La liaison Baixas-Santa Llogaia : Une étape importante du développement des liaisons VSC

06/03/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-1:18893
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La liaison Baixas-Santa Llogaia : Une étape importante  du développement des liaisons VSC

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	    <date dateType="Updated">Mon 6 Mar 2017</date>
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REE N°1/2017 97 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC) DOSSIER 2 Introduction En Europe, plusieurs études ap- pellent à une extension des réseaux nationaux d’électricité au-delà de leurs frontières. Outre le souhait, depuis les années 1990, de bâtir un mar- ché européen de l’électricité qui fonc- tionne réellement, ce phénomène est lié avant tout au fait que de plus en plus d’électricité est produite à partir de sources renouvelables en Europe, tandis que la demande en électricité dans chacun des pays ne cesse de croître. Le projet VSC Baixas-Santa Llo- gaia illustre parfaitement ce que des La liaison Baixas-Santa Llogaia Une étape importante du développement des liaisons VSC Frank Schettler1 , Oliver Kuhn1 , Volker Lehmann1 , Antoine Larger2 Siemens AG1 , Siemens SAS2 Starting with a description of the European electricity market, and its ambition to integrate renewable power sources, the article then focuses on the special situation of the French electricity network and its connections to the Iberian Peninsula. Subsequently, the contribution of the Baixas-Santa Llogaia Voltage-Sourced Converter (VSC) project to the stabilization of the two national power grids is presented and the future development and central innovations of HVDC transmission discussed. ABSTRACT L’article s’ouvre sur une présentation du mar- ché européen de l’électricité et de son ambi- tion d’intégrer les sources d’énergies renouvelables avant de s’intéresser plus en détail à la situation particulière du réseau électrique français et ses connexions avec la pénin- sule ibérique L’article présente ensuite la contribution de la liaison VSC (convertisseurs à source de tension) de Baixas-Santa Llogaia à la stabilisation des deux réseaux nationaux d’élec- tricité et traite du développement futur et des principales innovations du transport HVDC. RÉSUMÉ MOTS CLÉS : VSC, interconnexion France-Espagne, HVDC PLUS, topologie à pont complet, topologie à demi-pont Figure 1 : À l’intérieur de la salle de conversion de la station de conversion de Baixas 98 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 solutions HVDC innovantes, associées à des convertisseurs à source de ten- sion, peuvent apporter pour contribuer de manière optimale aux objectifs de chacune des parties impliquées dans ce projet. La récente technologie VSC a toujours une longueur d’avance sur certaines des innovations attendues dans le futur et ses performances commencent déjà à se faire sentir aujourd’hui. Pour l’Union européenne, des projets comme celui- ci ont une très grande importance pour réaliser ses objectifs ambitieux de réduc- tion des émissions de CO2 et de déve- loppement durable, tout en contribuant à la convergence des prix de l’électri- cité à un niveau accessible sur le mar- ché commun. Le marché de l’électricité en France et en Espagne Avant la réalisation de la liaison VSC Baixas-Santa Llogaia, le ratio entre la capacité d’importation et la capacité installée du réseau électrique espa- gnol était de 3 à 4 %. En mars 2002, le Conseil européen a recommandé que chaque État membre ait un ratio d’au moins 10 %1 , alors que les intercon- nexions entre la France et l’Espagne four- nissent une capacité transfrontalière de 1 200-1 400 MW dans le sens France - Espagne et de 900-1 100 MW dans le sens Espagne - France. Pour éliminer ce goulot d’étrangle- ment, les gouvernements français et espagnol ont engagé des discussions dès le début des années 90, sans tou- tefois aboutir à un accord, en raison notamment des manifestations mas- sives contre le passage de lignes à haute tension aériennes au-dessus des Pyré- nées et du débat public passionné qui s’est ensuivi en France au cours de l’an- née 2003. 