Revue de solutions pour l'intégration de l'éolien dans les réseaux électriques

21/10/2017
Publication REE REE 2005-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-5:20532
DOI :

Résumé

Revue de solutions pour l'intégration de l'éolien dans les réseaux électriques

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	    <date dateType="Updated">Sat 21 Oct 2017</date>
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L'ÉNERGIE ÉOLIENNE Revue de solutions lu y 0, pour l'intégration de l'éolien dans les réseaux électriques Par Eric GAUTIER,Pierre BOUSSEAU, Régine BELHOMME. Samuel NGUEFEU EDF R&D nciH Mots clés Fermeséoliennes, Intégrationdansles réseaux, Capacitésd'accueil, Qualitéde tension, Tenueaux perturbations, Servicessystème 1. Introduction Le développement de la production décentralisée sur les réseaux électriques a entraîné de nouveaux problèmes et contraintes, qui ont conduit à l'évolution de la régle- mentation sur les conditions techniques de raccordement [1,2,3]. Parmi les types de productions décentralisées, l'éolien génère des problèmes spécifiques liés à son caractère aléatoire et à ses particularités technologiques. Les règles de raccordement évoluent donc en conséquence et deviennent de plus en plus sévères pour l'éolien, à cause de la part croissante qu'il occupe dans la puissance installée. C'est pourquoi apparaît un besoin de plus en plus pressant de solutions pour faciliter son intégration dans les réseaux. Cet article présente une brève description des princi- paux problèmes et contraintes rencontrés sur les réseaux liés à l'intégration de l'éolien, qu'ils lui soient spéci- fiques ou non [4], puis décrit différentes solutions avec quelques exemples d'applications [5]. 2. Principaux problèmes rencontrés 2.1. Capacités d'accueil . Risque de dépassement des courants maximaux admissibles et tenue thermique des ouvrages en régime permanent sur les réseaux de distribution ou de transport (congestions), . Risque de dépassement des puissances et courants de courts-circuits maximaux admissibles et tenue en court-circuit des ouvrages de réseaux et des ins- tallations des clients, . Non-respect des plages de tension admissibles : modification du profil de tension consécutive au raccordement, celui-ci devant demeurer en tout point dans les limites contractuelles. 2.2. Qualité de tension a Fluctuations et à-coups de tension : variations « lentes » lors des fluctuations de puissance, et rapides lors des connexions ou des déconnexions SSENTIEL SYNOPSIS Cet article présente différentes solutions techniques pour résoudre les principaux problèmes que pose l'intégration de fermes éoliennes dans les réseaux électriques. Ces solutions peuvent être de plusieurs types : choix de la technologie d'éolienne la plus adaptée, coordinationentre l'exploitation des fermes éoliennes et celle du réseau,compensationdu réactif et contrôle de la tension, insertionde systèmes pour le passagedes creux de tension, stockage d'énergie, équipementsde limitation de courant,protections directionnelles. In the paper,a survey of different possible technicalsolutions for grid integration of wind farms is presented. These solutions concern the main problems encountered today. Examples of actual implementationin wind farm projectsare given. More spe- cifically the following types of solutionsare considered : . Choice of an appropriateWind TurbineGeneratortechnology, . Solutionsbasedon coordinatedwind farms and power system operation, . Reactivecompensationand voltage control systems, . Fault RideThroughsolutions, . Energy storagesystems, . Current limitation devices, . Directionalprotections REE Nu 5 Mai2005 M Dossger L'ÉNERGIE ÉOLIENNE d'éoliennes, lors des changements éventuels des modes de connexion (étoile-triangle) de certaines génératrices, lors du passage d'un enroulement statorique à l'autre pour les génératrices à double enroulement au stator. . Flicker (papillotement) notamment dû aux fluctua- tions de la vitesse du vent et au passage des pales devant le mât de l'éolienne. . Pollution harmonique qui peut être générée par l'électronique de puissance (EP). . Perturbation des signaux de commande « TCFM » transmis sur le réseau (heures creuses, heures pleines...). 