SPECIALITE : PHYSIQUE Ecole Doctorale Sciences et Technologies de lInformation, des Tlcommunications et des Systmes Prsente par : Herman BAYEM Sujet : APPORT DES METHODES PROBABILISTES AUX ETUDES DINSERTION DES ENERGIES RENOUVELABLES DANS LES SYSTEMES ELECTRIQUES Soutenance le 23 Novembre 2009 devant les membres du jury : MPhilippe DESSANTE (co-encadrant, Suplec) MGeorges KARINIOTAKIS (examinateur, Mines ParisTech) Mme Franoise LAMNABHI-LAGARRIGUE (examinateur, LSS) MVladimiro MIRANDA (rapporteur, INESC Porto) MJulio USAOLA (rapporteur, Universit Carlos III Madrid) MJean-Claude VANNIER (directeur de thse, Suplec) MBruno PRESTAT (invit, EDF R&D) THESE DE DOCTORAT tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010Remerciements Jaimeraisentoutpremierlieutmoignermareconnaissancetousceuxquimont encouragmelancerdansceprojetdethsequejaivcucommeuneformidable exprience (je pense particulirement ma chre mre qui nest malheureusement plus lpourenvoirlaboutissement).Au-deldescomptencesacquises,cestroisannes mont confort dans ma vision de ce que je veux faire et plus encore de ce que je ne veux pas du tout faire de mon avenir professionnel. Cestunagrableplaisirpourmoidexprimermesremerciementsceuxquimont permisdeffectuercestravauxdethse,jepenseMarcPetitetSophiePlumel avec quijaieulespremierscontactsaudpartementEnergiedeSuplec ;Frdric Dufourd et Rgine Belhomme du dpartement Economie, Fonctionnement et Etudes des Systmes Energtique (EFESE) de EDF R&D. JesuistrsreconnaissantenversJean-Claudevanniermondirecteurdethse,Marc Petit et Philippe Dessante mes co-encadrants pour lappui scientifique, administratif et moral tout au long de ces trois annes. Mes remerciements vont aussi toute lquipe dudpartementEnergiepourlachaleuretlabonneambiancequejyairetrouv chacun de mes sjours. Je tiens galement tmoigner ma gratitude Frdric Dufourd et Laurent Capely qui ontsupervisavecgrandintrtcetravailductEDFR&D.Jaimilleraisonsles remercier,parmilesquellesleurdisponibilit,lesconseilsjudicieux,lesoutientsans faille dont ils mont tmoign. Jen profite pour remercier le dpartement EFESE de EDF R&D et particulirementle groupe Fonctionnement et Raccordement (R12) au sein duquel jai pass la majeur partie la majeur parties des ces trois annes. Jy ai t si bien accueilli et si bien intgr que mon sjour parmi les Rdouziens se prolongera, mon grand plaisir, au-del de la thse.Mes vifs remerciements vont galement aux membres du jury, en particulier Georges Kariniotakis,VladimiroMirandaetJulioUsaolapourleursremarquespertinenteset constructives. Jetiensenfinremerciertouteslespersonnesquideprsoudeloinmontapport leursoutientetleursencouragements,mafamille,monpetitfrreChristiandontla force de caractre ma surpris et rassur dans les moments les plus difficiles, mes amis. Ils ont chacun, leur manire, contribu laboutissement de ce travail. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010 A la mmoire de Landry et Maman. Toutes mes actions sont guides par lobjectif de vous honorer. Maman, tu tais si fire lide davoir un fils qui prpare un Doctorat, La force de continuer, je lai puis dans cette fiert que je lisais dans ton regard,Que jentendais dans tes mots, que je ressentais et que je ressens toujours.tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010T A B L E D E S M A T I E R E Si Table des matires 1Introduction gnrale ............................................... 1 1.1Evolution du systme lectrique .......................................... 1 1.2Description de la problmatique ........................................... 2 1.3Objectif ................................................................................. 4 1.4Organisation du mmoire ..................................................... 4 2Problmatique de linsertion des EnR dans les systmes lectriques ......................................................... 7 2.1Fonctionnement du systme lectrique ................................ 8 2.1.1Le systme lectrique vertical ...................................... 8 2.1.2Le nouveau paradigme ..................................................... 12 2.2Technologies et fonctionnement des EnR .......................... 16 2.2.1Lolien .............................................................................. 16 2.2.2Le photovoltaque ............................................................. 19 2.2.3Conclusion ........................................................................ 23 2.3Impact des EnR sur les systmes lectriques .................... 23 2.3.1Impacts locaux .................................................................. 24 2.3.2Impacts globaux ................................................................ 27 2.3.3Conclusion ........................................................................ 29 2.4Conditions techniques de raccordement ............................ 30 2.4.1Exemple de la France ....................................................... 30 2.4.2Solutions techniques ......................................................... 35 2.5Conclusion ......................................................................... 36 3De la caractrisation probabiliste dun systme lectrique ........................................................................ 37 3.1Elments de probabilits et statistiques ............................. 37 3.1.1Quest ce quune probabilit ? .......................................... 37 3.1.2Distributions de probabilit ............................................... 38 3.1.3Conclusion ........................................................................ 43 3.2Modle probabiliste dun systme lectrique ..................... 43 3.2.1Modle gnral ................................................................. 43 3.2.2Caractrisation des alas ................................................. 45 3.2.3Modlisation probabiliste de la production dnergie renouvelable ................................................................................. 55 3.2.4Conclusion ........................................................................ 69 3.3Corrlation et dpendance des alas ................................. 70 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010T A B L E D E S M A T I E R E Sii 3.3.1Types de dpendances entre variables du systme lectrique ...................................................................................... 70 3.3.2Notions dindpendance de variables alatoires .............. 71 3.3.3Corrlation linaire simple ................................................ 72 3.3.4Corrlation linaire multiple .............................................. 73 3.3.5Corrlation de rang (tau de Kendall) et copules ............... 75 3.4Quels modles pour quelles tudes ? ................................ 75 3.4.1Les sries temporelles ...................................................... 76 3.4.2Les distributions de probabilits ....................................... 78 3.5Conclusion ......................................................................... 81 4Etudes dimpact des EnR sur les systmes lectriques : mthodologies ............................................. 83 4.1Etat de lart des tudes de rseaux .................................... 84 4.1.1Fiabilit, scurit et stabilit des systmes lectriques .... 84 4.1.2Analyse des systmes ...................................................... 86 4.1.3Du dterministe au probabiliste ............................ 90 4.1.4Conclusion ........................................................................ 96 4.2Etat de lart des tudes dimpact dEnR dans les systmes lectriques Franais ...................................................... 96 4.2.1Etudes de raccordement en rseau de transport (RTE, 2009)96 4.2.2Etudes de raccordement en rseau de distribution (ERDF, 2009)97 4.2.3Etudes dintgration .......................................................... 98 4.2.4Conclusion ........................................................................ 99 4.3Etudes probabilistes dimpact des EnR sur les rseaux ..... 99 4.3.1Etudes dinsertion ............................................................. 99 4.3.2Etudes de raccordement ................................................. 110 4.4Comparaison mthodes dterministes et probabilistes .... 112 4.5Conclusion ....................................................................... 112 5Mthodes probabilistes : applications et apports .. 115 5.1Prsentation des outils ..................................................... 115 5.1.1ASSESS.......................................................................... 115 5.1.2TROPIC .......................................................................... 116 5.1.3EUROSTAG .................................................................... 117 5.2Etude de raccordement .................................................... 117 5.2.1Objectif de ltude ........................................................... 117 5.2.2Le systme...................................................................... 117 5.2.3Approche dterministe .................................................... 119 5.2.4Approche probabiliste ..................................................... 120 5.2.5Conclusion ...................................................................... 126 5.3Etude dintgration ........................................................... 127 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010T A B L E D E S M A T I E R E Siii 5.3.1Objectif de ltude ........................................................... 127 5.3.2Le systme et hypothses dtude ................................. 127 5.3.3Approche dterministe .................................................... 130 5.3.4Approche probabiliste ..................................................... 132 5.4Conclusion ....................................................................... 144 6Conclusion gnrale et perspectives .................... 147 6.1Conclusions ..................................................................... 147 6.2Perspectives .................................................................... 149 7Bibliographie ........................................................ 151 8Publications .......................................................... 157 9Annexes ............................................................... 159 9.1Annexe A : thorie du calcul de rpartition de puissance .................................................................................... 159 9.1.1Modlisation des constituants du rseau ....................... 159 9.1.2Formulation du problme de load flow ........................... 162 9.1.3Rsolution du problme de load flow ............................. 164 9.2Annexe B : Donnes de simulation .................................. 171 9.2.1Rseau de distribution .................................................... 171 9.2.2Rseau de type insulaire ................................................ 174 9.3Annexe C : Codes de calcul MATLAB .............................. 176 9.3.1Modle production conventionnelle ................................ 176 9.3.2Modle de la production olienne ................................... 