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