Concept Grid. Un laboratoire au service des microgrids

18/07/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19480
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Concept Grid. Un laboratoire au service des microgrids

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112 Z REE N°3/2017 LES MICROGRIDS (PARTIE 2)DOSSIER 2 Introduction Le développement des énergies re- nouvelables ces dernières années a induit de nombreuses évolutions au sein du système électrique. Les moyens de production décentralisés modifient en effet les flux électriques historique- ment descendant depuis des centrales de forte puissance vers les clients finaux et induisent une plus grande variabi- lité des flux d’énergie au niveau local. Cela correspond à une double évolu- tion : technologique d’une part avec de nouveaux moyens de production pho- tovoltaïques, éoliennes et les commu- nications associées, et sociétale d’autre part avec une implication plus forte au niveau local de la part des clients finaux. La notion de microgrid est associée à l’arrivée des énergies décentralisées, à la possibilité de stocker l’énergie, mais aussi d’influer sur la demande afin de consommer au meilleur moment – par exemple en intégrant des prévisions de météo ou de prix. Un microgrid peut être défini comme un réseau électrique de petite ou moyenne taille, compor- tant à la fois des charges (ou consom- mateurs), des moyens de production et parfois du stockage. Le terme de microgrid englobe ainsi de nombreuses réalités et typologies sous-jacentes. On pourra tout d’abord distinguer les microgrids connectés au réseau électrique de ceux totale- ment isolés. Les microgrids connectés au réseau principal ont la possibilité de fonctionner en mode îloté une par- tie du temps, suite à un incident ou de façon volontaire. Ces microgrids visent essentiellement des sites sensibles, nécessitant une grande sécurité et qua- lité d’alimentation. Les attendus sont alors forts en matière de « résilience ». Les microgrids isolés vont quant à eux Concept Grid. Un laboratoire au service des microgrids Concept Grid, le laboratoire réseau électrique réel d’EDF Lab qui accélère le développement de solutions innovantes pour le système électrique Aude Pelletier1 , Loïc Joseph-Auguste2 , Cristian Jecu3 Chef de groupe, Laboratoire des matériels électriques, EDF R&D1 , Pilote du laboratoire Concept Grid, Laboratoire des matériels électriques, EDF R&D2 , Ingénieur-chercheur en simulation temps-réel, Laboratoire des matériels électriques, EDF R&D3 The emergence of microgrids is driven by the fast development of renewable energy and the ability to manage the electricity demand and store energy. Microgrids are small electricity networks that can be opera- ted in areas that are remote and disconnected from tradi- tional grids, or as part of existing grids, to provide additional services such as resilience to extreme events. The complexi- ty of such systems that have to optimize local generation, consumption and storage harmoniously, while integrating data and telecommunication to control traditional hardware, requires microgrid developers and operators to thoroughly test and validate their behavior. Providing a unique test bed for grid innovative solutions, the Concept Grid laboratory of EDF R&D is the perfect tool to validate microgrid energy ma- nagement systems in real conditions. This paper presents the Concept Grid laboratory and some of its applications linked with Microgrids, including specific islanding testings for the Nicegrid demonstrator in Nice, South of France. ABSTRACT L’émergence des microgrids est liée au déve- loppement rapide des énergies renouvelables et à la capacité de piloter la demande en électricité et de stocker l’énergie. Les microgrids sont de petits réseaux élec- triques qui peuvent être exploités dans des zones éloignées et déconnectés des réseaux traditionnels ou qui sont par- tie intégrante de ces réseaux afin de fournir des services additionnels tels que la résilience face aux événements extrêmes. La complexité de tels systèmes, qui doivent opti- miser harmonieusement la production locale d’électricité, la consommation et le stockage, tout en intégrant des capaci- tés de gestion des données et de télécommunications pour assurer le contrôle du matériel traditionnel, exige de la part des développeurs et des opérateurs de tester et de valider de façon approfondie leurs stratégies. En offrant un banc d’essai unique pour les solutions innovantes de conduite des réseaux, le laboratoire Concept Grid d’EDF R&D est l’outil parfait pour valider les systèmes de gestion des mi- crogrids