177 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010T A B L E D E S M A T I E R E Siv tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 11 1Introduction gnrale e contexte politique, conomique et nergtique europen est actuellement favorableuneinsertionimportantedesnergiesrenouvelables(EnR) dans les rseaux lectriques. Laccroissementdelaproductiondnergierenouvelableetladrglementation desmarchsdellectricitfontnatre,dansledomainedelagestionetde lexploitation des rseaux, des problmes scientifiques et techniques nouveaux. Ces problmessontinduitsparlinsertiondenouvellessourcesdnergiedansles systmeslectriques,nonconusprioripourlesaccueillir.Lunedes consquences de cette arrive massive de nouvelles nergies est la modification de la structure des rseaux qui passera dune structure hirarchique avec des moyens deproductionconventionnelsdegrandetailleetcentralissunestructure horizontale avec de la production dcentralise (notamment renouvelable) dans les rseaux de distribution. 1.1Evolution du systme lectrique Le nouveau systme lectrique est constitu de moyens de production conventionnels (thermique,nuclaire,hydraulique),demoyensdeproductionnonconventionnels (microturbines,cognration,pilecombustible,gothermie,biomasse,petite hydraulique, olien et photovoltaque), des rseaux de transport et de distribution. En2004lesnergiesfossiles(ptrole,gaz)reprsentaient65,8%delaproduction mondialedlectricitetlenuclaire15,8%(Figure1.1).Lesmoyensdeproduction conventionnels(centralesthermiquesetnuclaires)sontadaptsaufonctionnement dessystmeslectriquepuisqueleursproductionestcontrlablemaisilsutilisentles nergiesquiprsententplusieursinconvnientslisauxconsidrations environnementales :rserves limites,missions de gaz effet de serre, traitement des dchets (notamment nuclaires). Chapitre 1 L tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 12Cesconsidrationsenvironnementalesontenpartiedictlvolutiondessystmes lectriquesversuneintgrationmassivesdesmoyensdeproductionnon conventionnels et particulirement de lolien et du photovoltaque qui feront lobjet de notretravail.Lapartdnergierenouvelablehorshydrauliquedanslaproduction mondialeestpassede1,1%en2000(Papaefthymiou,2006)plusde2%en2004 (Figure 1.1). Figure 1.1 Rpartition par source de la production mondiale en 2004 (Observ'ER, 2005) Lacaractristiquefondamentaledelaproductionrenouvelableestsadpendance auxconditionsclimatiques(leventpourlesfermesoliennesetlensoleillement pourlesfermesphotovoltaques).Lexploitantdusystmelectriqueadoncun pouvoirdecontrlelimitsurlaquantitdlectricitensortiedesunitsde productiondnergierenouvelable.Plusieurstudesmontrentquecesnergies primaires(ventetensoleillement)ontuncomportementfluctuant.Ce comportementpeuttrecaractrispardesvariablesalatoirestraduisantles variations sur une priode donne. Il en est de mme de la puissance produite par les fermes oliennes et photovoltaques. Plusieursparamtresdusystmelectriqueontgalementuncomportement stochastique(disponibilitdesmoyensdeproductionconventionnelle,des ouvragesderseau,lademande).Ainsilapuissanceproduiteparlesmoyens conventionnels peut tre modlise par une variable alatoire qui tient compte de ladisponibilitdesgroupesdeproduction.Ilestdonclgitimedepenserquune modlisationprobabilistedusystmelectriqueseraitadquatepourcaractriser son fonctionnement. Et, par consquent, que lanalyse des systmes lectriques par les mthodes probabilistes serait particulirement approprie. 1.2Description de la problmatique Linsertionduneinstallationolienneouphotovoltaquesurunrseaulectrique (detransportoudedistribution)peutentranerdescontrainteslies diffrents aspects tels que : tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 13courants en rgime permanent et congestion de rseaux, plan de tension, courants de court-circuit, plan de protection, comportementdynamiqueetcontributionauxservicesderglagede tension et frquence, stabilitdesfermesoliennes,photovoltaquesetdurseaulorsde dfauts, qualit de la tension, etc. La ralisation dtudes dimpact des nergies renouvelables sur les rseaux est donc ncessairepouranalysercescontraintes,anticiperlesproblmeslisau dveloppement futur de ces nergies et rechercher des solutions appropries. Ces tudesreposentenparticuliersurlamodlisationdesunitsdeproduction dlectricit dorigine renouvelable.Lespremirestudesdinsertiondolienoudephotovoltaquedanslessystmes lectriques ont t ralises laide de mthodes dterministes ; ceciprincipalement causedelabsencedemodlisationprobabilisteapproprieetdelimportance, initialement,relativementrduitedecesunitsdeproductiondansleparcde production.Cesanalysesdterministessappuientsurl'examend'unnombrerestreint desituationsconsidresprioricommeproblmatiques( lespirescas )pour lesquelles on vrifie la tenue du systme lectrique. On fait l'hypothse implicite que les autres situations pouvant se produire sont moins contraignantes. Lapprocheprobabilisteestuneautrefaondaborderleproblme.Dansson principe,ellerevientconsidrertouslescaspossiblesavecleurprobabilit doccurrenceafindestimerlerisquedenepasrespecterunecontraintedu systme.Lesconsquencesdunonrespectdelacontrainteserontbiensr mettre en regard de leur gravit ou svrit pour le systme. Le gestionnaire de rseau devra au pralable tablir une politique de risque.L'approcheprobabilistedevraitainsipermettrede balayer lensembledes configurations(oucas)possiblesentenantcomptedesalaslislaproduction renouvelable,ladisponibilitdesunitsconventionnellesetdeslignes,la demande et donc de cerner plus finement les risques encourus avec le niveau de svritetlaprobabilit doccurrencedessituationscontraignantes.Lobjectifest alorsderechercherdessolutionsnouvellestechniquementetconomiquement viables tout en garantissant la scurit des personnes et des biens. Biensr,enplusdunemodlisationprobabilistedusystmelectrique, lutilisationdecetypedapprocherequiert ledveloppementdunenouvelle mthodologiepourlestudesdinsertionetlutilisationdoutilsappropris. Dautrepart,limplmentationdessolutionsnouvellesauxquellesellespourraient conduire devra probablement sappuyer sur des moyens volus de conduite et de tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 14contrledesfermesetdesrseauxetpourraitncessiterunevolutionducadre rglementaire et contractuel. 1.3ObjectifDufaitdelarrivemassivedesnergiesrenouvelablestouslesniveauxdurseau (transportetdistribution),cedernierestenpleinemutationdesastructureverticale traditionnelleunestructurehorizontale.Lanalysedessystmeslectriquesdansce contexterequiertlapriseencomptedesdiffrentsalasinduitsparlesnouveaux moyensdeproductionetparlesautreslmentsdusystme.Cettethseapour objectifdecontribuerlvaluationdelapportdelapplicationdesmthodes probabilistesauxtudesdimpactdelolienetduphotovoltaquesurlessystmes lectriquesparrapportauxmthodesdterministes.Cetapportvatrevaluen particulier pour les tudes dimpact long terme (type planification). La ralisation de cet objectif principal sest dcline en trois tapes : Modlisation probabiliste du systme lectrique : il sest agit ici de caractriser la variation deplusieurs paramtres du systme par des variables alatoires, de dvelopperdesmthodesdecalculdesdistributionsdeprobabilitdeces variablesalatoiresetdanalyserlesdpendancesoucorrlationsventuelles entre elles. Dveloppement de mthodes probabilistes pour les tudes de raccordement et dintgration des nergies renouvelables dans les systmes lectriques : -lestudesderaccordementconcernentlanalysedelimpactdune ferme olienne ou photovoltaque raccorde au rseau de distribution ; -lestudesdintgrationconcernentlanalysedelimpactdunparc dolien et de photovoltaque sur un systme maill. Etudes de cas et comparaisons des mthodes probabilistes et dterministes. Les tudes abordes dans cette thse sont des analyses des diffrents tats permanents dun systme lectrique sur une priode donne. Nous ne nous intresserons pas la dynamique lente du systme. Les mthodes dtudes dynamiques exposes concernent lanalyse de la raction du systme un dfaut. Les diffrent tats initiaux tant les tous les tats stables possibles du systme sur la priode de ltude. Ce travail sinscrit dans un partenariat entre Supelec et EDF avec pour but de proposer EDFdesmthodesprobabilistesalternativesauxmthodesdterministesutilises pour les tudes dimpact des nergies renouvelables sur les systmes lectriques. 1.4Organisation du mmoire Ce mmoire de thse est organis en 6 chapitres : Le chapitre 1 est une introduction gnrale o la problmatique de la thse et les objectifs sont prsents. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 15Lechapitre2prsentelessystmeslectriquesetleurfonctionnement,les technologiesdnergiesoliennesetphotovoltaquessontensuitedcrites ; vientensuitelesujetcentralduchapitresavoir :laquestiondelimpactde lolienetduphotovoltaqueetenfinlesconditionstechniquesde raccordementdesnergiesrenouvelablesdanslesrseauxfranaissont prsentes. Lechapitre3commenceparquelquesrappelsdenotionsdeprobabilitset statistiques.Lasuiteestuneprsentationdesmthodesdveloppespourla caractrisation probabiliste du systme lectrique. Chaque lment du systme ayant un comportement variable est ainsi modlis par une loi de probabilit. Cesdiffrentesloisdeprobabilitetlastructurededpendanceentreelles forment le modle probabiliste du systme lectrique. Le chapitre 4 prsente les mthodes dveloppes pour les tudes dimpact de lolienetduphotovoltaquesurlessystmeslectriquesenstatiqueeten dynamique. Il commence par un tat de lart des tudes de rseau, vient ensuite unedescriptiondestudesdimpactdEnRtellesquellessontralises actuellement par les gestionnaires de rseaux franais, ensuite sont exposes les mthodes probabilistes dveloppes durant ce travail de recherche et enfin les critres de comparaison entre les deux approches sont donns. Le chapitre 5 prsente lapplication des mthodes probabilistes pour les tudes en statique deux cas dtude : -le raccordement dune ferme olienne un rseau de distribution, -lintgration dun parc dolien et photovoltaque un rseau maill de type insulaire. Pourchaquecasdtude,lesapprochesdterministeetprobabilistesont appliques et les rsultats sont compars. Le chapitre 6 conclu le travail et propose des perspectives de futurs travaux de recherche. