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Intégration de l’énergie éolienne au réseau électrique

B. Francois

bruno.francois@ec-lille.fr

http://l2ep.univ-lille1.fr/

Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille (L2EP)

Ecole Centrale de Lille

Séminaire “Le développement des Energies éoliennes en Tunisie”Association des Spécialistes Electriciens de Tunisie

19 novembre 2009

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Plan

1) RaccordementTechnologies d’éoliennesPrescriptions (tension, flicker, protection)

2) Fonctionnement du systemesensibilité au défaut de tensionbesoin en réserveparticipation aux services systeme

3) Prospectives de recherche et Solutions futures

3

Introduction

Le Système électrique = adéquation offre de production avec une demande de consommation à travers un réseau.

La demande est variable , même si elle est prévisible, il reste un aspect stochastique.Pour faire face à l’aléa de la demande, les moyens de production doivent être contrôlables : maitrise de l énergie injectée, fourniture de programme de production, modulations rapides à la hausse ou à la baisse, …

La production éolienne est variable, peu flexible (arrêt/démarrage) et fournit des programmes de production incertain.La production éolienne n’est pas programmable et représente un aléa supplémentaire dans le système.

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Quels sont les problèmes ?

_ Le raccordement au réseau (capacité d’accueil, qualité de tension, …)

_ Le fonctionnement du système électrique électrique ( tenue aux défauts, participation aux services système, réserve, …)

_ Les marchés de l’électricité (insertion de la production d’énergies renouvelables dans la planification, marché J-1, ajustement, …)

Quelles sont les solutions pour une intégration à grande échelle ?

Les réponses changent selon la technologie d’éolienne…

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(Source : Alstom Power [MOL 04][MOL 04] )8

Le raccordement

-> La puissance crête des éoliennes augmente continuellement

La technologie évolue pour augmenter le productible-> Sur un territoire donné, le nombre de site exposé à des vents réguliers est

limité-> Objectifs nouveaux : Meilleure exploitation des ressources éoliennes

La technologie suit les exigences des opérateurs de réseau-> prendre en compte les exigences techniques-> loi, décrets d’application, appel d’offre, …

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Electroniquede puissance

Eoliennes à vitesse variableMachine asynchrone à cageMachine synchrone à rotor bobinéMachine synchrone à aimant permanentMachine à double alimentation

Eoliennes à vitesse fixe

Classement général

Puissance crête

Coup de projecteur sur les différentes technologies

7

β

m ultipl ic at e ur G e ne r at e ur a sy nc hr on e

Ω

Ω t

v R E S E AUX

A C 5 0 H z

C o m p ensa tio n d e la pu is sa nce ré ac t iv e

Vitesse lente

Vitesse rapide(1500tr/min)

Principe de base

Technologie :Eolienne à vitesse fixe

8

Puissance maximale

La vitesse du générateur doit être adaptée

A

Ω1

v1

P1

Power⇒ Maximum power tracking

BP2v2

Vitesse du vent

C

Ω 2

P3Benefice

Ωmec

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Simulation

Vitesse mécanique (tr/mn)

Puissance électrique (kW) Mesure

Mais, ce domaine de fonctionnement est limitéaux faibles vitesses et faibles puissances

Technologie : Eolienne à vitesse variablePrincipe de base

9

⇒ Maximum power tracking

⇒ Reduction du bruit (lors des fonctionnement à faible puissance)

⇒ Reduction des efforts mécaniques

⇒ Un peu moins de variations de puissance (stockage mecanique dans la turbine, stockage électrique dans le bus continu)

Technologie : Eolienne à vitesse variableAvantage

⇒ Une plus grande flexibilité par l’électronique de puissance, augmentation de la contrôlabilité ( contrôle possible en puissance active, reactive, en tension, …)

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Electronique de puissance

Vitesse lente

Vitesse rapide(1500tr/min)

R t

β

multiplicateur

Gen erateur asynch rone

Ω

Ω t Τg

Τa

v

C

imachine igrid

u L t

R ESEA U X

AC 50 Hz

F réquence variab le

A C A C

D C DC

Générateur synchrone à rotor bobinéGénérateur synchrone à aimant permanent

R t β

G enerateu r synch rone

Ω t

Τa

v

C

im achine igrid

u L t

R E SE AU X

AC 50 H z

Fréquence va riable

A C A C

DC D C

Vitesse lente

Electronique de puissance

[FRA 05] [FRA 05]

Technologie : Eolienne à vitesse variable

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R t

β

m ult ip licateurD .F .I.G .