en conditions réelles. Cet article présente le labora- toire Concept Grid et certaines de ses applications liées aux microgrids, y compris des tests spécifiques d’îlotage pour le démonstrateur de Nice Grid, dans le sud de la France. RÉSUMÉ REE N°3/2017 Z 113 Concept Grid – Un laboratoire au service des microgrids concerner des sites souvent éloignés des réseaux électriques, dans des zones peu accessibles, comme par exemple des villages non électrifiés loin des grandes métropoles ou encore des bases militaires. Les microgrids peuvent aussi être classifiés selon leur puissance installée, depuis des systèmes locaux pour l’usage d’un foyer ou d’un lotisse- ment à des systèmes plus grands, par exemple à la maille d’un campus univer- sitaire, comme le microgrid de l’univer- sité de Californie à San Diego. La mise en place d’un microgrid nécessite de bien définir les services associés (électrification, amélioration de la qualité de fourniture, intégration d’énergies renouvelables locales, etc.) et de mettre en place une coordination et un pilotage de l’ensemble des consti- tuants en fonction des scénarios pos- sibles (charges, sources, stockage). La coordination d’un microgrid est assu- rée par des algorithmes et des moyens de pilotage locaux, souvent centralisés dans un Energy Management System (EMS). Sur son site EDF Lab des Renar- dières, au sein du laboratoire Concept Grid, EDF teste le comportement de solutions pour microgrids, face à diffé- rents scénarios représentatifs du terrain. La suite de cet article présente le labo- ratoire Concept Grid, ses bénéfices pour les acteurs des microgrids ainsi que des cas d’utilisation possible du laboratoire. Concept Grid : de la nécessité de tester en conditions réelles les solutions innovantes pour le système électrique Pourquoi Concept Grid ? C’est en 2013 qu’EDF R&D a construit le laboratoire Concept Grid (figure 1), un réseau électrique réel de taille réduite, sur son site des Renar- dières au sud de Paris (Seine et Marne). Concept Grid s’inscrit pleinement dans le contexte de développement de sys- tèmes électriques plus flexibles, en lien avec l’insertion des énergies renouve- lables éoliennes. Il teste de nouveaux usages comme les véhicules élec- triques ou les pompes à chaleur et l’uti- lisation de nouvelles technologies de la communication et de l’information qui rendent les équipements communi- cants et permettent une meilleure visi- bilité et des capacités de pilotage plus fines du système. La raison d’être de Concept Grid est double : d’une part accélérer le dévelop- pement de nouveaux produits ou sys- tèmes innovants pour passer très vite d’une idée ou d’un prototype à un pro- duit validé et commercialisable, d’autre part donner de la confiance à un exploi- tant en limitant les risques en amont d’une installation sur le terrain, par des tests représentatifs et ciblés. Concept Grid est une nouvelle offre de test pour le système électrique, qui constitue le chaînon manquant entre les essais en laboratoires unitaires et les démonstrateurs sur le terrain. Tra- ditionnellement, un matériel va subir une série d’essais unitaires, bien défi- nis dans une spécification et faisant appel à des normes établies (tests élec- triques, climatiques, mécaniques, etc.). Cependant, dans la validation des futurs matériels de smart grids ou de micro- grids, ces essais unitaires ne suffisent plus car ils ne permettent tout simple- ment pas de tester le nouveau matériel en interaction avec le reste du système : le matériel est-il perturbé ou perturba- teur, par son comportement, de l’écosys- tème existant ? Y a-t’il des configurations de terrain, nominales ou extrêmes, qui doivent faire l’objet d’une attention par- ticulière ? Aucune norme ne définit les attendus en la matière. Les démonstra- teurs smart grids ou microgrids, tests en grandeur réelle dans les territoires, n’apportent pas non plus toutes les réponses à ces questions : en présence de véritables clients, il n’est pas possible de tester des situations de perturbations extrêmes, l’expérimentateur ne dispose pas de toutes les souplesses de test nécessaires à la validation. Ainsi est née l’idée de construire Concept Grid : un laboratoire constitué d’un système électrique réel, qui permet de conduire très rapidement des cam- pagnes de test complètes en conditions représentatives, nominales et extrêmes, pour valider des matériels ou solutions innovantes. Concept Grid permet ainsi de tester une large gamme de matériels ou d’idées innovantes, par exemple des capteurs de courant ou de tension innovants, des matériels permettant de régler la ten- sion du réseau (transformateurs HTA/ Figure 1 : Le laboratoire Concept Grid avec son quartier d’habitations. 