2.3. Interférence avec le plan de protection du réseau . Risque de perturbation du fonctionnement des protections, par exemple au niveau de la sélectivi- té et de la sensibilité du plan de protection. 2.4. Comportement dynamique et stabilité Les installations éoliennes ne doivent pas perturber le comportement dynamique du réseau. Notamment les fermes doivent pouvoir supporter les défauts de réseau, et en particulier rester connectées lors de creux de tension spécifiés [1, 2]. En effet un défaut sur réseau de transport pourrait s'étendre géographiquement, affecter plusieurs fermes, et créer une vague de déconnexions nuisible au bon fonctionnement du réseau. 2.5. Services système Nécessité d'un contrôle de la tension et d'une compensation du réactif, pour un plan de tension optimal permettant les échanges de puissance avec une sûreté de fonctionnement accrue (stabilité statique et dynamique) et le respect des tensions contractuelles sur le réseau. Les fermes éoliennes doivent participer à ce service système. Contrôle de la fréquence : pour l'éolien, l'absence de participation au réglage de la fréquence et la variabilité de la source d'énergie accroissent la sollicitation des autres groupes connectés pour le réglage de la fréquence et le maintien de la sûreté du réseau, et conduisent à des difficultés de définition du programme de fonctionnement. c 3. Revue de solutions possibles Le renforcement du réseau, qui est la solution habituelle aux problèmes d'intégration de production décentralisée, est non seulement coûteux, mais ne résout pas les problèmes liés au caractère aléatoire de la production éolienne. D'autres solutions existent, et sont présentées de façon synthétique dans le tableau 1 et détaillées ci-après en fonction des problématiques à résoudre. 3.1. Les technologies d'éoliennes utilisées Il existe principalement quatre types de génératrices : . Machine asynchrone (MAS) à cage d'écureuil (a) . Machine asynchrone à rotor bobiné avec contrôle dynamique du glissement, grâce à des résistances branchées sur le bobinage rotorique (b) . Machine asynchrone à rotor bobiné (MASRB) et à double alimentation, avec électronique de puissance (EP) entre le rotor et le stator (c) . Machine synchrone (MS) connectée au réseau à travers un système à électronique de puissance (d) Nous notons que le pitch (commande du pas des pales) très souvent présent sur les technologies (b), (c) et (d) permet : . le contrôle de la puissance mécanique à pleine charge (au-dessus du vent nominal), et sur court- circuit ; 'l'amélioration des performances dynamiques (contrôle limité de fréquence) et l'amortissement des fluctuations de puissance et donc de tension. Les technologies à électronique de puissance (c) et (d) permettent dans une certaine mesure : . Un contrôle de la tension, et de la puissance réactive, . Une diminution des fluctuations de puissance active, . Une faible pollution harmonique pour les éoliennes avec électronique de puissance à base d'IGBT (insulated gate bipolar transistor) dans les technologies actuelles, . Suivant les cas, une meilleure tenue aux creux de tension sans besoin de dispositifs supplémentaires, évitant ainsi la déconnexion. 