1 http://ec.europa.eu/energy/en/topics/ infrastructure Face à l’absence de projet concret malgré d’autres initiatives nationales, et même la réaffirmation du projet d’inter- connexion à travers les Pyrénées parmi les 12 projets énergétiques les plus importants en Europe2 , la Commission européenne a nommé Mario Monti coor- dinateur européen pour l’interconnexion France-Espagne en 2007. Courant 2008, la recommandation finale formulée par ce dernier s’est portée sur une solu- tion HVDC entièrement souterraine sur la section frontalière de l’interconnexion (Baixas-Santa Llogaia) et utilisant au mieux les infrastructures existantes. Dans sa recommandation, la solution HVDC terrestre a été préférée à une solu- tion en courant alternatif (CA), car l’effet capacitif des câbles de grande longueur rend impossible le contrôle précis de la tension et de la puissance réactive. Les deux gouvernements acceptèrent cette recommandation qui est, selon Mario Monti, « le meilleur engagement tech- nique, économique et environnemental possible compte-tenu des attentes des populations locales ». Ils créèrent alors la coentreprise INELFE (Interconnexion Électrique France-Espagne) constituée à parts égales par RTE (Réseau de Trans- port d’Électricité) et REE (Red Electrica de España), les gestionnaires du réseau de transport (GRT) français et espagnol. Avantages des technologies HVDC et VSC D’une manière générale, les fluc- tuations de tensions dues à des débits de puissance non contrôlés (liés par exemple aux intermittences d’alimen- tation par les sources d’énergie renou- velables) peuvent entraîner un blackout sur des réseaux entiers, provoquant des dégâts économiques considérables. Les systèmes HVDC fournissent une 2 Décision n° 1364/2006/CE du Parlement européen et du Conseil du 6 septembre 2006, Annexe 1, http://eur-lex.europa.eu/legal- content/ ENTXT/?uri=celex:32006D1364 solution technique performante à ce problème, en étant particulièrement adaptés pour former une « autoroute énergétique contrôlée » connectant des sections d’un réseau de courant alter- natif. Ils rendent possible le transport d’électricité en temps réel régulé avec précision, avec des pertes de trans- mission relativement faibles. Un sys- tème HVDC en technologie VSC, tel que choisi pour le projet INELFE, apporte des avantages supplémentaires aux gestion- naires de réseaux : continu et précis à chacune des stations de conversion, quelle que soit la puis- sance active transmise dans la plage de puissances nominales d’une station ; atténuant les oscillations de puissance basse-fréquence qui peuvent se pro- duire entre les différentes zones des réseaux étendus ; - tables et compactes ; le cas d’une séparation de systèmes CA, incluant une inversion rapide de la puissance ; la vitesse d’inversion du flux électrique est limitée uniquement par les capacités dynamiques des sys- tèmes CA correspondants ; - tème : une sécurité d’approvisionnement assurée par la possibilité d’alimenter un réseau passif ; cette caractéristique est aussi dénommée “blackstart” (« capa- cité de démarrage autonome ») ; - port de courant sur longues distances ; - tenance aisée, avec des services com- plets sur toute la durée de vie ; dépenses de fonctionnement les plus modérés pour les GRT ; les systèmes HVDC constituent par- fois la seule solution pour transmettre REE N°1/2017 99 La liaison Baixas-Santa Llogaia l’énergie entre des systèmes CA non- synchrones et obtenir ainsi une dispo- nibilité maximale. Le projet INELFE, un modèle à suivre À sa mise en service en 2015, la pre- mière interconnexion HVDC terrestre intégrée en Europe, entre la France et l’Espagne, est devenue un modèle pour réduire les goulots d’étranglement du réseau européen d’électricité. Le pro- jet INELFE est constitué de deux liaisons 1 000 MW indépendantes, chacune étant basée sur la technologie VSC, avec une tension de câble à ±320 kV continu, ce qui en fait le système HVDC VSC le plus puissant au monde actuellement en ser- vice. En plus de la puissance active trans- mise, chaque station de conversion a été conçue pour échanger une puissance réactive de +/-300 MVAr pour chaque convertisseur 1 000 MW3 . Dans la phase de conception finale du projet, ces capa- cités ont été considérablement étendues pour permettre à chaque convertis- seur d’échanger -600/+400 MVAr à 3 INELFE, janvier 2010, « HVDC link between France and Spain – Functional Specifications for the Converter Stations » puissance active minimale, la capacité de -600 MVAr étant même disponible jusqu’à 900 MW de puissance active. Les stations de conversion sont rac- cordées au point de jonction 400 kV CA 50 Hz de Baixas en France et à la nouvelle sous-station de Santa Llogaia en Espagne, cette dernière étant éga- lement connectée au réseau 132 kV alimentant la ligne à grande vitesse (figures 2 à 4). La configuration en deux liaisons parallèles indépendantes a été choi- sie pour obtenir le plus haut niveau de sécurité d’approvisionnement, en four- nissant une redondance de capacité de transport de 1 000 MW en cas d’in- disponibilité de la liaison dans un seul sens. La connexion de 64 km entre les deux nœuds a été réalisée avec deux câbles en cuivre HVDC par liaison (iso- lant XLPE, écran en tube d’aluminium, section de 2 500 mm2 ). Étant donné que les déclivités du terrain sur la sec- tion frontalière des Pyrénées orientales n’autorisaient pas un cheminement de câble ordinaire, un tunnel dédié d’une longueur de 8,5 km et d’un diamètre de 3,5 m a été creusé. Sur les autres parties de la liaison, deux tranchées indépen- dantes ont été aménagées, nécessitant une largeur permanente du couloir de câble de 4 à 7 mètres. Figure 2 : Aperçu de la liaison France-Espagne. Figure 3 : La station de conversion de Baixas. Figure 4 : La station de conversion de Santa Llogaia. 