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 16 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 27 2Problmatique de linsertion des EnR dans les systmes lectriques Lintgration des units de production base dnergie renouvelable pose des problmes nouveaux aux gestionnaires de rseaux. esunits de production base dnergie renouvelable (EnR), mises part lescentraleshydrauliques,taient,audbutdeleurdveloppement,en majoritdepetitestaille.Cesunitsontdoncdabordtraccordesaux rseaux de distribution do le terme production dcentralise qui qualifie toute source dnergie raccorde directement au rseau de distribution ou aprs le compteurctconsommateur(Ackermann,etal.,2001)souventemploypour les dsigner. Au fur et mesure que les technologies se dveloppent, les units de production dEnR deviennent plus grosses et par consquent sont connectes aux niveaux de tension plus levs (rseau de transport). Cette arrive de la production touslesniveauxestunchallengelafoisnouveauetimportantpourles gestionnaires de rseaux. Ces derniers exploitent un systme qui a t conu pour des flux de puissance unidirectionnels allant des centrales de production jusquaux consommateurs en passant dabord par le rseau transport et ensuite par le rseau de distribution. En plus de circuler dans un sens, llectricit provient de centrales conventionnelles dont on maitrise et contrle la production. Larrive des EnR, en particulier sur les rseaux de distribution, change la situation (production variable, possible inversion de flux depuissance dans leslignes) et peut gnrerun certain nombredeproblmesetdecontraintesdontilfautlimiterleseffets.Ces problmesetcontraintesontconduitladfinitionderglesoudeconditions techniques de raccordement de la production dEnR sur les rseaux. Chapitre 2 L tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 282.1Fonctionnement du systme lectrique Lesystmelectriqueestunensembledinstallationslectriquementconnectesqui assure,vialerseau,letransfertdelnergielectrique,desproducteursaux consommateurs. Cette nergie peut tre produite partir de sources aussi varies que lhydraulique, les combustibles fossiles, la fission nuclaire, le vent, le soleil. Le stockage grandechelledelnergielectriquesousformeimmdiatementdisponiblenest, actuellement,paspossibledansdesconditionsconomiquessatisfaisantes.Le problmemajeurdelexploitantdusystmeestdoncdemaintenirenpermanence, lquilibreentreloffredisponibleetlademandepotentielle,tantentenduque lquilibreinstantanentreproductionetconsommationestuneconditionncessaire au fonctionnement du systme production-transport-consommation. Lexploitation du systme repose donc sur ladaptation permanente de la production aux fluctuations de lademande,danslerespectdescontraintesliesaurseau.Engnralondistingue trois fonctions principales du systme lectrique : Laproduction :elleestassureparlescentraleslectriquesquiconvertissent lnergie primaire en lectricit. Le transport : il est assur par un rseau de lignes et cbles qui assurent la mise en communet la rpartition surun grand territoire de toute llectricit qui y est produite. La distribution : Il sagit de rseaux intermdiaires qui desservent les millions de consommateurs,industrielsoudomestiques,quiontbesoindepetites puissances. 2.1.1Le systme lectrique vertical Le schma fonctionnel traditionnel des systmes lectriques repose sur le fait que ces dernierstaientjusqulafindesannes90exploitspardescompagnies monopolistique, verticalement intgres, assurant la fois la production dlectricit et son transport et souvent aussi sa distribution. Lintgration verticale de ces compagnies, souventtatiques,estduedunepartlimportanceconomiqueetsocialede llectricit, dautre part la nature fortement capitalistique des moyens de production et des rseaux lectriques. AucoursduXXesicle,lvolutiondessystmeslectriquesatbasesurune structure verticale danslaquellelnergielectriquetaitproduiteparunnombre rduit de centrales de grande taille. Le choix des sites de production tait dict par la disponibilitdesressourcesnergtiquesouparlesfacilitsdacheminementdes ressources aux dits sites. Cette stratgie conduit une concentration des moyens de production sur des sites relativement loigns des zones de consommation. Dans cette configuration,lnergielectriqueesttransportedeszonesdeproductionversles multiples zones de consommation par le biais dune structure hirarchique (Figure 2.1). Letransportsefaitdanslesensdeshautestensions(rseauxdetransportetde rpartition) vers les basses tensions (rseaux de distribution). tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 29 Figure 2.1 Structure vertical du systme lectrique Centrale lectrique Rseau de transport Flux lectrique Poste source THT/HTA ou HTB/HTA Flux lectrique Flux lectrique Rseau de distribution HTA Rseau de distribution BT Transformateur HTA/BT Consommateur Sens dcoulement de la puissance active Niveaux de tension : HTB (400, 225, 90, 63 kV) Niveaux de tension : HTA (20 kV) Niveaux de tension : BT (400 /230 V) tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 2102. 1. 1. 1Le r s eaudet r ans por tLa fonction premire des grands rseaux de transport est dassurer la liaison entre les centresdeproductionetlesgrandeszonesdeconsommation.Ilspermettent dacheminer, l oelle est consomme, lnergie la moins chre possible un instant donn.Parailleurs,lemaillagedurseau(Figure2.2)contribuelascurit dalimentation et permet de faire face, dans des conditions conomiques satisfaisantes, auxalaslocauxouconjoncturels(indisponibilitdouvrage,aladeconsommation, incident) qui peuvent affecter lexploitation. Figure 2.2 Structure maille dun rseau de transport EnFrancele Transport correspondentermesdeniveauxdetension laHTB (Haute Tension B) qui se dcompose en trois niveaux : HTB3 (400 kV),HTB2 (225 kV)etHTB1(150kV,90kVet63kV).Cesplagesdetensionsontlersultatdun compromis entre le cot dinvestissement, le cot dexploitation et le service rendu. 2. 1. 1. 2Le r s eaudedi s t r i but i on LadistributioncouvrehistoriquementenFrancelesrseauxmoyennetension,dits HTA(HauteTensionA :20kV),etlesrseauxbassetension,BT(400V).La frontireaveclesrseauxdetransportsesituedanslespostessourcesauniveaudu transformateur HTB/HTA. La frontire avec les consommateurs se situe en gnral au niveaudelappareildecoupureenavalducomptage,parexempleenavaldu disjoncteur BT chez un consommateur rsidentiel. Les rseaux de distribution sont arborescents, non maills (Figure 2.3). Cela signifie que tout point desservi nest, chaque instant, aliment que par un seul chemin lectrique, venant dun poste source, passant successivement dans un rseau HTA, dans un poste de distribution HTA/BT puis dans un rseau BT. HTB/HTA Gnrateur tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 211 Figure 2.3 Structure arborescente dun rseau de distribution 2. 1. 1. 3La pr oduct i onconvent i onnel l e Vuducentredeconduite,unmoyendeproductionvasecaractriserpar(Bornard, 2000) : son dimensionnement gnral ;il sagit essentiellement de : -sa puissance nominale ; -son domaine de fonctionnement en tension et frquence ; -son apport maximal au courant de court-circuit ; -lapuissanceminimalequilpeutproduireencontinu(minimum technique) ; -ses possibilits de surcharges temporaires ; sa flexibilit ; elle comprend deux aspects : - son aptitude adapter sa production de puissance active la demande, demanirefairefaceundsquilibreentrelaproduction programmeetlademanderelle.Parmilescaractristiques,onva trouverletempsdedmarrage,laptitudeparticiperaurglage primaireetsecondairefrquence-puissance,lacapacitde modulation (vitessedevariationdepuissancepossible,amplitude de variation, limitations ventuelles vis--visde variations successives, aptitude la baisse durgence). -Sonaptitudeadaptersaproductiondepuissanceractivela demande ;eneffetlesgroupesdeproductionjouentunrle fondamentaldanslerglagedelatensionsurlesrseaux.Ils permettent de maintenir une valeur de consigne la tension au nud HTB/HTA HTA/BT tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 212o ils sont raccords, dans la limite de leurs capacits de fourniture ou dabsorption de la puissance ractive. son comportement lors des situations perturbes, par exemple :-son aptitude fonctionner aprs un creux de tension important,-sa capacit se dcoupler du rseau tout en continuant alimenter ses auxiliaires,-ses performances en fonctionnement sur un rseau rduit. Les caractristiques prcites sont importantes pour le gestionnaire du rseau car delles dpendlaconduitedusystme. Eneffet,lesdiffrentstypesdecentralesoffrentdes souplesses et des contraintes diverses selon lnergie primaire quelles utilisent et selon leurs caractristiques constructives. Danslastructureverticale,leparcdeproductiondunsystmelectriqueestsurtout constitudegrossesunitsdeproductiondutypecentralesnuclaires,thermiques flamme, hydrolectriques. A la fin du XXe, il a t remarqu une augmentation notoire delapartdunitsdeproductiondepetitestaillesraccordesauxrseaux.Cette volutionsestmanifestedansunpremiertempsaveclespetitescentrales hydrolectriques,lescyclescombinsgaz,lescognrateursetdansundeuxime temps avec les nouvelles nergies renouvelables telles que le solaire photovoltaque et les oliennes. Ces petites units ont en commun leur manque de flexibilit. 2.1.2Le nouveau paradigme Le dveloppement, en marge des moyens conventionnels de production, dun nombre important de petites units de production de type olien, solaire, hydraulique, ou mme thermique sous forme de cognration, se traduit dans les rseaux de distribution par une circulation bidirectionnelle de lnergie ainsi produite. A ce phnomne se rajoute le fait que, notamment pour les productions olienne etphotovoltaque, lnergiene seradisponiblequedefaonintermittente ;cedernieraspectimpactelesystme lectrique tout entier. La circulation bidirectionnelle de lnergie et lintermittence de la production des nouvelles units ncessitent une adaptation de la gestion des systmes lectriques pour en maintenir le niveau de scurit. Lamiseenuvredunouveauparadigmequiintgrelesproductionsdnergies renouvelablesdegrandetaille(connectesenrseaudetransport)oudcentralises (connectesenrseaudedistribution)aucontexteconomique(drgulationdes marchs de lnergie et mergence de producteurs indpendants) va conduire, pour les systmeslectriques,unnouveauschmadefonctionnementquiviendra progressivement se substituer au schma de la Figure 2.1. Ce nouveau schma (Figure 2.4) se caractrise surtout par lapparition dans les rseaux de distribution de nouveaux moyensdeproduction(souventdautoproduction)ditsnonconventionnels.En France, le niveau de tension du point de raccordement dune installation de production est rglement. Ainsi, toutes les units de production de puissance installe infrieure 17 MW sont raccordes en rseau de distribution (Arrt du 23 Avril, 2008).tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 213 Figure 2.4Nouveau schma fonctionnel du systme lectrique 2. 1. 2. 1Pr oduct i onnon conv ent i onnel l e Les conditions conomiques engendres par le nouveau contexte rglementaire incitent les consommateurs importants chercher des solutions pour faire face aux fluctuations tarifairesissuesdeladrgulation.Unedessolutionsestdesquiperdemoyensde productionalternatifslaproductionconventionnelle.Ilsagitengnraldepetites units de production (< 17 MW) raccordes au rseau de distribution dont le rle est de moduler la puissance importe par le consommateur. Ce dernier pourra mme, dans le cas dnergies renouvelables, profiter des diffrents tarifs de rachat en exportant cette productionaurseaulectrique.Notonsquecesincitationsconomiques(tarifsde rachat)favorisentledveloppementetleraccordementaurseaudesunitsde production dnergie renouvelable (Figure 2.4). Lesunitsdeproductionalternativesquenousappelonsproductionnon conventionnelle regroupent les moyens de production dnergie renouvelables comme lolien, le solaire photovoltaque, la gothermie, lnergie marine, la biomasse et dautre technologiescommelacognration,lesmicro-turbinesgazouaufuel.Le dveloppementdelaproductionnonconventionnellereposesurlamatrisedes Rseau de transport Rseau de distribution Rseau de distribution Rseau de distribution Stockage Domestique sans autoproduction Domestique avec autoproduction (cognration, PV) Unit locale de cognration Rsidentiel tertiaire Industrie tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 214techniquesdlectroniquedepuissance.Cequisuitestunebrveprsentationdes moyens de production non conventionnels. 