114 Z REE N°3/2017 LES MICROGRIDS (PARTIE 2)DOSSIER 2 BT innovants ou équipements indépen- dants), des systèmes de stockage d’élec- tricité pour valider leurs applications, des matériels communicants pour les postes numériques du futur, et notamment selon le standard CEI 61850, mais aussi des véhicules électriques et leurs solu- tions de recharge, des compteurs intel- ligents, des scénarios d’implémentation des blockchains, etc. La problématique du test en condi- tions réelles des smart grids et de l’inté- gration des énergies renouvelables n’est pas une préoccupation propre à EDF : d’autres initiatives basées sur la même philosophie ont été lancées, notam- ment en Amérique du Nord chez NREL (National Renewable Energy Lab) et à l’IREQ (HydroQuebec). Description du laboratoire Concept Grid Concept Grid dispose, à petite échelle, de l’ensemble des briques élémen- taires d’un réseau électrique, connec- tant des consommations et moyens de production. Cette plate-forme de test est représentative de la réalité, depuis le poste-source jusqu’aux clients et équipe- ments domestiques en aval du compteur, et permet la réalisation de perturbations de tous types des différentes grandeurs électriques (figure 2). Alimenté par un transformateur dédié 63/20 kV, Concept Grid comprend trois km de réseaux Haute Tension (20 kV) aériens et souterrains complétés par des éléments RLC (résistance, induc- tance, capacité) représentant l’équi- valent de 120 km supplémentaires de réseau. Quatre postes de distribu- tion HTA/BT alimentent les sept kilo- mètres de réseaux Basse Tension (230 V) qui assurent l’alimentation d’un quartier d’habitation spécialement dédié au test de solutions et d’équi- pements innovants. Cinq maisons per- mettent d’installer, à la demande, des équipements domestiques, des comp- teurs communicants, des systèmes de contrôle à distance, une micro-éolienne, des installations photovoltaïques et des bornes de recharge pour véhicules élec- triques. Le laboratoire permet aussi de tester différentes technologies de stoc- kage par batterie, depuis les usages domestiques (quelques kW) jusqu’aux applications systèmes stationnaires de plus grande taille (1 MW). Enfin, Concept Grid peut aussi être connecté électriquement à d’autres laboratoires du site EDF Lab les Renardières pour venir compléter les moyens de consom- mation ou de production (figure 3). On peut ainsi y raccorder, à la demande, des capacités additionnelles de produc- tion photovoltaïque, un ensemble d’ins- tallations réelles d’éclairage public, des laboratoires sur la mobilité électrique, des pompes à chaleur et même des consommations de bureaux. L’ensemble a été conçu de façon extrêmement flexible, de façon à pouvoir connecter aisément de nouveaux équi- pements, à faire varier les longueurs de réseau électrique, à organiser avec sou- plesse les raccordements en différents points. Par ailleurs, trois modes d’exploi- tation sont possibles en faisant varier le régime de neutre du réseau moyenne tension qui assure la sécurité des biens et des personnes : neutre résistif, neutre compensé ainsi qu’un régime innovant appelé neutre actif (aussi appelé « neutre Figure 2 : Vue d’ensemble du Concept Grid. REE N°3/2017 Z 115 Concept Grid – Un laboratoire au service des microgrids électronique ») – une flexibilité utile pour s’adapter à l’exploitation de diffé- rents pays. Des perturbations électriques peuvent être créées à la demande, tels que des courts circuits basse tension et des défauts moyenne tension, monopha- sés et polyphasés, à la fois sur le réseau souterrain et le réseau aérien. Enfin, Concept Grid dispose d’un simulateur temps-réel, couplé à des amplificateurs basse tension de 120 kVA fonctionnant en quatre quadrants (selon les modèles de fonctionnement des machines élec- triques). Cela permet de jouer des scéna- rios électriques façonnés à la demande, par exemple pour reproduire des situa- tions réelles enregistrées. Le réseau électrique est doublé de deux réseaux de télécommunication distincts reposant essentiellement sur de la fibre optique, en partenariat avec Nokia, ainsi que des solutions complé- mentaires en radio et courants porteurs en ligne (CPL). Un réseau de communi- cation est dédié au contrôle-commande et au plan de protection du réseau moyenne tension assurant la remon- tée d’informations, le passage d’ordre et l’automatisation de l’ensemble du réseau électrique. Il assure la conduite du moyen d’essai. Un deuxième réseau offre des fonctions avancées en autori- sant la configuration