100 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 HVDC PLUS – Un plus pour les performances Des systèmes HVDC sont en service commercial depuis plus de six décen- nies, dans le monde entier. La techno- logie la plus utilisée, et de loin, pour des systèmes de ce type, sont les conver- tisseurs à thyristors. Ces convertisseurs sont également dénommés Line Com- mutated Converters (LCC) ou conver- tisseurs commutés par les lignes, parce que leur principe de conversion néces- site un système CA de puissance de court-circuit relativement élevée. L’introduction de la technologie VSC dans la technologie haute-tension a permis d’accroître considérablement la fonctionnalité des systèmes HVDC. Ces convertisseurs sont en effet capables de générer une tension CA par eux-mêmes ; c’est pourquoi ils sont également appe- lés convertisseurs auto-commutés. Alors que les VSC n’étaient à l’ori- gine capables de produire que des tensions sinusoïdales de forme très imparfaite, le convertisseur multi- étage développé par Siemens (Modu- lar Multilevel Converter - MMC) génère des tensions et courants alternatifs et continus avec des formes d’ondes lis- sées, en commutant individuellement un grand nombre de modules élec- troniques de puissances identiques. Le résultat est une tension alterna- tive quasiment sinusoïdale aux bornes du convertisseur, similaire à la tension que l’on connaît à la sortie des géné- rateurs des centrales électriques. Cela, combiné à des capacités de contrôle rapides et précises, rend les systèmes HVDC MMC faciles à intégrer dans les environnements de systèmes de puis- sance les plus exigeants. La technologie MMC de Siemens s’adapte de manière flexible à diverses exigences grâce à : une grande adaptabilité du système ; compte les contraintes particulières en matière d’emprise au sol ou d’architec- ture des bâtiments ; un nombre réduit de composants du fait que, par exemple, dans la plupart des cas des filtres harmoniques sup- plémentaires ne sont plus nécessaires. Fonction de démarrage autonome et contrôle de la puissance réactive Le système HVDC d’INELFE utilise pleinement les capacités de la nou- velle technologie de transport VSC. Les fonctionnalités importantes de contrôle de la puissance qui sont présentes comprennent : réactive indépendamment de la trans- mission de puissance dans les deux réseaux de RTE et REE ; - sance réactive dans la zone frontalière ; La capacité de démarrage autonome (blackstart) du projet a, en particulier, une très grande valeur. En cas de défail- lance sur l’un des deux côtés, le système correspondant peut être redémarré à l’aide de l’énergie provenant de l’autre côté (intact), ajoutant de la disponibilité et de la fiabilité aux deux réseaux. Le système de contrôle La conception du système de contrôle correspond aux exigences de performances dynamiques qui visent à permettre un meilleur comportement dynamique en cas de perturbations dans le système. Tout incident sérieux survenant sur le réseau français ou espagnol aurait un impact significatif sur l’interconnexion en matière de débit de puissance et d’oscillations de tension. Par conséquent, les GRT des deux pays ont défini des fonctions importantes de contrôle pour assurer un comporte- ment stable de la liaison VSC intégrée au réseau alternatif existant, parmi les- quelles trois modes d’action individuels de contrôle de la puissance active : consigne, pour réguler le HVDC selon les consignes de puissance active répartie des GRT. Ce mode de contrôle est requis, typiquement, au cours de l’exploitation asynchrone des réseaux, lorsque toutes les lignes CA parallèles sont hors service ou indisponibles ; réguler la puissance active comman- dée au HVDC sous la forme d’un pourcentage de la puissance intercon- nectée. Cela est possible uniquement lors d’une exploitation synchrone des réseaux lorsqu’une ou plusieurs lignes CA parallèles sont en service ; innovante et une fonctionnalité unique pour le projet Baixas-Santa Llogaia. Il a été le mode de contrôle privilégié depuis le démarrage de l’exploitation commerciale. Il régule la puissance active commandée au HVDC sous forme d’une