2.1.2.1.1Micro-turbines Dunepuissanceallantde25500kW,ellessontconstituesdunalternateur (gnrateur)intgrtrsgrandevitessederotation(50 000120 000tourspar minutes). Le courant produit a donc une frquence trs leve, de lordre de 10 kHz ; dolancessitdurecoursdesconvertisseurslectroniquedepuissancepour interfacer ce type de gnrateurs aux rseaux lectriques classiques. Lamajoritdesmicro-turbinesutiliselegazcommecombustible(Papaefthymiou, 2006).Cecicontribueamliorerlebilancologiquedecetypedetechnologiepar rapportlutilisationdufuel.Lutilisation,possibleet,grandissante,descombustibles dorigine renouvelable comme lthanol va dans le mme sens. 2.1.2.1.2La cognration La cognration dsigne la production simultane dlectricit et de chaleur. Au dbut des annes 2000 ils reprsentaient la majorit des moyens de production dcentralise surlesrseauxdedistributions(Jenkins,etal.,2000).Lesunitsdecognration utilisentengnrallesnergiesfossiles(fuel,gaz).Leprincipeestdercuprerla chaleur rsultant de la transformation de lnergie primaire en lectricit et de lutiliser pourdesusagestelsquelechauffageindividueloucollectifouencoreleauchaude. Bien souvent pour de petites installations, la production de chaleur est prpondrante, relguantllectricitaurangdeproduitdrivservantlautoalimentationdes auxiliairesdelinstallation. Avecleprocessusdeproductionsimultanedlectricitet de chaleur, le rendement global dune installation de cognration peut atteindre 85% (Papaefthymiou,2006).Depluslesunitsdecognrationpermettentderduirede35% la consommation dnergie primaire par rapport aux simples turbines thermiques (Jenkins, et al., 2000). 2.1.2.1.3La gothermie Le principe de la gothermie consiste capter la chaleur de la crote terrestre pour le chauffage (temprature infrieure 90) ou pour produire de llectricit (temprature comprise entre 90 et 150). Les centrales gothermiques convertissent cette chaleur en la captant et en la ramenant la surface de la terre par le biais dun fluide caloporteur quipeuttredeleaupuisentransformantlnergiecontenuedanslefluideen lectricit. Lnergiegothermiqueestsouventconsidrecommeuneformednergie renouvelable. Il convient de nuancer cette opinion car la chaleur extraite du sol ne se renouvellepas ;laquantitdechaleurcontenuedanslesolduneinstallation gothermiquediminuedoncirrversiblement.Lapriodeproductivedunsolest estime entre 10 et 100 ans, suivant le taux dextraction (Sheth, et al., 2004). 2.1.2.1.4La pile combustible Comme une batterie, la pile combustible produit du courant lectrique partir dune raction chimique. La fabrication dlectricit se fait grce loxydation dune lectrode du combustible rducteur (par exemple le dihydrogne) coupl la rduction sur lautre lectrode dun oxydant tel que le dioxygne de lair. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 215Lespilescombustibleontunrendementtrslev,jusqu80%(Papaefthymiou, 2006). Lorsque lhydrogne est utilis comme combustible, le fonctionnement de la pile ne produit que de leau pure, elle est donc particulirement cologique. 2.1.2.1.5La biomasse La biomasse est la premire source dnergie renouvelable en Francedevant lnergie hydraulique,olienneetgothermique.Lesressourcesenbiomassepeuventtre classes en plusieurs catgories : le bois, les sous produits du bois (branchages, corces, sciures,plaquettes),certainssousproduitsdelindustrie(bouesissuesdepattes papier,dchetsdesindustriesagroalimentaires),lesproduitsissusdelagriculture traditionnelle (pailles, bagasse, produits issus de plantations vocation nergtique) et les dchets organiques. Enpratique,laressourceenbiomasseestconvertiesousformednergiethermique, liquide, solide ou sous forme gazeuse et autres produits chimiques par divers processus de transformation. Ces diffrentes formes sont ensuite transformes en lectricit. 2.1.2.1.6La petite hydraulique Leprincipedeproductiondnergiehydrauliqueconsistecapterlaforcemotrice (nergie mcanique) des cours ou des chutes deau et la transformer en lectricit. On distinguelapetitehydrauliquedelagrandehydraulique.Lesinstallationsdepetite hydraulique sont principalement des usines au fil de leau (sans rservoirs deau) dune puissance infrieure 10 kW.Lintgrationetlexploitationdepetitescentraleshydrauliquesdansunrseaude distribution sont parfaitement matrises depuis plusieurs annes (Jenkins, et al., 2000), malgrlefaitque,cesinstallations,souventaufildeleau,peuventavoirune production trs variable (cours deau dbits variables) lie la disponibilit de leau. La puissance produite par une turbine hydraulique est donne par lexpression (Jenkins, et al., 2000): 2.1 o : P est la puissance produite (W), Q est le dbit du cours deau (m3/s), H est la hauteur de chute deau (m), est le rendement de la turbine, est la densit de leau (1000 kg/m3), g est la constante gravitationnelle. H,,etg,sontdesparamtresconstants.Lapuissanceproduiteparuneturbine hydraulique est donc directement proportionnelle au dbit Q du cours deau. Elle peut parconsquent,enlabsencedecapacitderservesignificative,tresujettedes variations lies celles du dbit. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 2162.1.2.1.7Lolien et le photovoltaque Cesontlesdeuxformesdnergierenouvelablequiconnaissentlesplusfortes progressions (Tableau 2.1) de nos jours en particulier pour la production dlectricit. Ellesontaussiencommunladpendancedessourcesdnergiequibien quinpuisablessonttrsvariablesetnoncontrlables.Cescaractristiquesfontde lintgrationdecesdeuxformesdnergierenouvelablequenousdsigneronspar EnRdanslasuitedecedocumentdanslessystmeslectriquesunchallenge relativement nouveau pour les gestionnaires. Tableau 2.1 Evolution en MW installs de de la production dnergie renouvelable en France biogaz, biomassecognrationdchet mnagersEolienPhotovoltaqueHydro 200565728265316621,6n.c. 20069062769578156751273 20077512246421233611,51347 20087462215445314047,71371 Laprochainepartieseraconsacreunedescriptiondtailledecesdeuxformes dEnR. Il sera notamment prsent le processus de conversion dans le but de souligner la variabilit de la production en fonction de lnergie primaire. 2.2Technologies et fonctionnement des EnR 2.2.1Lolien Lesquestionsrelativesauxtechnologiesetaufonctionnementdesturbinesoliennes sontlargementtraitesdanslalittrature(Heier,2006),(Polinder,etal.,2001), (Slootweg,etal.,2001),(Karki,etal.,2006).Danscettepartieserontprsenteslestrois grandes technologies doliennes les plus courantes sur le march des turbines. La questiondelargulationdelapuissancegnreseratraiteenprambulela caractrisation probabiliste de cette dernire dans le chapitre 3. 2. 2. 1. 1Conv er s i ond ner gi e Le principe de fonctionnement dune turbine olienne est de capter lnergie cintique du vent dans le but de produire de llectricit (Figure 2.5). La conversion de lnergie cintique en nergie lectrique se fait en deux tapes (Laverdure, 2005): Au niveau de la turbine (rotor), qui extrait une partie de lnergie cintique du vent disponible pour la convertir en nergie mcanique. Auniveaudelagnratrice,quireoitlnergiemcaniqueetlaconvertit ensuite en nergie lectrique, transmise au rseau lectrique. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 217 Figure 2.5 Principe gnral de fonctionnement dune turbine olienne Malgrunprincipegnraldefonctionnementtrssimple,laturbine olienne estun systmecomplexefaisant appel desconnaissancesdarodynamique,demcanique, de gnie civil, dlectricit et dautomatique. 2. 2. 1. 2La car act r i s t i quev ent - pui ss ance Lapuissanceduventdisponiblelasurfacebalayeparlespalesdelaturbine sexprime en fonction de la vitesse du vent :12 2.2 avec : : densit volumique de lair (kg/m3), S : surface balaye par les pales (m2), v : vitesse moyenne du vent travers la surface S (m/s). La puissance du ventne peut pas tre rcupre entirement par lhlice (Thorie de Betz :lapuissancercuprablenedpassepas6070%delavaleurmaximale).La puissance capte par la turbine peut sexprimer en fonction de la puissance disponible en introduisant un facteur dpendant des conditions arodynamiques des pales. 12, 2.3 avec :Cp :coefficientdepuissance ;ilcaractrisel'aptitudedelarognrateur capter de l'nergie olienne. Daprs la thorie de Betz sa valeur maximale est de 0,593. : angle de calage des pales. : rapport de vitesse entre la vitesse en bout de pale et la vitesse du vent ; o : T est la vitesse de rotation de lolienne (rad/s) ; Energie cintique Energie mcanique RotorGnratrice Energie lectrique Connexion au rseau Vent Rseau tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 218RT est le rayon de la turbine (m). Lersultatimportantestquecettepuissanceoliennevarieaveclecubedela vitesseduvent.Uneturbineolienneestdimensionnepourdveloppersurson arbreunepuissancednommepuissancenominalePNobtenuepartird'une vitesse du vent VN (vitesse nominale).A cot de la vitesse nominale VN, on spcifie aussi : lavitessededmarrage,VD,partirdelaquellel'oliennecommence fournir de l'nergie, la vitesse maximale du vent, VM, pour laquelle la turbine ne convertit plus l'nergie olienne, pour des raisons de sret de fonctionnement. LesvitessesVD,VNetVMdfinissentquatrezonessurlediagrammedela puissance utile en fonction de la vitesse du vent. Figure 2.6 Caractristique vent-puissance des oliennes LorsquelavitesseduventestsuprieureVN,pourviterladestruction mcanique et/ou la surcharge des convertisseurs, la turbine olienne doit modifier ses paramtres arodynamiques afin de rduire la puissance capte PT. Cela permet degarderlavitessederotationdurotorpratiquementconstanteetdansles limitesacceptables.Lecontrledelapuissancecapteparlaturbinesefaiten jouantsurcoefficientdepuissanceCp.Ilexistedeuxmthodesdergulation :la rgulation par dcrochage arodynamique (stall control) et la rgulation par angle de calage variable (pitch control). Largulationpardcrochagearodynamiqueestlasolutionlaplusrobustecar cestlaformedespalesquiconduitunepertedeportanceau-deldunecertaine vitesse de vent, mais la courbe de puissance chute plus vite (Figure 2.6 courbe en traits interrompus). Il sagit donc dune solution passive.Cesystmeprsentelavantagedtresimpleetrobuste carilnefaitinterveniraucun systme mcanique ou lectrique auxiliaire. Par contre la puissance capte par la turbine PN VD VN VM Dcrochage arodynamique Angle de calage variable Puissance Vitesse du vent tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 219est seulement fonction de la vitesse du vent et de la vitesse de rotation. Il ny a donc aucune possibilit dadaptation. Dans le cas de la rgulation par angle de calage variable, on utilise des actionneurs hydrauliques ou lectriques, pour modifier langle de calage des pales par rotation de celles-ci. Ce systme permet l'augmentation de l'angle de calage de quelques dizaines de degrs(2030gnralement).Lesforcesarodynamiques(portanceettrane) s'exerantsurlespalessontalorsrduites.Ainsi,lecoupledelaturbinepeuttre maintenu pratiquement constant et la puissance peut tre limite sa valeur nominale, voire annule par la mise en drapeau des pales (angle de calage de 90). Leprincipalavantagedecetypedergulationrsidedanslefaitquelecontrlede langle de calage permet de rduire considrablement les efforts sur toute la mcanique de la turbine (pales, tour). De pluslexcdant de puissance vitesse de vent leve peut tre stocke dans linertie du rotor par variation de vitesse. Par contre la prsence dactionneurs ncessite de lnergie pour leur fonctionnement et augmente les risques de pannes. Danslestrsgrandesmachines,unsystmehybridesedveloppe,lestallactif danslequelledcrochagearodynamiqueestobtenuprogressivementgrceune orientationminimedespalesncessitantdesmoyensderglageplusconomiqueset plus robustes que dans le systme pitch control (angle de calage). 