Ωmec

Ω tu rbin e Cg

C a er

v

C

im _mac im -res

u L t

RE

SEA

UX

B ague s

AC 50 H z

it1

it2

Fréquence var iab le

AC A C

D C D C

Génératrice asynchrone à double alimentation

Avantages additionnels :- l’électronique de puissance est dimensionnée à 30% de la puissance totale- Intérêt économique

Bagues

Circuit

rotorique

Technologie : Eolienne à vitesse variable

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0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Simulation

Vitesse mécanique (tr/mn)

Puissance électrique (kW) Mesure

MPPT

Démarrage

Vitesse constante

Puissance constante

Caractéristique Puissance/ vitesse d’une éolienneà base de génératrice asynchrone à double alimentation

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Relevés dynamiques

14

Evolutions des technologies[2008 IEEE Workshop on Wind power Integration]

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Raccordement : Prescriptions

Résolution des problèmes locaux de connexion, tels que :

_ Capacité d’accueil (transit)Vérifier si on est capable d’évacuer vers la puissance produite vers les consommateursDimensionnement des équipements (transformateurs, postes, lignes)

Règles de raccordement définies dans des référentiels techniques

_ Transmission des signaux tarifaires et de télé contrôle, les protections

_ Plan de tension

_ Qualité de la tension (flicker, harmonique)

_ Plan de protection

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Augmentation de la valeur efficace de la tension

Raccordement : Plan de tension

Location (m)

200

1

400 600 800 1000

0.9

0.8

RMS voltage (%)

With W.G.

Without W.G.

Line 2km 150alu

dc ac

DFIG

1.5 MVA

Line 2km 240 alu

Line 3km 240 alu

Load 2 MVA, cosϕ =0.85

Load 1 MVA,

cosϕ =0.9

1300 MVA,70 kV

HV transformer 15 kV / 70 kV, 20 MVA

Bus C

Bus D Bus E

ac dc

L

L

Exemple du standard français :Variation de la tension : 5 % durant 0.5 s.Variation maximale de la puissance : 4 MW/min

“

[ELA 03-2] [ES 99]

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Solutions to correct slow variations of the rms voltage :

-Direct connexion to a tap transformer, high investment in the architecture

- SVC for dynamic voltage stabilization

Exemple : Dunsmuir (Vancouver island), rating 135 Mvar inductive and 165 Mvar capacitive at 132 kV

Thyristor-Switched Reactors (TSR)Thyristor-Switched Capacitor (TSC)

Le cout de chaque solution doit être étudié

Raccordement : Exemple du plan de tension

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Variation rapide de la tension

Dépend de la technologie de l’éolienne

β

Gearbox

Induction Generator

Ω

Ω t Τg

Τa

v

AC fixed Frequency

Transfert direct des variations de puissance aérodynamique sur le réseau

Eolienne à vitesse fixe

Raccordement : Flicker

queaerodynamipertesaniqueelectromec cccdt

dJ −−=Ω

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Pas de transfert si- Régulation de la tension- Fonctionnement du convertisseur réseau en D statcom

Rt

β

Gearbox

Doubly Fed Induction Generator

Ω

Ω t Τg

Τa

R

v

C

imachine igrid

u Rotor side

inverter L t

GRID

Line side inverter

Slip Ring

AC 50 Hz

AC Variable Frequency

Rt

β

Gearbox

Induction Generator

Ω

Ω t Τg

Τa

v

C

imachine igrid

u Stator side

inverter L t

G RID

Grid side inverter

AC 50 Hz

AC Variable Frequency

Pas de transfert si- Variation du bus continu- contrôle de la puissance moyenne (≠MPPT), orientation des pales et contrôle de la machine

Eoliennes à vitesse variable

Le systeme de contrôle a une grande influence sur les variations rapides de tension!

Raccordement : Exemple du flicker

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SolutionsStockage pour compenser les transitoires de puissance :- Batteries (vieillissement)- Volant d’inertie

Flywheel unit

Wind generator

Battery Wind

generator

Grid

C

u AC

Indu

ctio

n m

achi

ne AC

DC

DC

Deux avantages :- Contrôle rapide de la tension- Regulation de la loi statique : Frequence/Puissance

Raccordement : Flicker

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- Les réseaux de distribution sont concus pour un transfert de la puissance électrique du réseau de transport vers les charges

- Influence en terme de qualité de protection et de sécurité

- Un impact important : Augmentation du courant de court circuit

Raccordement : Plan de protection

- Exemple :Le courant lors d’un défaut est fourni à la fois par le réseaux de transport et l’éolienne.Si le courant venant du réseau de transport diminue, la protection ne déclenchera pas et le défaut ne sera pas détecté et persistera car toujours alimenté par l’éolienne !

G

Line 1

Line 2

Fault point

DistributionSubstation

Wind generator

Over current

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Plan de protection

Remarques

Avec les éoliennes à vitesse variable et donc des convertisseurs electroniques de puissance, l’impact est réduit car la commande contrôle les courants générés et donc les limitent à leur valur maximale !

