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#5 Le transformateur solaire

Table technique

Thématiques

• Intégration ENR• Poste HTA/BT• Réglage de tension

Cas d’utilisation

• Intégration de la production photovoltaïque sur le réseau de distribution

Chiffres clés

• 400 kVA de puissance du transformateur• 100 clients connectés en aval• 9 prises de conversion HTA/BT• Tension de consigne variable de 404 à 420V en fonction de l’ensoleillement

Acronymes

BT Basse Tension (400 V)GRD Gestionnaire de Réseau de Distribution HTA Moyenne Tension (20 kV)NEM Network Energy Manager (Gestionnaire d’Energie réseau)EnR Energie Renouvelable

Table 1 – Table technique du transformateur solaire

IntroductionCe document détaille l’architecture du transformateur solaire, c’est çà dire une combinaison entre un transformateur HTA/BT, un régleur en charge, un capteur de luminosité et un contrôleur. Un tel transformateur permet d’adapter la tension de manière dynamique à la production solaire, et donc de pouvoir mieux intégrer la production photovoltaïque sur le réseau de distribution.

Objectifs et expression du besoin

Contexte et objectifs

Le projet NICE GRID prévoyait dès l’origine d’utiliser un transformateur à régleur en charge. Ce système de régulation dynamique de la tension BT en aval d’un transformateur HTA/BT permet une insertion plus importante de production PV sur les réseaux BT en autorisant lors du raccordement du producteur une hausse de tension plus élevée sur le réseau BT.

En effet, le transformateur à régleur en charge permet de fixer la tension BT au secondaire du transformateur à une valeur de consigne en faisant varier son rapport de transformation. Ainsi, le Gestionnaire du Réseau de Distribution (GRD) connait précisément la tension BT au poste HTA/BT qui en est équipé, il peut donc accorder une hausse de tension plus élevée aux producteurs PV qui s’y connectent.

Un régleur en charge annule aussi les effets des variations de tension sur le réseau HTA dues à la production EnR sur la HTA et permet donc aussi d’améliorer l’intégration des EnR sur le réseau HTA.

Figure 2 – Conséquence de l’insertion massive de production photovoltaïque sur un réseau BT radial

Cahier des chargesEn complément de cette fonction basique de stabilisation de la tension secondaire du transformateur à 404V, le transformateur régleur en charge utilisé dans le cadre du projet NICE GRID permet une modulation de la hausse de tension de consigne sur le réseau BT en fonction de l’ensoleillement. En effet, en cas d’absence totale de soleil, il n’y a aucun risque de surtension BT car pas de production PV, la tension consigne au secondaire est alors remontée à 420V pour améliorer la qualité de fourniture des clients en aval du poste. Par ailleurs, le gestionnaire d’énergie réseau (NEM) qui dispose de capacité de calcul avancé peut proposer au transformateur régleur en charge « solaire » des tensions de consigne adaptées à la situation du moment.

Figure 3 - Exemple d’une journée de fonctionnement du transformateur solaire asservi par le gestionnaire d’énergie (NEM).

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Déploiement et mise en œuvre

Architecture et caractéristiques techniquesLe transformateur régleur en charge solaire installé dans NICE GRID se compose de trois parties :

• Un transformateur HTA/BT régleur en charge• Un capteur de luminosité

• Un coffret de régulation électronique qui mesure le niveau d’ensoleillement, reçoit une éventuelle consigne du NEM et applique une loi mathématique qui définit la tension BT à respecter au secondaire du transformateur.

Figure 4 – Coffret de régulation électronique

Figure 5 – Transformateur régleur en charge

Figure 6 – Capteur de luminosité

Il présente les caractéristiques techniques suivantes :

Caractéristique ValeurPuissance nominale 400 kVA

Plage de fonctionnement

Tension amont (primaire)= de 18600V à 21400VTension aval (secondaire) = 404V

Nombre de prises du régleur 9

Pas de réglage 2%

Figure 7 – Plages de fonctionnement du transformateur 1

Tests en laboratoireAvant son installation, le transformateur régleur en charge de NICE GRID a subi tous les tests réglementaires qui ont abouti à son raccordement au réseau de distribution.

InstallationLe transformateur solaire a été installé le 13 Novembre 2014 par ENEDIS et Schneider Electric en sa qualité de constructeur du transformateur.

Figure 8 – Installation du transformateur solaire1. Source : Schneider Electric

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RésultatsLe graphique ci-dessus (Figure 9) montre la variation de la tension mesurée un jour d’avril 2015. On observe bien la corrélation entre l’ensoleillement local (mesuré par un capteur en W/m²) et la tension BT au poste HTA/BT.

La vue suivante donne un autre aperçu de la régulation solaire. Au-delà de 900W/m², la tension de consigne est fixée à 404V, ce que montre bien l’interface suivante. La tension mesurée (en temps réel) indique 403,6V.