2. 2. 1. 3Technol og i es del ol i en Les technologies oliennes sont classes en fonction de deux critres principaux : la mthode de rgulation utilise au niveau de la turbine : -la rgulation par dcrochage arodynamique des pales ; -la rgulation par angle de calage variable ; lanaturedelamachineutilisepourtransformerlnergiemcaniqueen nergie lectrique et la transmettre au rseau : -Machines asynchrones cage ; -Machines asynchrones double alimentation ; -Machines synchrones. Ondistinguetroisgrandestechnologies :lesoliennesvitessefixebasessurla machine asynchrone cage, les oliennes vitesse variable bases soit sur la machine asynchrone double alimentation soit sur la machine synchrone (Slootweg, 2005). 2.2.2Le photovoltaque Le solaire photovoltaque conversion directe de la lumire du soleil en lectricit estunetechnologielargementutilisepourlesapplicationsensystmesisols(sites loignsdesrseauxdedistributionclassique).Latendanceadabordtpourlies pionnierssonutilisationcommeproductionautonomecomplmentaireen rsidentiel mais de nos jours, grce aux tarifs de rachat prfrentiels, la tendance est sonutilisationaussibienpetitequgrandechelle,commesourcednergie alternative destine tre injecte dans le rseau. Dans cette partie nous prsenterons tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 220brivementleffetphotovoltaquequiconduitlacrationducourantlectriqueet nous nous intresserons ensuite aux technologies du photovoltaque. 2. 2. 2. 1Conv er s i ond ner gi e Leffet photovoltaque est un phnomne physique propre certains matriaux appels semi-conducteurs (le plus connu est le silicium utilis pour les composants lectroniques). Il permet de convertir directement lnergie lumineuse des rayons solaires en lectricit parlebiaisdelaproductionetdutransportdansunmatriausemi-conducteurde charges lectriques positives ou ngatives sous leffet de la lumire.La lumire est une onde lectromagntique multispectrale qui peut tre perue comme un flux de particules de masse nulle, les photons, caractrises par une nergie donne par la relation : 2.4 o : h est la constante de Planck (= 6,62 10-34 J.s), est la frquence de la lumire mise (Hz), c est la clrit de la lumire (m/s), est la longueur donde de la radiation lumineuse (m). Laphotopile(cellulephotovoltaque)lmentaireestconstituededeuxcouchesen contact dun matriau semi-conducteur (Figure 2.7). Lune de ces couches prsente un excdant dlectron et lautre un dficit, elles sont dites respectivement dope n et dope p. Lesdeuxcouchesencontactformentlajonctionp-n,sigedunchampmagntique dirig de lazone p vers la zone n. Lorsque lesphotonsheurtent la surface mince des semi-conducteurs,ilstransfrentleurnergieauxlectronsdelamatire.Silnergie transmiseparlesphotonsestsuffisante(aumoinsgalelnergiedextractiondun lectron), les lectrons se mettent alors en mouvement en direction de la zone n, crant ainsiuncourantlectrique(lephoto-courant)quiestrecueillipardescontacts mtalliques trs fins accols aux zones p et n. Figure 2.7 Effet photovoltaque tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 221Le fonctionnement de la cellule photovoltaque est modlis par un circuit quivalent (Figure 2.8) comportant une diode parcourue par le photo-courantIph. Le modle est compltparunersistancesrieRsquimatrialiselespertesohmiquesdumatriau, des mtallisations et du contact mtal/semi conducteur, et par une rsistance parallle (shunt)Rshprovenantdes courantsparasitesentre ledessusetledessousdelacellule, parlebordenparticulieretlintrieurdumatriauparlesinhomognitsou impurets. Figure 2.8 Schma quivalent dune cellule photovoltaque Lilluminationdelacelluleproduitlephoto-courantIphquiestindpendantdela tension. Mais lorsque la tension augmente, une partie de ce courant est dissipe dans la jonctionreprsentesurlaFigure2.8parladiode.Lacaractristiquecourant-tension (I/V) de la cellule scrit alors (Rosell, et al., 2006) : 1 2.5 Avec : Is = courant de saturation de la diode, q = 1,602 10-19 C : charge dun lectron, k = 1,38 10-23 : constante de Boltzmann, T = temprature absolue en K. Lalluredelacaractristiquecourant-tension(Figure2.9)varieenfonctiondes conditionsenvironnementales(irradiationettemprature)etdupointde fonctionnement de la cellule photovoltaque, c'est--dire de la charge lectrique qui lui est connecte. Vu que ces conditions changent en permanence, diffrentes techniques derechercheautomatiquedupointdepuissancemaximale(MPPT)ontt dveloppes. Nous ne nous attarderons pas sur ces techniques largement dveloppes danslalittraturespcialise,lideprincipaleretenirtantquelaproductiondun panneausolaireestdpendantedelensoleillementetdelatempratureetquedes dispositifs base dlectronique de puissance permettent entre autredoptimiser cette production. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 222 Figure 2.9 Caractristique I/V pour diffrentes valeurs densoleillement et temprature 2. 2. 2. 2Techno l og i esLestechnologiesdepanneauxphotovoltaquessontclassesentroiscatgories (gnrations) dont la description dtaille est largement aborde la littrature spcialise (Patel, 1999), (Lincot, 2007) (Goetzberger, et al., 2003): La premire gnration est constitue des technologies classiques au silicium monocristallin et polycristallin. Ce dernier est moins cher que le prcdent mais permet des rendements moins levs, avec 19 % contre 24,5 % de rendement record sur les cellules de laboratoire. Ces deux filires commerciales dominent actuellementlemarch,avecdesmodulescommerciauxprsentantdes rendementsde1214%pourlepolycristallinetde1516%(Lincot, 2007)pour le monocristallin ( noter que des rendements de prs de 20 % ont t obtenus rcemment. Ladeuximegnrationcomportelestechnologiescouchesminces comme le silicium amorphe, le CIS/CIGS (cuivre indium/gallium selenium), le CdTe (tellure de cadmium), les cellules photovoltaques plastiques, colorant. Lesrendementsrecordobtenusenlaboratoirepourcestechnologiessontde lordrede12%pourlesilicium amorphe,de20%pourle CIS/CIGSetde 16,5%pourleCdTe(Lincot,2007).Lesrendementscommerciauxsont respectivementde6%,1113%et89%pourlesiliciumamorphe,le CIS/CIGS et les CdTe. Latroisimegnration,encoreltatdeconceptthoriqueaujourdhui, devrait considrablement amliorer les rendements des deux autres filires. Les concepts troisime gnration sont : - la photopile avec une ou plusieurs bandes intermdiaires, -la conversion des photons non utiliss directement dans la cellule PV, tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 223-les cellules utilisant les porteurs chauds, -les cellules puits quantiques, -les antennes lectromagntiques. Les dveloppements autour de la troisimegnration visent desrendements allant de 30 70 % et des rductions de cots considrables. Leraccordementdupanneauphotovoltaqueaurseauestralistraversune interfacelectroniquedepuissancedontleprincipalcomposantestlonduleur.Il existeplusieurstopologiesdinterfacequisedistinguentparletypedonduleurutilis (Sabonnadire, 2006). Onduleur central. Plusieurs lignes de panneaux sont raccordes directement un onduleur centralis. Cette structure ncessite de placer une diodeen srie qui interdittoutcourantinversedansungroupementlmentairedepanneaux connects en srie, constituant une branche dune association parallle. Onduleurindividuel. Chaque panneau est raccord un petitonduleur. (certains onduleurspermettentderaccorderjusqucinqmodulesensrie)Les onduleurs sont alors tous raccords en parallle sur le rseau. Onduleurderange.Chaquelignedemodulesestraccordeunonduleur (certainsonduleurspermettentderaccorderdirectementdeuxoutroislignes en parallle). Les onduleurs sont raccords en parallle sur le rseau. Onduleurmulti-ranges.UnconvertisseurDC/DCestassociungroupement sriedemodules.LesconvertisseursDC/DCenparallle,sontrelisun onduleur central. 2.2.3Conclusion Lesoliennesetlespanneauxphotovoltaquessontdesmoyensdeproduction dnergie renouvelable en forte expansion dans les systmes lectriques de nos jours. Ils ontlaparticularitdavoirunproductiblelargementdpendantdeladisponibilitde leur nergie primaire (vent et ensoleillement). Il existe plusieurs technologies dolien et de photovoltaque caractrises, dune part par la mthode de rgulation et par la nature de la machine lectrique utilise pour lolien, dautre part par le systme de conversion lumire courant et le type deraccordement pour le photovoltaque. Ces diffrentes technologies dnergie renouvelables, de par leurs particularits de fonctionnement ont des impacts sur le systme lectrique. 2.3Impact des EnR sur les systmes lectriques Enraison de lanature intermittente de la sourcednergie etdes fluctuations qui en rsultent au niveau de la puissance produite par une unit de production dEnR, leraccordementdecelle-ciunsystmelectriquequelconqueaunimpactnon ngligeablequidpenddelatechnologieutilise(Bousseau,etal.,2003), (Slootweg, 2005),(Tan, 2004) et aussi du type de rseau. En gnral on peut dire queplusletauxdepntrationestimportant,pluslimpactdelintgrationdes tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 224EnRdanslesrseauxestsignificatif.Onpeutdistinguerdesimpactslocauxqui concernenttouslestypesderseauxetlesimpactsglobauxquiconcernenten particulier les rseaux de transports interconnects et les rseaux insulaires. 2.3.1Impacts locaux Cesontlesimpactsquiseproduisentdanslevoisinage(lectrique)dupointde raccordement de lunit et qui peuvent tre attribus directement cette dernire. Les impacts locaux sont en gnral indpendants du taux de pntration global des unitsdeproductiondEnRdanslesystme.Ilsconcernentdeuxprincipaux aspects : la capacit daccueil du rseau et la qualit de tension. 2. 3. 1. 