fonction de l’angle de phase sur la ligne aérienne parallèle (Angle Difference Control – ADC). Il n’y a pas besoin d’une répartition de valeur de consigne de puissance active directe de la part de l’opérateur, mais une consigne peut cependant être sai- sie si besoin. Pour optimiser encore davantage le contrôle du HVDC, le système de contrôle du projet INELFE a été répliqué dans chacun des laboratoires temps- réel de RTE et REE, pour permettre des études de réseaux, optimiser la mainte- nance et permettre la recherche sur les projets futurs. Ces répliques concourent à : connaissance des systèmes HVDC ; - tion liés aux HVDC et aux dispositifs FACTS ; REE N°1/2017 101 La liaison Baixas-Santa Llogaia activités de maintenance ; - ser les performances du système ; dispositifs de contrôle des projets REE et RTE ; fournisseurs et multi-alimentations. Des avantages à tous points de vue Selon une étude de l’ENTSO-E (European Network of Transmission System Operator for Electricity), les économies attendues en matière de - sions de CO2 , de pertes d’énergies renouvelables et de réduction poten- tielle d’énergie non fournie montrent que le retour sur investissement est inférieur à 10 ans pour cette intercon- nexion. D’autres bénéfices se mani- festent, par l’amélioration de la qualité et de la fiabilité des réseaux, par une plus grande sécurité d’approvisionne- ment et une plus grande stabilité du réseau espagnol grâce à une capacité d’échange accrue avec le reste de l’Eu- rope. L’interconnexion favorise égale- ment une meilleure intégration des énergies renouvelables sur la pénin- sule ibérique et renforce l’intégration du marché ibérique au sein du marché européen de l’électricité. Dernières tendances dans les applications courant continu avec technologie VSC La technologie HVDC offre bien des possibilités d’application, cha- cune avec des défis différents à rele- ver, et qui requièrent des solutions spécifiques. Le projet Ultranet en Alle- magne, qui est le premier projet HVDC en ligne aérienne en Europe, en est un bon exemple. Sa conception est sous forme de bipôle. De manière similaire à la topologie de la liaison double HVDC d’INELFE, les bipôles fournissent une redondance de 50 % ou plus de leur capacité installée en cas d’indisponi- bilité de la liaison dans un seul sens. Dans le cas du bipôle, toutefois, les cir- cuits CC (courant continu) des deux pôles utilisent le conducteur de retour commun et ne sont donc pas totale- ment indépendants. Les bipôles sont une alternative intéressante au concept en double liaison, particulièrement en cas de longues distances de trans- port. Le système Ultranet aura une puissance nominale de 2 000 MW à ±400 kV continu. La distance de trans- port sera de 340 km pour la première phase, dans le sud de l’Allemagne, avec une extension prévue vers le nord dans une deuxième phase. La ligne aérienne CC utilise un couloir CA existant, ce qui simplifie considérablement les proces- sus d’autorisations pour la ligne. Des lignes CA et CC seront de ce fait pré- sentes sur les mêmes pylônes – encore une autre première mondiale. Topologie de convertisseur en demi-pont L’interconnexion Baixas-Santa Llogaia est basée sur la technologie dite HVDC PLUS en demi-pont. Des progrès récents ont permis à Siemens d’accroître consi- dérablement la capacité de transmission des MMC à demi-pont, à 2 kA de cou- rant CC ou même plus, à comparer aux 1,5 kA de l’interconnexion Baixas-Santa Llogaia. C’est une alliance parfaite des dernières innovations dans la technolo- gie des câbles XLPE. Topologie de convertisseur à pont complet Les lignes aériennes sont évidem- ment bien plus exposées aux conditions atmosphériques que les câbles avec, par conséquent, une plus forte proba- bilité de défauts en ligne. Cependant, dans environ 97 % des cas, ces défauts peuvent être résolus en interrompant le courant de défaut puis en reprenant l’exploitation normale. Pour permettre cela, les stations de conversion doivent être capables de couper le courant de défaut et de récupérer rapidement d’un tel défaut. Cette fonctionnalité est four- nie par la technologie HVDC PLUS à Figure 5 : Module de puissance de type demi-pont – Le condensateur de puissance peut être connecté aux bornes dans une seule polarité. 