Figure 10 – Interface de supervision en présence de forte luminosité

Lorsque la luminosité baisse (440W/m² par exemple sur l’image ci-dessous), la valeur de consigne remonte linéairement jusqu’à la valeur de 420V pour une luminosité nulle. La tension mesurée (ici 410,8V) remonte alors à une valeur proche de la consigne (fixée ici par le calculateur à 412,4V).

Figure 11 – Interface de supervision en présence de faible luminosité

Variante du transformateur solaire

Figure 9 - Corrélation entre ensoleillement et tension au secondaire du transformateur solaire le 01/04/2015

Figure 12 – Illustration du réglage de tension couplé à une horloge astronomique

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Pour diversifier l’expérience tout en gardant le même principe de régulation solaire, ENEDIS installera en 2016 un second transformateur solaire asservi à une horloge astronomique au Sauze du Lac (05) (Figure 12). À l’instar des outils utilisés pour la gestion de l’éclairage public, ce système permettra d’estimer l’ensoleillement extérieur en fonction de l’heure et du jour de l’année.

Si l’intérêt technique du GRD pour ces transformateurs se confirme, ENEDIS évaluera la proportion de transformateurs qui nécessiteraient un régleur en charge pour gérer des contraintes de tension haute HTA et/ou BT.

Messages clés• Le transformateur solaire présente un réel intérêt technique

pour le GRD car il combine la stabilisation de la tension BT en cas de variation de tension HTA et l’adaptation automatique de la tension BT à l’ensoleillement local.

• Il permet ainsi de raccorder plus de PV sur la BT en minimisant les risques de tension haute, puisque la tension BT au poste HTA/BT est stable, tout en préservant le réseau BT des chutes de tension en hiver.

• Son exploitation est proche de celle d’un transformateur classique (c’est-à-dire simple de part son autonomie) mais son installation est un peu plus complexe du fait du coffret de contrôle-commande et du capteur. En outre, il nécessite un espace sans ombre portée sur le capteur.

• ENEDIS testera en 2016 un transformateur solaire avec asservissement astronomique qui présentera l’avantage d’être « plug and play » (pas de connexion avec l’extérieur) et d’être insensible aux ombres extérieures.

• Néanmoins, pour pouvoir envisager un déploiement massif sur le réseau des transformateurs régleur en charge avec ou sans régulation solaire, il parait nécessaire de rapprocher leurs coûts de fabrication et de maintenance de ceux des transformateurs traditionnels.

Pour aller plus loin

Document Sujet

Livrable ADEME 3-5 Résultats techniques

Livrable ADEME 1-35 Messages clés

Glossaire

Terme Définition

Horloge astronomique

Une horloge astronomique est une horloge ayant des mécanismes et cadrans spéciaux qui affichent des informations astronomiques, comme la position relative du soleil, de la lune, des constellations zodiacales et parfois quelques planètes. Pour le transformateur solaire, l’horloge astronomique indique le changement jour/nuit.

Capteur de luminosité

Un pyranomètre/capteur de luminosité est un type d’actinomètre utilisé pour mesurer la radiation solaire de haut débit sur la surface planaire et un capteur désigné à mesurer la densité de flux de radiation solaire (W/m²) avec un champ de vision de 180°.

Gestionnaire d’Énergie Réseau (NEM)

Plateforme informatique hébergée dans le système d’information d’ENEDIS, le NEM assure l’importation des prévisions, l’analyse du réseau de distribution, la validation des requêtes des opérateurs, la gestion du mécanisme de transaction avec les agrégateurs, la publication des ordres de réservations/activations et le portail web pour les opérateurs de dispatching.

Régleur en charge

Un changeur de prises, d’après la désignation de la commission électrotechnique internationale, régleur en charge, d’après la désignation RTE, est un appareil permettant de rajouter ou de retrancher des spires à l’enroulement principal du transformateur. Le rapport de transformation du transformateur peut ainsi être adapté aux conditions de charge sur le réseau afin de maintenir la tension à un niveau optimal. Il est dit en charge lorsqu’il peut adapter son rapport de transformation sans être mis hors tension.

Poste HTA/BT

Un poste HTA/BT est un local assurant la liaison entre le réseau moyenne tension (HTA) et le réseau basse tension (BT). Le poste HTA/BT est essentiellement composé d’un équipement permettant de le connecter au réseau HTA, d’un transformateur HTA/BT abaissant la tension, et d’un tableau permettant de répartir l’énergie électrique sur les différents départs BT alimentant les clients. Les dimensions du transformateur varient de 50 à 1000 kVA dans la mesure où le nombre de clients alimentés est très variable (jusqu’à 300 clients résidentiels).

Contraintes de tension

Dans le réseau de basse tension, l’injection ou le retrait de la puissance active augmente/diminue localement la tension : une contrainte de tension apparaît lorsque la tension est proche des contraintes limites définies dans la norme EN50160, soit Un +/- 10%, avec Un=230 V.