1Capaci t d accuei l du r s eau 2.3.1.1.1 Courants en rgime permanent Suiteauraccordementd'unproducteur(EnRoupas)surlerseau,l'intensitdu courant en fonctionnement normal parcourant un ou plusieurs lments du rseau (lignes,cbles)peutaugmenter.Ilyadoncrisquededpassementdesvaleurs admissiblespourlesdiffrentsquipementsderseau.Ceciimplique naturellementlapremirecontrainterespecterquiestdenepasdpasserces valeurs admissibles quelques soient la configuration et le point de fonctionnement de la centrale connecte et du systme lectrique dans lequel elle sinsre. Lorsque l'installation dEnR est relie au rseau de distribution et qu'elle n'exporte pasoupeudepuissancesurlerseaudetransport,lescontraintesthermiques ventuelles lies au rgime permanent apparaissent en gnral sur les conducteurs proches de l'installation (Figure 2.10). Elles sont lies la puissance de l'installation raccorde et aux caractristiques des conducteurs existants. Lorsque l'installation de production dEnR est relie aux rseaux de distribution ou de transport et qu'elle exporte de la puissance sur le rseau HTB, des phnomnes de congestion peuvent apparatre. Ces phnomnes de congestion seront d'autant plusprobablesetimportantsquelesinstallationsoliennesserontdeforte puissance.Suivantlespuissancesraccordes,lesphnomnesdecongestion pourront par exemple tre observs l'chelle d'une rgion. Figure 2.10 Courant en rgime permanent avant et aprs raccordement dun producteur sur rseau de distribution 2.3.1.1.2 Courants de court-circuit Limpact sur le courant de court-circuit est surtout du aux fermes oliennes qui suivant latechnologiepeuvent,encasdedfautsurlerseau,alimenteretdoncaccrotrele Icharge0 Icharge0 Jeu de barres Icharge Iprod-Icharge Jeu de barres Iprod tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 225courant de court-circuit circulant dans le rseau (Bousseau, et al., 2004). La contrainte iciestdenedpassernilesvaleursmaximalesadmissiblespourlesdiffrents appareillagesderseauxetlesconducteurs,nilepouvoirdecoupuredesorganesde protection.Chaqueappareildecoupurepossdeunpouvoirdefermetureetun pouvoir de coupure sur dfaut ; un dpassement des valeurs de dimensionnement de lappareil de coupure a pour consquence un risque de non coupure de larc ou de non fermeture du courant de dfaut avec un fort risque de destruction de lappareillage. Lesoliennesvitessefixe,tantquipesdemachinesasynchronesclassiques directementcouplesaurseau,contribuentdefaonsignificativeauxcourantsde court-circuit. Lesoliennesvitessevariablequipesdemachinesasynchronesdouble alimentationcontribuentaussiauxcourantsdecourt-circuit.Cependantcette contribution diminue rapidement du fait de laction des quipements dlectronique de puissance qui dtectent et mesurent les dfauts rapidement.Lacontributiondesoliennesvitessevariablequipesdemachinessynchronesest ngligeablecarlamachineestentirementdcoupledurseauparlinterface lectronique de puissance. Il en est de mme des units de production photovoltaque. 2.3.1.1.3Le profil de tension Leschangementsdepuissancesactivesetractivesdusauxsources(quelquesoit leur nature)se rpercutent sur le profil detension en rgime permanent selon les caractristiquesdurseau.Dessimulationssontncessairespourvrifierquece profil sinscrit dans un gabarit prdfini. En gnral, le niveau de tension s'lve au point de raccordement dune installation de production, ainsi que plus loin dans la ligne, tel quillustr sur la Figure 2.11, pour une ferme olienne raccorde sur une artre de distribution (rseau HTA). Figure 2.11Profil de tension le long dune ligne de distribution LimpactsurleprofildetensiondpenddutypedEnRetdelatechnologie(pour lnergie olienne). La machine asynchrone cage utilise pour les oliennes vitesse 1 2 3 4 5Uc Jeu de barres Profil de tension aprs raccordement Profil de tension avant raccordement Uc : tension au jeu de barres Umax : tension maximale admissible Umin : tension minimale admissible Umax Umin Uc tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 226constante est directement couple au rseau. La relation entre la vitesse de son rotor, la puissance active, la puissance ractive et la tension au point de raccordement est fixe. Depluslavitessedurotoresttrspeuvariable ;ellenadoncpasdecapacitsde rglage de la tension. La compensation de ractif est donc assure par des quipements additionnelstelsquelesbatteriesdecondensateursoudautressystmesde compensationvolustelsquelescompensateursstatiquesdepuissanceractive (SVC : Static Var Compensation) ou les STATCOM (STATic COMpensation). Lesoliennesvitessevariablesainsiquelescentralesphotovoltaques,grceleur interfacelectroniquedepuissance,ontlapossibilitderglerlapuissanceractive produite ou consomme leurs bornes (pour lolien) et deffectuer un rglage fin de la tension.Cescapacitsderglagenesontactuellementpasexigesauxpetitesfermes (EDF SEI, 2008) (RTE, 2009). 2. 3. 1. 2Qual i t de t ens i on Le terme qualit de la tension se rfre aux niveaux de tension, la stabilit de la frquence du rseau et l'absence dans le rseau lectrique de diffrentes formes dephnomneslectriques(commeparexemplelesflickeroulesdistorsions harmoniques). Lapriseencomptedesproblmesdcritsci-dessousainsiqueleurvaluation permetdeconcevoiretdimensionnerledispositifdeconnexiondelunitde production dEnR. 2.3.1.2.1Variations de tension Lesvariationsdepuissancegnre,consquencedirectedesvariationsdela vitesseduventpourlesoliennesoudelensoleillementpourlescentralesPV, peuvent entraner des variations lentes de la tension sur le rseau. Danscertainscas(dmarrageoudconnexionduneolienne oudunecentrale PV;enclenchementdetransformateurvide)dessautsdetension(-coupsde tension)peuventsurvenircequilimitelenombredegnratricespouvanttre connectesunnudprcisdurseau(ceteffetestlimitpardesdispositifs limiteurs ou des rgles dexploitation spcifiques). 2.3.1.2.2Flicker Letermeflickerdsignelesvariationsdetensiondecourtedureapparaissant danslerseaulectriqueetrisquantdeprovoquerlescintillementdesampoules lectriquesincandescence.Cephnomnepeutsurgirsil'unitdeproduction dEnRestraccordeunrseauayantunefaiblepuissancedecourt-circuit,les variationsfrquentesdesonnergieprimairecausantalorsdesvariations importantes de puissance. Ce phnomne est surtout observ pour les oliennes vitesse constante car il nexiste pas de tampon entre lnergie mcanique en entre etlnergielectriqueinjecteaurseau.Afindedterminerleflickerproduit durant un fonctionnement continu, des mesures sont effectues et compares avec la tension de rfrence pour quantifier le taux de flicker en tension. Lephnomnedeflickerpeutgalementseproduirelorsdunbasculementdune zonedefonctionnementuneautre.Lescommutationstypiquessontlesmises en/horsservicedelunitdeproductiondEnR.Cesoprationsprovoquentdes changementsdanslapuissanceproduite.Parexemple,lorsdelamiseenservice tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 227duneoliennebasesurunegnratriceasynchrone,lapuissanceractive consommeduelamagntisationdelagnratriceprovoqueunechutede tensionaupointdeconnexion.Cettedernireestrtablieparlaconnexiondun banc de condensateurs. 2.3.1.2.3Emission dharmoniques Lesharmoniquesdetensionetdecourantsonttoujoursprsentsdansunrseau de distribution. Ils sont essentiellement provoqus par la prsence de charges non linairesetdeconvertisseursdepuissance.Cesharmoniquesprovoquentune surchauffedelquipement,unfonctionnementdfectueuxdusystmede protection, et des interfrences dans les circuits de communication. Les dispositifs dlectronique de puissance utiliss pour optimiser la puissance extraite des units deproductiondEnR(oliennesvitessevariablesetpanneauxphotovoltaques) prsentent linconvnient dtre des sources dharmoniques.Desstandardsconcernantlestauxmaximumdharmoniquesgnrsparles gnrateurs oliens ont t tablis (NF EN 50160, 2000). Ces mesures distinguent lapropagationdesharmoniquesderangpairetimpair.Ondistingueaussiles harmoniques et les inter-harmoniques. Les harmoniques sont des composantes de frquencetoujoursconstituesdemultiplesdelafrquencedebase.Lesinter-harmoniques sont des composantes situesentre les harmoniqueset la frquence debase.Lescourantsharmoniquesinjectssurlerseaupublicdoiventtre infrieurs une certaine limite spcifie par le gestionnaire du rseau (Arrt du 23 Avril, 2008). 2. 3. 1. 3Pl andepr ot ect i on Le plan de protection est un systme coordonn de protections visant isoler trs rapidement un ouvrage en dfaut (ligne, transformateur, jeu de barres, etc.) afin de garantir la scurit des biens et des personnes. Diffrents types de relais mesurant diffrentes grandeurs physiques sont utiliss.Leraccordementdelaproductiondnergierenouvelablepeutentranerdes variations du sens (rseau de production) ou de l'amplitude des courants en rgime permanent,desvariationsdescourantsdecourt-circuit,desmodificationsdela tension, des variations des impdances mesures, etc. Ces variations peuvent avoir uneinfluencesurlebonfonctionnementduplandeprotectionavecnotamment des aveuglement de protection ou des dclenchements intempestifs..2.3.2Impacts globaux Apartlesimpactslocauxquiontdeseffetsdanslevoisinagedupointde raccordement,lesunitsdeproductiondEnRpeuventavoirdesimpactsplus globauxlchelledunergionsurtoutsiellessontraccordesaurseaude transport ou dans les rseaux insulaires. 2. 3. 2. 1I mpact s ur l e f onct i onnement des sy s t mesLa problmatique majeure lie lintgration des EnR dans les rseaux est de deux ordres : la variabilit de la production dEnR du fait des variations de lnergie primaire quideplusestnoncontrlable(fatale).Lesgestionnairesderseaudoivent tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 228donc faireface une productionfatalevariable.Des capacits de production derserve contrlablessontalorsncessairespourpallier cesvariations,en particulier pour satisfaire la demande en priode de pointe, lincertitudesurlesprvisionsmtorologiquesinduisantuneincertitude surlaproduction.Cetteproblmatiqueestplusmarquepourla productionoliennecarlesprvisionsdevitessedeventsontmoins fiables que celles de lensoleillement.Les deux aspects cits plus haut ont trait des impacts lis surtout la ralisation delquilibreproduction-consommationdivershorizonstemporels.Outreces proccupations, restent celles lies la scurit du rseau du point de vue global. 2.3.2.1.1Rgulation Il sagit ici de limpact de lincertitude de la production renouvelable sur lallocation et lutilisationdelarserve(primaireetsecondaire)danslesystme.Lchelledetemps considre ici va de quelques secondes une demi-heure. 2.3.2.1.2Dispatching Cetimpactestdulavariabilitetauxerreursdeprdictiondelaproduction renouvelable.Ces deuxaspects influent sur la gestion prvisionnelle de la production pourlelendemain.Lesdeuxprincipauxaspectsinfluencssont:ledispatching,et lexploitation (dure, charge partielle, arrts/dmarrages) du parc de production. Il est doncimportantdedvelopperdesmthodespouranalyseretintgrerlimpactdes EnR sur la gestion prvisionnelle du parc de production.2.3.2.1.3Adquation Lhorizondetempsiciestdelordredeplusieursannes.Ilsagitdelacapacitdu systmesatisfairelademande.Lestimationdelacapacitdeproductionncessaire tientcomptedelademandeetdeladisponibilitdesunitsdeproduction. Ladquation est value laide dindices tels que le LOLP (loss of load probability), le LOLE (loss of load expectation), le LOEE (loss of energy expectation). Ladquation est influence par la variabilit de la production renouvelable.2.3.2.1.4Capacit de transport LimpactdelintgrationdesEnRsurlescapacitsdetransportdpenddela situation gographique de la production renouvelable par rapport la demande, de lacorrlationentrecetteproductionetlademandeetdelapuissancedurseau initial. La production dnergie renouvelable affecte le transit de puissance dans le rseau :ellepeutchangerlesensdesflux,augmenterourduirelespertes. Lanalyse des capacits detransport ncessite la fois des tudes statiques (calcul de la rpartition des flux de puissance) et dynamiques (analyse de stabilit).2. 3. 2. 2Co mpor t ement dy nami queet st abi l i t dur s eau La puissance produite par une unit de production dnergie renouvelable varie en fonctiondeladisponibilitdelnergieprimaire(pouruneolienneparexemple elle varie en fonction du cube de la vitesse du vent). Des variations de la puissance fournieparl'installationdeproductiondEnRpeuventdonctreobservesen fonctionnementnormal.Suivantleuramplitude,cesvariationspeuventavoirun impact sur le comportement dynamique du rseau et parfois mme sur sa stabilit pourdesvariationsbrusquesetimportantesdelapuissancedlivreparuneou tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 229plusieursunitsde grosse puissance.Le rseau doit tre capablede supporter ces variations en conservant sa stabilit et en maintenant la tension et la frquence sur le rseau dans les plagesadmissibles. Lors du dmarrage dune unit de production dEnR ou lors d'une dconnexion, il doitentredemme.Sil'installationestbrusquementdconnectepleine puissance, par exemple par suite d'un dfaut sur le rseau interne de l'installation, le rseau doit pouvoir rester stable, la tension et la frquence sur le rseau doivent pouvoir tre maintenues dans les plages de tension et de frquence admissibles. L'impact sur le fonctionnement dynamique du rseau sera d'autant plus important que : lerseauaupointderaccordementdel'installationdeproductiondEnR est faible (puissancedecourt-circuitfaible,difficultmaintenirla tension), le taux de pntration en nergies renouvelables est important (ce qui peut arriver rapidement pour des rseaux insulaires), lesunitsdeproductionsontconcentresdanslesmmeszones gographiques ;parexemple,desparcsolienssontprocheslesunsdes autres et donc soumis des conditions de vent similaires. 