignés des lieux de consommation.

L’adaptation et le renforcement des postes peuvent concernerles postes HTA-HTB suite au développement de l’éolien dans le réseau de distribution (modification des protections, augmentation de la puissance de court-circuit,…).

Afin d’éviter la congestion des lignes de transport et d’assurer la sécurité du réseau, de nouvelles lignes devraientêtre construites en particulier aux interconnexions entreles réseaux gérés par des opérateurs différents.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Capacité d’accueil du réseauL’opérateur allemand EON Netz prévoit le développementde 1000 km de lignes supplémentaires d’ici 2016 pour unecapacité éolienne de 16 000 MW, dont une partie importanteen off-shore, et ce pour un montant de 550 millions d’Euros.

Le délai de renforcement d’un poste peut atteindre 5 ans etle délai de construction d’une nouvelle ligne peut atteindre10 ans et faire l’objet d’oppositions importantes de la partdes populations.

RTE a évalué la capacité d’accueil du réseau français, sansadaptation importante, entre 6000 et 7000 MW d’éolien.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Déconnexions intempestivesGrande sensibilité aux perturbations du réseau et tendanceà se déconnecter rapidement lors d’un creux de tensionou lors d’une variation de la fréquence.

Déconnexion de la production

décentraliséelors du black-out

italien du 28/9/03lorsque f < 49 Hz

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Déconnexions intempestives

Les éoliennes doivent rester connectées au réseau tant que lecreux de tension reste supérieur à un gabarit.

Il est demandé aux éoliennes installées depuis 2003 de pouvoirrester connectées au réseau en cas de baisse de tension etde variation de fréquence.

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,40

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

t en s

U/U

dim

Exemple valable pourles réseaux de répartition

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Qualité de l’électricitér x

P, Q

V1 V2 Zch~2VxQrPV +=∆

Chute de tension dans une ligne:

2VxQV =∆

Cas des lignes THT, x › 10 r :

⇒ Réglage de la tension via un réglage de la puissance réactive

→ Flicker et Harmoniques

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTProblèmes induit par l’éolien

Qualité de l’électricité

Un déséquilibre entre la production et la consommation induitune variation de fréquence due à la variation de vitesse desgroupes alternateurs classiques.

Les fluctuations de la puissance éolienne, tout comme lesvariations de charges, pourraient activer le réglage primaire.

Actuellement, lorsque la production est supérieure à laconsommation, donc lorsque la fréquence est supérieure à 50,5 Hz, il peut être demandé aux éoliennes de réduire leur production.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Simulation d’une ferme de 5 éoliennes

SEOL

PLQL

PLQL

PLQL

JB3 JB2

JB4 PLQL

JB163 kV

LV0.69 kV

MV20 kV

HV225 kV 20 kV

∼∼∼

SR

SNR

SF

∼ Taux de pénétrationmoyen de 12 %

300 350 400 450 5000

1

2

3

4

5

s

[vent_WT_PU7] Production du groupe réglant - Unit : MW[vent_WT_PU7] Poduction éolienne (MW)

300 350 400 450 5000

1

2

3

4

5

s

[vent_WT_PU0] Production du groupe réglant - Unit : MW[vent_WT_PU0] Production éolienne (MW)

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTSimulation d’une ferme de 5 éoliennes

Production de 5éoliennes soumises

à des vents identiques

Production de 5éoliennes soumises

au foisonnement éolien

300 350 400 450 50049.00

49.25

49.50

49.75

50.00

50.25

50.50

50.75

51.00

s

Hz

[vent_WT_PU7] Fréquence du système - Unit : Hz[vent_WT_PU0] Fréquence du système - Unit : Hz

300 350 400 450 500

20.9

21.0

21.1

21.2

21.3

s

kV

[vent_WT_PU7] Moyenne tension - Unit : kV[vent_WT_PU0] Moyenne tension - Unit : kV

Simulation d’une fermede 5 éoliennesFréquence

avec vent unique

avec foisonnementéolien

Tension

avec vent unique

avec foisonnementéolien

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTSimulation

Participation au réglage primaire d’une éolienne

L’éolienne génère une puissance inférieure à sa capacitémaximale afin de disposer d’une réserve.

Elle participe au réglage primaire suivant une droite deréglage classique.

~

~

Sc

Seol Ch1 Ch2

JDB

f(Hz)

P(W)

f0 f0 + ∆ff0 - ∆f

P0

P0 + ∆P

P0 - ∆P

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTSimulation

Participation au réglage primaire d’une éolienne

400 450 500 550 6009

10

11

12

13

14

15

Temps [s]

vite

sse

du v

ent [

m/s

]Vent variable

Vitesse du vent

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTSimulation

Participation au réglage primaire d’une éolienneVent variable

Puissance éolienne

400 450 500 550 600300

400

500

600

700

800

Temps [s]

Puisa

nce

activ

e éo

lienn

e [k

W]

Avec réglage primaire

Sans réglage primaire

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTSimulation

Participation au réglage primaire d’une éolienne

400 450 500 550 60048.5

49

49.5

50

50.5

Temps [s]

Fréq

uenc

e ré

seau

[Hz]

Vent variableFréquence

Sans réglage primaire

Avec réglage primaire

L’intégration harmonieuse de l’éolien dans le réseau passera:Conclusion et perspectives

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

⇒ par une meilleure prévision du vent,⇒ une coordination resserrée entre les gestionnaires de

réseau de transport européen,⇒ le renforcement des interconnexions européennes.

⇒ à l’utilisation de l’électronique de puissance dans lesinterfaces avec le réseau,

Mais aussi grâce…

⇒ au développement du stockage de l’énergie à court etlong terme,

⇒ au développement de systèmes multisources,⇒ au foisonnement éolien sur un vaste territoire.

EOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORTEOLIEN ET RESEAU DE TRANSPORT

Merci pourvotre attention