à distance d’équi- pements (fonctions d’effacement de consommation par exemple), la remon- tée de données mesurées ou encore la gestion en temps réel des injections et des consommations. Concept Grid, un terrain d’expérimentation idéal pour les microgrids Si Concept Grid a été conçu pour le test de systèmes électriques innovants au sens large, ses caractéristiques en font un terrain de jeu idéal pour le cas particulier des microgrids. Connecté mais déconnectable du réseau élec- trique principal, le laboratoire Concept Grid peut fonctionner en îlotage. En utili- sant des solutions de stockage (batteries ou autres) voire des groupes diesel, et en y ajoutant la production locale disponible et les charges selon les besoins de l’ex- périmentateur, il est possible de repro- duire des configurations typiques de réseaux microgrids. Ainsi, des solutions de gestion de pilotage de microgrids, et en particulier des EMS (Energy Manage- ment System) peuvent être testées en mettant en place des scénarios de test ciblés pour valider la bonne réalisation de l’optimisation énergétique locale. De façon accélérée, il est ainsi possible de vérifier plusieurs aspects essentiels au bon fonctionnement d’un microgrid. Tout d’abord, le résultat de l’optimisation – par exemple : optimisation en fonction des critères de prévision de production et consommation, de coût de l’énergie, de fourniture de services système comme du réglage de fréquence, de limitation des échanges de puissance au point de raccordement du microgrid, etc. Ces types d’essais permettent aussi de véri- fier la compatibilité et le bon réglage des lois de commande des différents maté- riels unitaires présents et actifs sur le microgrid. Enfin, les essais permettent de valider les aspects télécommunica- tion, interfaçage et échange de données, nécessaires entre l’EMS et les équipe- ments individuels. Expérimentations microgrids sur Concept Grid : cas pratiques Projet NiceGrid – Un réseau îlotable implémenté à Nice Nicegrid est un démonstrateur, piloté par Enedis et financé par l’ADEME et l’Union européenne. Il est situé à Nice et vise au développement de nouvelles technologies et solutions pour l’intégra- tion de l’énergie solaire dans les territoires. Nicegrid a permis de mener plusieurs Figure 3 : Laboratoires du site EDF Lab les Renardières raccordés au Concept Grid. 116 Z REE N°3/2017 LES MICROGRIDS (PARTIE 2)DOSSIER 2 expérimentations. L’une d’entre elles avait pour objectif de mettre au point l’îlotage d’un quartier à Carros – c’est- à-dire son fonctionnement déconnecté du réseau principal – grâce à l’utilisa- tion de stockage par batteries et de pro- duction solaire locale, pour une durée limitée. Le système de stockage devait assurer le maintien de la fréquence et de la tension pendant l’îlotage, puis la resynchronisation au système pour une reprise de l’alimentation principale sans interruption. Pour la validation de ce cas d’usage d’îlotage avant son implémentation réelle sur Nice, de nombreux tests ont été menés sur Concept Grid : plus de 150 îlotages réalisés en deux semaines ont permis d’ajuster les lois de com- mande du système de stockage et de vérifier son bon fonctionnement en toutes circonstances, avant l’installation terrain. De nombreux tests additionnels ont permis de vérifier le comportement du système en situations normales et perturbées, de réaliser des tests de blackstart, mais aussi de courts circuits en basse tension pendant la phase d’îlo- tage. Pour les essais sur Concept Grid, l’ensemble des paramètres du site de Carros ont été reproduits. Deux contai- ners batterie-onduleur (figure 4) ont été installés (capacité 106 kWh, puissance 50 kVA, fournis par Saft et Socomec). La simulation de la production solaire était assurée par des onduleurs PV (figure 5), identiques à ceux rencontrés à Car- ros, alimentés par des sources à courant continu pilotables de manière à repro- duire les courbes de production réelles (puissance de 20 kVA). La consomma- tion et la production étaient quant à elles reproduites grâce aux amplifica- teurs de puissance, là aussi à l’identique de celles enregistrées sur le terrain, en triphasé. Et la suite ? De nombreux essais liés aux micro- grids ont été réalisés ou sont en cours actuellement à Concept Grid pour per- mettre aux différentes entités d’EDF de mettre en œuvre des solutions indus- triellement déployables, adaptées aux contraintes spécifiques des environne- ments ciblés pour leur déploiement. En particulier, le laboratoire Concept Grid réalise de nombreux tests de vali- dation grandeur réelle des solutions et de l’EMS développés par EDF Store & Forecast, filiale du groupe EDF. Ces essais permettent de garantir aux clients finaux le bon fonctionnement de la solu- tion Store & Forecast, en démontrant son adaptation aux besoins spécifiques de chaque microgrid. Le laboratoire travaille aussi pour des partenaires externes sur cette théma- tique – et notamment l’EPRI aux Etats- Unis (Electrical Power Research Institute). Par ailleurs, EDF conduit aussi des expérimentations sur les technologies de stockage innovantes. En 2015, EDF a étudié les solutions de stockage par bat- terie Lithium-ion pour le réglage de fré- quence, en installant sur Concept Grid un système de puissance 1 MW. Ce projet d’envergure a ensuite permis au groupe Figure 4 : Container du système de stockage (Batterie Saft et onduleur Socomec) installé à Concept Grid. Figure 5 : Onduleur PV triphasé. Figure 6 :De gauche à droite (a) installation d’un système Li-ion SAFT-Alstom sur Concept Grid, qui a permis la réussite de projets commerciaux d’EDF EN comme (b) McHenry avec 20 MW pour du réglage de fréquence aux Etats-Unis. De nouveaux essais de technologies de volants d’inertie (c) sont lancés en 2017 avec Stornetic. a b c REE N°3/2017 Z 117 Concept Grid – Un laboratoire au service des microgrids EDF et à ses filiales de remporter des pro- jets à l’international pour du réglage de fréquence, aux Etats-Unis avec McHenry (20 MW) sur la plaque PJM (Pennsylva- nia – New Jersey – Maryland) à proximité de Chicago et au Royaume-Uni pour une puissance de 49 MW dans le cadre d’un appel d’offres de National Grid (figure 6a et 6b). En 2017, c’est une étude com- plète d’un système de stockage inertiel qui est lancée, avec l’installation à venir d’un volant d’inertie de la société Storne- tic (figure 6c). Par le stockage d’énergie sous forme cinétique, cette technolo- gie devrait permettre de disposer d’une réserve de puissance activable pour dif-ff férentes applications telles que le réglage en fréquence ou le lissage de la produc- tion renouvelable intermittente. Références Islanding tests with Li-ion Storage system on the EDF Concept Grid, CIRED 2015, Paper 0084. LES AUTEURS Aude Pelletier est chef de groupe à EDF R&D, dans le domaine des matériels électriques pour les ré- seaux haute et moyenne tension. Elle est aussi responsable du labo- ratoire de smart grids Concept Grid. Aude a débuté sa carrière dans le domaine du comptage intelligent, en France sur le projet Linky puis en Grande-Bretagne, au sein du projet de smart metering d’EDF Energy. Elle est ingénieur diplômée de Su- pélec (2005) et du Georgia Institute of Technology (2006). Loïc Joseph-Auguste est respon- sable de la plate-forme expérimen- tale de Concept Grid d’EDF R&D qui est destinée à tester des matériels et systèmes innovants pour les réseaux de distribution. Il a égale- ment travaillé sur Concept Grid en tant qu’ingénieur d’essais pendant trois années. Loïc Joseph-Auguste a débuté sa carrière chez Enedis dans le domaine du comptage en tant que responsable de projets. Il a obtenu un diplôme d’ingénieur et dispose d’un brevet de techni- cien supérieur en électrotechnique. Les deux diplômes ont été réalisés en apprentissage à EDF R&D entre 2004 et 2009. Cristian Jecu est ingénieur cher-rr cheur au sein du département LME (Laboratoire des Matériels Electriques) d’EDF R&D. Il travaille comme chercheur dans les do- maines de la simulation temps réel et des essais sur la plate-forme ex- périmentale Concept Grid. Il a obte- nu un diplôme d’ingénieur en génie électrique de « Politechnica » Buca- rest (2007), un diplôme de master 2 recherche (2008) et un titre de docteur (2011) de Grenoble INP. EDF Store &Forecast EDF Store & Forecast est une société innovante, filiale du groupe EDF. Elle offre une solution complète de gestion de l’énergie, basée sur un logiciel issu de travaux menés depuis 2011 en partenariat avec EDF R&D et l’Ecole polytechnique. Cette solution couvre la prévision de production, le stockage d’énergie, le pilotage de charges et son couplage à des énergies renouvelables pour pallier leur intermittence. Très flexible et paramétrable selon les confi- gurations et cas d’usages souhaités, elle est donc idéale pour le pilotage de microgrids, isolés ou raccordés au réseau électrique. Les solutions logicielles d’EDF Store & Forecast sont maintenant étendues au marché des centrales hybrides afin de minimiser la consommation d’éner-rr gies fossiles de sites isolés pouvant recevoir différents types d’ENR. Elles sont aussi adaptées au marché des clients industriels et tertiaires qui souhaitent réduire leur facture d’électricité et développer leur autoconsommation.