102 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 pont complet qui sera utilisée notam- ment dans le projet Ultranet. Siemens a réussi à développer le MMC à pont complet adapté aux exi- gences spécifiques des lignes aériennes dans le monde entier. La conception et le design ont fait leurs preuves dans une large gamme d’applications dans le domaine des convertisseurs de fré- quence à haute puissance, pour les applications ferroviaires ou les compen- sateurs d’énergie réactive. Contrairement au MMC à demi-pont, le MMC à pont complet va permettre de contrôler les tensions alternatives et conti- nues indépendamment l’une de l’autre, ce qui offre les avantages suivants : des défauts d’isolement, pas besoin de sectionneurs CC ; - dant la résolution du défaut CC ; transport en alternatif avec transmis- sion de puissance dès la phase de montée de la tension continue ; - lutions de défaut CC ; - poraire ou permanente pour une sécu- rité d’approvisionnement accrue, par exemple en cas d’intempéries ; temps pour les extensions de sys- tèmes et l’intégration à des réseaux HVDC étendus. Configuration multipoint et futurs réseaux en courant continu Les opérateurs de réseaux d’électri- cité dans le monde entier font face à des défis pour satisfaire des exigences grandissantes de capacité de transmis- sion, de résilience et de flexibilité, liées notamment à l’intégration de sources d’énergie renouvelables. Une partie de cette problématique consiste à pri- vilégier les systèmes HVDC plutôt que des connexions point à point comme colonne vertébrale de stabilisation du réseau, pour les développer ensuite en réseaux HVDC. HVDC PLUS est parfaitement adapté à de telles applications de réseau HVDC car il maintient la tension continue constante dans une polarité et modi- fie le sens du transfert de puissance en inversant le courant. Lorsque HVDC PLUS est utilisé en topologie à pont complet et combiné à des sectionneurs rapides, par exemple, il réduit au mini- mum les interruptions de transmission de puissance par une coupure rapide du courant de défaut, une déconnexion de la section défectueuse et la récupéra- tion du reste du système. Avec HVDC PLUS, les réseaux HVDC peuvent être développés étape par étape. Un scénario peut être de connec- ter d’abord un petit nombre de stations de conversion formant des systèmes multipoints. Ces systèmes peuvent LES AUTEURS Frank Schettler est principal expert pour les convertisseurs à source de tension HVDC PLUS chez Siemens AG, à Erlangen (Alle- magne). Il travaille chez Siemens depuis 25 ans dans le domaine du transport d’énergie électrique. Oliver Kuhn est employé depuis 25 ans chez Siemens dans les domaines des entrainements de grande puissance, du transport, de l’énergie, et de la connexion au réseau des éoliennes offshore. Il travaille actuellement dans le mar- keting technique et stratégique des liens HVDC. Volker Lehmann est directeur des projets HVDC pour Siemens AG à Erlangen (Allemagne). Il était le directeur de projet pour les stations de conversion du projet Inelfe. Antoine Larger est expert en postes électriques haute tension chez Siemens France. Il travaille dans le domaine des réseaux élec- triques et du transport d’énergie électrique depuis 25 ans. Figure 6 : Module de puissance de type pont complet : le condensateur peut être connecté aux bornes dans n’importe quelle polarité. REE N°1/2017 103 La liaison Baixas-Santa Llogaia bénéficier de la fiabilité de la gestion des défauts du réseau continu par les sys- tèmes MMC à pont complet, en ce qui concerne par exemple les faibles magni- tudes de courants de défaut et la rapidité des résolutions et des temps de réta- blissement. Dans une seconde phase du développement du réseau, ces sys- tèmes multipoints peuvent être intercon- nectés, formant un plus grand réseau HVDC. Dans un tel réseau, les grandes distances de transmission vont néces- siter des plages de fonctionnement de tensions continues plus larges pour les convertisseurs. Le MMC à pont complet, avec son contrôle flexible de la tension continue, s’adapte à cette exigence sans aucune modification technique. Références [1] INELFE – Europe’s first integrated onshore HVDC interconnection, P. Labra Francos, S. Sanz Verdugo, H. Fernández Álvarez, S. Guyomarch, J. Loncle, 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting. [2] Operational experience of new Spain- France HVDC interconnection, J. Bola, R. Rivas, R. Fernández-Alonso, G. Pérez, J. Hidalgo, L.m. Coronado, C. Longás, S. Sanz, G. Lemarchand, J. Roguin, D. Glaise, Paper B4-117 CIGRE 2016. [3] Feedback on INELFE France Spain HVDC Project, J. Loncle, P. Hondaa, J. M. Argüelles Enjuanes, G. Denche Castejón, A. Domínguez Ferrer, L. Benard, J. Santana, V. Lehmann, T. Westerweller, M. Häusler, Paper B4- 124 CIGRE 2016. [4] New French-Spanish VSC link, Patricia Labra Francos, Sylvain Guyomarch, Silvia Sanz Verdugo, Paper B4-110 CIGRE 2012. [5] État de l’art des liaisons à courant continuavecconvertisseursLCCetVSC. Illustration avec le renouvellement des convertisseurs de la liaison IFA200 et le projet France-Espagne, Géraldine Real, Samuel Nguefeu, Johan Loncle, Matpost 2011.