Systemes de protection particuliers: Negative phase relay, Ground over-voltage relay

Solutions externes :

G

Line 1

Line 2

Fault point

DistributionSubstation

Wind generator

Over current

Selfs qui saturent pour réduire le courant de défaut

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Fonctionnement du système

Pour faire face à la variabilité, 2 objectifs:_ Utiliser les éoliennes pour augmenter des possibilités de gestion du réseau électrique_ Les faire participer aux services système

Techniquement :_ Le comportement sur défauts_ Les besoins additionnels en réserve_ La participation aux services systèmes

Réglage de la tensionRéglage de la fréquence

Le taux de pénétration de l’éolien semble limité à 20%Genérateur passif

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Comportement sur défaut de tensionSi l’éolien représente une petite part de production, pas de problème, les éoliennes peuvent se déconnecter en cas de défauts provenant du réseau (sur la tension)

Ce n’est plus possible en Europe car cela entrainerait une perte instantanée de production supérieure (à l’incident dimensionnant la réserve primaire : 3 000 MW)

Depuis 2000,_ Tenue aux défauts à travers la mise en place de gabarit de tenue aux creux de tension_ Définition de plages de fréquences admissibles

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Grace à l’électronique de puissance et au contrôle des puissances actives et réactives pendant le défaut, les technologies éoliennes permettent de tenir ces défauts

Exemple : Amélioration de la stabilité des courants générés par une éolienne à base de MADA par contrôle du flux statorique

Comportement sur défaut de tension

[ELA 05]

(a) Synchronous approach (b) Asynchronous approachTiming evolution of the stator flux

26

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 104

Voltage SupplyGrid

4

InjectedVoltages

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

VSI

energystorage

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 104

VoltageWind generator

VoltageWind generator

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 104

External solutions

Dynamic Voltage Restorer

[AWA 04]

Comportement sur défaut de tension

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Besoin en réserveLes réserves en puissance sont constituées pour faire face aux aléas dans le réseau, leur niveau dépend de l’horizon temporel des aléas

L’aléa de la production éolienne impacte tous les horizons temporels. Le calcul des marges doit prendre en compte la variabilité de l’éolien

erreur de prévision

Perte d’un groupe, variations rapidede la charge

hydraulique, turbine a gaz,groupe diesel

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Participation aux services systeme

Réglage automatique réalisé par des groupes de production permettant des variations contrôlées très rapides de leur puissance active (réglage de la fréquence) ou réactive (réglage de la tension).

Moyens de réglage mis à la disposition du gestionnaire de réseau par les producteurs pour le réglage de la tension et de la fréquence.

Le comportement en fréquence

Si on remplace les groupes conventionnels (participant au réglage de la fréquence) par des éoliennes ne participant, alors il y a dégradation sur l’écart et le transitoire

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Le réglage de tension

Les normes européennes « grid codes » imposent aux eoliennes de régler la tension ou la puissance réactive échangée.

Exemple : Espagne+- 30% de la puissance apparente produite pour les fermes > 30MW raccordées au réseau de transport (>220 kV)

Participation aux services systeme

30

Système de prévision et de conduite

Prospectives de recherche et Solutions pour intégrer l’éolien dans le système

Nouvelles sources de flexibilité

Nouvelles architectures de réseau dédiées

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Solutions pour intégrer l’éolien dans le systèmeSystème de prévision et de conduite

Prévision de la production éolienne• Quelques heures, erreur de 3 à 5% de la puissance installée• J-1, erreur de 5% de la puissance installée• >4J, erreur > 7,5% de la puissance installée

Intérêt, recalculer les marges de la réserve

Systèmes de conduite centralisée• Pour gérer l’impact de l’éolien, il faut le mesurer et le controler• exemple : Espagne, les « Despatcho delagado »• exemple : Allemagne, petites fermes raccordées en distribution,

quelques mesures + estimation (ISET)• exemple : France, IPES (2009-2010),

système d’observation (mesures+predictions) et de contrôle à la baisse (effacement)

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Solutions pour intégrer l’éolien dans le systèmeNouvelles sources de flexibilité

Couplage avec d’autres moyens de productionrechercher des complémentarités au travers des marchés (économique)

Stockage

Modification des éoliennes en générateur actif participant aux services système(statisme de réglage puissance/fréquence et réactif/tension)

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Solutions pour intégrer l’éolien dans le systèmeNouvelles architectures de réseauMicro réseau en grappeRéseau continu urbain (éco quartier)Réseau continu haute tension offshore

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Merci pour votre attention !

Site de Sidi Daoud (Tunisie)