2.3.3Conclusion Lintgrationdeproductiondnergierenouvelableimpactedefaonnotoireles systmes lectriques. Ces impacts peuvent tre classs en deux grandes catgories : les impactslocaux(auvoisinagedupointderaccordement)etlesimpactsglobauxqui concernentsurtoutlagestiondelaproductiontousleshorizonsdetempsetle comportementdynamiquedusystme(Figure2.12).Lefonctionnementdusystme est ainsi influenc toutes les chelles de temps : de lexploitation (quelques secondes quelquesheures)laplanification(quelquesannes)enpassantparlagestion prvisionnelle (quelques jours une anne).tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 230 Figure 2.12 Impacts des EnR sur les systmes lectriques Lvaluationde cesimpactsimplique destudespralablesauraccordementdetoute unit de production renouvelable. Ces tudes servent vrifier si toutes les contraintes liesaufonctionnementnormaldessystmessontrespectes.Leparagraphesuivant est consacr la revue de ces contraintes pour diffrents gestionnaires de rseaux. Elles sontconnuessouslesappellations gridcode ou conditionstechniquesde raccordement . 2.4Conditions techniques de raccordement Enfonction despays, compte tenu des impactsque peuvent avoir les moyensde production sur les rseaux, des conditions techniques spcifiques de raccordement sontdonnesdansdestexteslgislatif(France,Espagne)etaminima,dansles rfrentielstechniques(gridcodeoudistributioncode)desdiffrentsgestionnairesde rseau. 2.4.1Exemple de la France 2. 4. 1. 1Tens i onau poi nt der accor dementEn France, la tension au point de raccordement dtermine la puissance maximale delinstallationdeproduction(article4de larrtdu25Avril2008).LeTableau 2.2donnelesniveauxdetensionaupointderaccordementenfonctiondela puissance de linstallation. Impacts locaux Impacts globaux ms qlq ss qlq min min 1h 1h qlq joursqlq annes Capacit daccueil du rseau Stabilit du rseau Qualit de tension Capacit de transport Adquation en production et en transport Dispatching Plan de protec tion Rgulation : Rserve primaire/secondaire Horizon de temps tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 231 Tableau 2.2 Niveaux de tension aux points de raccordement en fonction de la puissance installe RseauLimite de tensionNiveaux relsLimite de puissance BTU 1 kV (raccordement monophas)230 VP 18 kVA U 1 kV (raccordement triphas) 400 VP 250 kVA HTA1 kV< U 50 kV15kV, 20kV, 33kVP 17 MW HTB50 kV< U 130 kV63 kV, 90 kVP 50 MW 130 kV< U 350 kV150 kV, 225 kVP 250 MW 350 kV< U 500 kV400 kVP> 250 MW 2. 4. 1. 2Tenueenr gi me nor ma l et except i onne lTouteinstallationdeproductiondnergiedoitpouvoirproduiresapuissance maximaledanslesplagesdefonctionnementnormal.Elledoitenoutrepouvoir fonctionnerpendantuntempslimitlorsquelatensionoulafrquencepourdes raisons qui ne lui sont pas due atteint des valeurs exceptionnelles.Parexemple,enFrance,lesniveauxdetensionetdefrquencedudomainede fonctionnement normal sont : [95%-105%] en tension en HTA, [90%-110%] en BT(230 V). [48Hz-52Hz] en frquence. Dans les rseaux de distribution et de transport mtropolitains, les installations de production mettant en uvre lnergie olienne doiventrester en fonctionnement lorsque la frquence prend des valeurs exceptionnelles (Arrt du 23 Avril, 2008). Pourlesrseauxinsulaires(EDFSEI,2008)parexemple,ondistingueles domaines exceptionnels suivants : [46 Hz 48 Hz] en sous-frquence pendant 3 minutes, [44 Hz 46 Hz] en sous-frquence pendant 30 secondes, [52 Hz 54 Hz] en sur-frquence pendant 5 secondes, [90% - 95%] et [105% 110%] en tension pendant 1 heure (pour la HTB seulement). 2. 4. 1. 3Tenueaux cr eux det ens i on Encasdecreuxdetension,lesoliennesetlespanneauxphotovoltaquesse protgentgnralementensedconnectantdurseauplusrapidementqueles autresmoyensdeproduction.Cesdconnexionsentranentdespertesde productionquipeuventaggraverlasituationsurunrseaudjfragilispar lincidentetavoirainsidesconsquencestrsnfastes.Descontraintesdetenue auxcreuxdetensionsontdoncspcifiesdanslesconditionstechniquesde raccordement. Par exemple, en France : tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 232Sur le rseau de transport mtropolitain (HTB1 et HTB2), les oliennes ne doiventpasdclencherpourdescreuxdetensionmoinssvresquun creux de tension de rfrence dfini selon la Figure 2.13. Figure 2.13 Gabarit de tension en HTB1 et HTB2 (cas particulier des oliennes) surlesrseauxHTBinsulaires(EDFSEI,2008),lesinstallationsde productiondoiventpouvoirresterenfonctionnementlorsdelapparition au point de raccordement, dun creux de tension dfini comme suit : -creux de tension 100 % pendant 250 ms, -palier 0,5 Udim pendant les 450 ms suivantes, -retour linaire 0,9 Udim pendant les 400ms suivantes, -palier 0,9 Udim pendant les 400 ms suivantes, -retour linaire Udim pendant les 500 ms suivantes. OUdimestlatensiondedimensionnementdfinieparlegestionnairede rseauenconcertationavecleproducteuretfixenormalement66kV (rseau 63 kV) ou 93 kV (rseau 90 kV). Enrseaudedistribution(mtropolitainetinsulaire)(Arrtdu23Avril, 2008),touteinstallationdeproductiondontlapuissancemaximaleest suprieure5MW(ycomprisfermesoliennesetphotovoltaques)doit resterenfonctionnementlorsdelapparitionaupointderaccordement dun creux de tension HTA illustr sur la Figure 2.14 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 233 Figure 2.14 Gabarit de tension en rseau de distribution 2. 4. 1. 4Ser v i ces s ys t mesLes services systmes sont ncessaires pour garantir un fonctionnement sr et fiable du systmelectrique.Ilssontgrsparlesgestionnairesderseauxsurlabasede contributionsfourniesparlesproducteursraccords.Parmilesservicessystmeson peutciter :lerglagedelatension,lerglagedelafrquence,leblackstart1etla reconstitution de rseau. La variabilit, la non contrlabilit des nergies olienne et photovoltaque, et la nature des technologies utilises limitent grandement la capacit de ces nergies fournir des services systmes. A lheure actuelle les installations utilisant comme source primaire le ventetlesoleilsontexemptsdeparticipationauxservicessystmes.Cecipour consquencelaccroissementdessollicitationsdesautresgroupesdeproduction prsents.Lacapacitdusystmegarderunniveaudeservicessystmessuffisant malgrlintgrationdesnergiesrenouvelablesseraunedesprincipaleslimites linsertion de ces dernires si elles ne sont pas en mesure de fournir ces services.2.4.1.4.1Rglage de tension et compensation de puissance ractive Touteslesunitsdeproduction,ycomprislesgroupesdeproductiondnergie renouvelable,doiventpouvoirfonctionnerdansundomainedefonctionnement dtermin par le gestionnaire de rseau. Lesunitsdeproductionsdoiventassureruncontrledelatensionet/oudela puissanceractiveaupointdelivraison.Troistypesderglageprimairesont possibles : Type 1 : rglage puissance ractive constante au point de livraison ; Type2 :rglagedelatensionaupointdelivraisonunevaleurvariant linairement en fonction de la puissance ractive avec une pente ajustable ;

1 Dmarrage dun groupe sans alimentation des auxiliaires par le rseau. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 234Type3 :rglagedelatensionauxbornesdelinstallationselonune consigneasservieauxordresprovenantdurglagesecondairedela tension. EnFrance, lescontraintessuivantessontimposesdanslestexteslgislatifs (Arrt du 23 Avril, 2008) concernant le rglage de la tension et lacompensation de puissance ractive : Les installations oliennes et photovoltaques connectes en basse tension ne doivent pas consommer de la puissance ractive. Les centrales connectes au rseau de distribution(puissance infrieure 17 MW)doiventchacuned'ellestrecapables,danslesconditionsnormales de fonctionnement, de produire une puissance ractive au moins gale 40 % de leur puissance active maximale ou absorber une puissance ractive au moins gale 35 % de leur puissance active maximale. Les centrales raccordes au rseau public de transport doivent tre, dans la plage normale de tension, capables : - Pmax de fournir de la puissance ractive hauteur de 0,32 Pmax, et den absorber hauteur de 0,35 Pmax ; - une puissance de fonctionnement quelconque P, de fournir de la puissanceractivehauteurde0,30Pmax,etdenabsorber hauteur de 0,28 Pmax . Pourcequiestdesgnrateurssynchrones,leursbesoinsenpuissanceractive sontsatisfaitspardesbatteriesdecompensationconnectessoitdirectementau niveau de linstallation ou au poste transformateur HTB/HTA. 2.4.1.4.2Rglage de frquence Les installations base dnergie fatale (dont font partielolien et lephotovoltaque) sont dispenses de rglage de frquence. 2. 4. 1. 5Qual i t de t ens i on 2.4.1.5.1Flicker Les indicateurs de svrit du flicker sont dune part, le Pst, flicker court terme quantifi sur 10 minutes et dautre part, le Plt, flicker long terme quantifi sur 120 minutes. Le Pltenfonctionnementtabli indiquelasvritduphnomnedeflickeren fonctionnementtablie.Le PstetPltlorsdesoprationsdedcouplage indiquela svrit du phnomne de flicker lors des oprations de dcouplage. En rseau de distribution, le niveau de contribution des sites perturbateurs tels que les fermes oliennes et photovoltaques au papillonnement doit tre limit 0,35 en Pst et 0,25 en Plt au point de raccordement. En rseau de transport (HTB) la contribution limite au niveau de papillonnement est : Pst < 1(0,6 en 400 kV). 2.4.1.5.2Harmoniques Leslimitesdmissionencourantsontdterminesauproratadelapuissance apparente maximale de linstallation de production S. A chaque harmonique de rang n tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 235estassociuncoefficientdelimitationkn.Lescourantsharmoniquesmispar linstallation de production doivent tre limits : 3 2.6 o : Uc est la valeur de la tension au point de livraison, S est la puissance apparente maximale, Kn est le coefficient de limitation de rang n. 2.4.2Solutions techniques Lorsquedesproblmesapparaissentlorsdestudesdinsertiondelolienetdu photovoltaquedanslesrseauxlectriques,plusieurssolutionssontproposes. Les principales sont (Bousseau, et al., 2004):le renforcement des rseaux,leffacement de la production,lamlioration des technologies de production olienne,la coordination avec dautres moyens de production,le contrle de charges,les systmes de compensation de ractif,les systmes de Fault Ride Through (tenue sur creux de tension),le stockage de lnergie,les limiteurs de courants de court-circuit,les protections directionnelles et les filtres.Pourchaqueproblmesetcontraintesnoncsauparagrapheprcdent,ilexiste plusieurssolutions.Lechoixdecessolutionsseferaenfonctiondecritres conomiques, sociaux et environnementaux et politiques. De grandes tendances se dgagent dans le processus de choix des solutions. Tout dabordcertainessolutionssontdjprisesencomptedanslesrfrentiels techniquesetdanslestudesderaccordementeffectuesparlegestionnairede rseau(renforcementderseaux,filtresantiharmoniquesoufiltres bouchon pourlaTCFM,protectionsdirectionnelle,limiteursdecourantouencore changement du point de raccordement de lunit de production dEnR). Leprocessusdechoixdessolutionscommenceparlanalysedecellesproposes parlegestionnairederseau.Sileurcotestacceptable,leprocessussarrtel. Danslecascontraire,silarentabilitduprojetestremiseencause,dautre solutions seront envisages : tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 236surlesrseauxinsulairesfranais,leffacementdelaproduction,pour autantquilsoitlimitentempsetnemettepasenprillarentabilitdu projet, est une solution simple et efficace dj prvue par les arrts. Lessolutionsauniveautechnologiqueserontensuiteprivilgies : amlioration des technologies existantes voire changement de technologie. Mmesilestcertainquedesenjeuximportantssontassocisauxcontraintesde raccordement :scuritdespersonnesetdesbiens,exploitationfiabledurseau, respectdesengagementsdesoprateursderseau,ilseposenanmoinsla questiondelaprobabilitdoccurrencedesdiffrentsproblmeslisau raccordement des EnR dans les rseaux. Est-il ncessaire de mettre enuvre dessolutionscomplexesetcoteusespourdescontraintesquineseproduiront pasoutrsrarement ?Existe-t-ildautressolutionssimplesmaisplusdrastiques qui seraient tout fait justifies pour ces vnements rares ? Lessolutionsbasessurleffacementdelaproductionrenouvelableconstituent unepremireapprochedanscesens.Poursystmatisercegenredapproche, lutilisationdemthodesprobabilistesdanslanalysedescontraintesliesau raccordement des EnR savre ncessaire. 2.5Conclusion Lintgrationimportantedesnergiesrenouvelablesdanslessystmeslectriques entrainelamutationdecesderniersdunestructureverticaleversunestructure horizontale (avec des injections de puissance tout les niveaux de tension ; notamment dans le rseau de distribution). Larrive des EnR pose aux gestionnaires de rseaux de nouveaux dfis techniques notamment cause de la variabilit de la production et aussi deleursfaiblescapacitsfournirlesservicessystmesmmesilvolutiondes technologiesvasrementpaliercedernierinconvnient.LesEnRimpactent localement et globalement les systmes lectriques. Leur raccordement au systme fait lobjetdtudesenvuedevrifiersiellesrespectentlesconditionstechniquesdes diffrents gestionnaires de rseaux. Certaines des conditions deraccordement ont t modifies pour sadapter au mieux aux particularits de lolien et du photovoltaque. tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 337 3De la caractrisation probabiliste dun systme lectrique Lala est omniprsent aussi bien en exploitation quen planification des systmes lectriques. efonctionnementdunsystmelectriquesurunepriodedonnese caractriseparlesvariationsplusoumoinscorrlesdunemultitudede paramtres importants. Cette relative vie du systme impose aux exploitants etauxgestionnairesderseauxdesdfisdontundesplusimportantsestla matrise de limpact li ces variations. Cela passe par une modlisation probabiliste de tous les paramtres participant au fonctionnement du systme lectrique autrement dit par une caractrisation probabiliste du systme lectrique.3.1Elments de probabilits et statistiques 3.1.1Quest ce quune probabilit ? 3. 1. 1. 1D f i ni t i onsAu sens scientifique et technique du terme, la probabilit dfinit de faon quantitative la vraisemblance dun ou de plusieurs vnements. Au sens strictement mathmatique, il sagit dune valeur variant de zro (vnement impossible) un (vnement certain). On parle principalement de probabilit exprimentale et de probabilit thorique. Ces deux notions peuvent tre dfinies comme suit : Probabilit exprimentale : elle est dduite de toute la population concerne. Par exemple, si sur 8760 heures de lanne, il y a eu 10 heures de coupure dlectricit, on dit que la probabilitdecoupureestP[coupure]=10/8760=0,00114.Ilsagiticidune connaissance a posteriori de la probabilit. Probabilit thorique : elle est dtermine grce ltude du phnomne sous-jacent sans exprimentation. Il sagit donc dune connaissance a priori par opposition la dfinition prcdente. Chapitre 3 L tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 338Lesvnementsimpossiblesetcertainstanttrsrares,lagrandemajoritdes vnementsontuneprobabilitcompriseentre0et1.Ilsontdoncengnraldeux tats (osilsenontplusieurs,ceux-cipeuventtreclasssendeuxcatgories): favorableousuccs(lvnementsestproduit)etdfavorableouchec(lvnement ne sest pas produit). Les probabilits davoir chacun des tats se calculent donc comme suit :

3.1 3. 1. 1. 2Le cal cul depr obabi l i t eni ngni er i e Commeindiquauparagrapheprcdent,ilexistedeuxdfinitionsdelanotionde probabilit :uneexprimentaleetunethorique.Lapremireestissuedelapproche frquentiste selon laquelle seules ont un sens les probabilits a posteriori sur la base de larptitiondungrandnombredvnementsidentiques.Acontrario,pourles subjectivistes (probabilit thorique), seule la notion de probabilit a priori, valuable en fonctiondunsentimentindividueldincertitude,peutavoirunsens.Cettevaluation thoriquedelaprobabilitestpossibleconditiondavoiruneformulation mathmatiquesimpleduproblmeouaminimaunmoyendeladduire(forme gomtriquedundparexemple).Ilsetrouvequepourlaplupartdesproblmes dingnierie et en particulier pour les phnomnes qui vont nous intresser tout au long de cette tude (i.e. : les variations des paramtres et de ltat dun systme lectrique), il nest en gnral pas possible davoir une formulation mathmatique simple permettant dedterminerlesprobabilitsaprioripartirdesconnaissancesquonadu fonctionnementdusystme.Lapproche frquentiste seradoncprivilgie ;les probabilits(etsurtoutlesloisdeprobabilit)calculesserontissuesdexpriences identiquement rptes. 3.1.2Distributions de probabilit 3. 1. 2. 1Var i ab l es al at o i r esLes rgles de calcul de probabilit prcdemment dcrites permettent de dterminer les probabilits dvnements ayant une formulation mathmatique ou une reprsentation schmatiquevidente(diagrammedeVenn).Danslapratiquedesproblmes dingnierie,laconnaissancemathmatiquequon aduproblmenesten gnralpas suffisante pour permettre de dcrire le comportement du systme. On a alors recours des sries dexpriences et lanalyse de donnes collectes pour caractriser le systme etainsiappliquerlathoriedesprobabilitspourvaluerlaprobabilitdoccurrence dun vnement quelconque dans le systme. De plus lvolution du systme (lectrique dans notre cas) fait que ses paramtres varient et, sur une priode donne, les diffrents lmentsdusystmepassentpasplusieurstatsayantchacununeprobabilit doccurrence.Lemodlequisiedlemieuxladescriptionduntelsystmeestun modle probabiliste dfini sur la base dune variable alatoire globale reprsentant ltat dusystme.Cettederniretantlacombinaisondevariablesalatoiresreprsentant ltatdesdiffrentslmentsdusystme.Toutcecisouslhypothse-ncessaire tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 339lapplication de la thorie des probabilits - que les occurrences des diffrents tats sont alatoires. Unevariablealatoireestuneapplicationdelensembledespreuves(expriences) dans le corps des rels. Elle est caractrise par lensemble des probabilits associes tous les tats possibles. Une variable alatoire peut tre discrte ou continue. Une variable alatoire est dite discrte lorsque son ensemble dtats possibles est fini ou dnombrable.Parexemplelorsdunlancded,lavariablealatoirequiassocie chaquelanc,lenumrodelafaceapparaissantaudessusestunevariablealatoire discrte car elle na que 6 tats possibles. Unevariablealatoireestditecontinuesisonensembledtatspossiblesestinfiniet nondnombrable.Parexemplesilavitesseduventsurunsitedonnpeutprendre toutes les valeurs entre 0et 30 m/s, les valeurs prises par cette vitesse dfinissent une variable alatoire continue. Unevariablealatoireestentirementdfinieparsaloideprobabilitquisedcline souslaformesoitdunefonctionderpartition,soit dunefonctiondensitdeprobabilit,soit par une distribution de probabilit. 3. 1. 2. 2Fonct i onde r par t i t i on Soit X une variable alatoire numrique. La fonction de rpartition est compltement dcriteparlavaleurdelaprobabilitpourquuneralisationdecettevariablesoit infrieure x pout tout x. il sagit donc dune application F de R dans [0, 1] dfinie par : 3.2 La fonction de rpartition F(x) de la variable alatoire X reprsente la proportion de la populationconsidredontlavaleurestinfrieurex.Elleestclairement non dcroissante avec des valeurs allant de 0 1. Les vnements X < x et X x sont mutuellement exclusifs et complmentaires do : 1 3.3 Plus gnralement, pour toute paire de nombres a et b tels que a b, 3.4 3. 1. 2. 3Fonct i ondens i t depr obab i l i t Pourtoutevaleurx0delavariablealatoirenumriqueX,laprobabilitpourquune nouvelle observation de X tombe entre x0 et x0 + dx est proportionnelle dx et est de la forme : 3.5 O f(x) est par dfinition la fonction densit de probabilit. La fonction densit de probabilit est : positive ou nulle quelque soit x ; tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 340la valeur de son intgrale de - + (aire sous la courbe de la Figure 3.1) est gale 1. Figure 3.1 Fonction densit de probabilit La fonction densit de probabilit est intimement lie la fonction de rpartition : La valeur de la fonction de rpartition en x0 est gale lintgrale de la fonction densit de probabilit de - x0 ; 3.6 Figure 3.2 Illustration de la dtermination de F en fonction f Plus gnralement pour toute paire de nombre a et b tels que a b, on crit : 3.7 f(x) x x00 f(x0) Aire hachure = F(x0) f(x) x0 tel-00447151, version 1 - 14 Jan 2010C H A P I T R E 341Rciproquementlafonctiondensitdeprobabilitestladriv(pente)dela fonction de rpartition quand cette pente est dfinie. 3.8 Figure 3.3 Illustration de la dtermination de f en fonction F 3. 1. 2. 4Di s t r i but i on depr obabi l i t Il sagit de lquivalent pour les variables alatoires discrtes de la fonction densit de probabilit. A chaque valeur Xi que prend la variable discrte X est attache la quantit Pi(X = Xi). De faon similaire ce que lon a pour les variables continues, on a : 3.9 La sommation portant sur tous les indices i tels que A < Xi < B. Contrairement une fonction densit de probabilit, une distribution de probabilit ne peut prendre que des valeurs infrieures ou gales 1 puisque ces valeurs sont de vraies probabilits. Cettenotiondedistributiondeprobabilitestimportantecarnousauronsdansla majoritdescasrecoursauxvariablesalatoiresdiscrtespourmodliserle comportementdusystmelectrique.Enplusdeladistributiondeprobabilit,ilest souventutiledecomplterladescriptiondunevariablealatoireparsesparamtres caractristiquestelslesprance,lcarttype,etc.Ilsdonnentdesinformations supplmentaires sur le comportement de la variable. Ces paramtres seront dfinis dans le paragraphe suivant en priorit pour le cas discret. 3. 1. 2. 5Es pr ance mat hmat i que Soit X une variable alatoire discrte. Lesprance mathmatique de X, note , est lasommepondredesvaleursdudomainedeX.Lespoidstantgaux,par dfinition,auxprobabilitsdesvaleurscorrespondantes.Ainsi,sionnotecet ensemble de valeurs, on a, par dfinition : F(x) xx0F(x0) ) Pente = f(x0) tel-00447151, ve