3.2. Exploitation des fermes éoliennes et du réseau . Effacement de production (par déconnexion ou limitation de la puissance individuelle d'éoliennes) qui peut être imposé par le réseau dans les cas de congestion, ainsi que dans les cas de contraintes d'exploitation ou de sécurité. Cette action a pour but de limiter la puissance fournie par la ferme. On note que l'effacement des éoliennes est très utilisé au USA pour gérer les congestions. . Coordination avec d'autres moyens de production raccordés au réseau afin de compenser des varia- tions de puissance active, de mutualiser le réglage de fréquence ou de gérer certaines congestions sur le réseau. Des exemples de coordinations existent entre l'éolien et des groupes diesels pour les zones isolées [6] ou l'éolien et l'hydraulique dans le Nordic Power Pool [7]. REE WS Mai2005 Revue de solutions pour 'intégration de 'éolien dans les réseaux électriques 'l'ect,nologi,s EXI) IOltatioli fies C'onti-Ôle de la S sténies fi, S.,stén,es (je SN stènie (1, uti-es é,lic,i,,ies fermes éolieiiiie% tension et tenue aux Stockage l etduréseau cOin I) cnsation du cl'eux de...,. "', limitation systèmes réactif tension'des Icc Tl,,e miqu, n 1 Y, Capacités réseau Limite en Icc Plandetension Fluctuations detension Qualitéde ______________ ______________________ ____________ ________ ________-------- --------- Qualilé dc l'êner-.1e Harmoniques Perturbation des signaux de/\ contrôle Protections Creuxdetension Comportement dynamique etserYices Stabilité s'Stème /\ l\ A Contrôle (le F X partiellement Tableciti 1. Récapitulatif des solutions. Contrôle centralisé ou décentralisé de certaines charges sur le réseau pour compenser les variations de puissance, contribuer au réglage de fréquence ou gérer des congestions. Il existe une application en cours avec des charges domestiques à forte inertie (chauffe-eau, chauffage, etc.) en France [8]. 3.3. Contrôle de la tension et compensation du réactif Les technologies d'éoliennes à électronique de puissance (c) et (d) permettent dans une certaine mesure une fourniture ou une absorption de réactif sans dispositif supplémentaire de compensation réactive. Elles permettent donc un certain contrôle de la tension. On note que les technologies (a) et (b) consomment du réactif, un dispositif supplémentaire est donc nécessaire pour compenser cette absorption. 'Le TSC (Thyristor-Switched Capacitor) permet un contrôle de la tension pour des variations lentes (temps de réponse ==20 ms) en connectant une partie du banc de condensateurs (fourniture de puissance réactive uniquement) u Uc Tl T2 Le compensateur statique de puissance réactive (SVC pour Static Var Compensator) permet une régulation de la tension par absorption ou fournitu- re de réactif [9]. Il compense aussi le ilicker et la composante inverse du déséquilibre des tensions. Il est composé de l'association d'une inductance variable RCT (réactance commandée par des thy- ristors) et d'un banc de condensateurs. svc PCC CC P WINT) c FAIZM (RID ! / ! W] ND !'rcR c !''- "' " T, Q,,) i Figure 1. Schéiiia généi-cil de.foiictioiîiîejiïent d'iiii TSC Figiii-e 2. Exeiiil ? le de SVC potii- biiie feri7ie éolieiiiie. Le STATCOM (Static Compensator) est une source de tension (capacité) connectée au réseau à travers une interface à électronique de puissance à IGBT avec commande MLI (modulation de largeur d'impulsions) en série avec une inductance. Il permet une régulation de tension par un contrôle total de l'amplitude et de la phase du courant injecté et donc du réactif en fourniture ou en absorption (les systèmes actuels atteignent quelques dizaines de mégavars). Le compensateur synchrone est un alternateur synchrone dédié à la production et l'absorption de réactif. Il permet une régulation continue de la tension comme tous les alternateurs synchrones REE Nn 5 Mai2005 mu L'ÉNERGIE ÉOLIENNE L_ I rv L-A,-- Voltage source conve rter Statcom Figure 3. Scliéiîîti de priicil) e d'iiii stcitcoiii. dont on peut commander l'excitation, et filtre les harmoniques. Le RPS (Rotary Phase Shifter) est une MAS à rotor bobiné avec un circuit RC parallèle entre le rotor et le stator. Cette machine permet un réglage de la tension et de la fréquence par stockage-déstockage cinétique. L'échange de puissance active est son principal avantage face au SVC. Néanmoins cette technologie est encore en cours de développement [10]. La fi (jure 4 représente une configuration shunt. Dans la version série, le contrôle du couple permet de gérer les flux de puissance entre le stator connecté au réseau et le rotor relié à l'éolienne. Le flicker et les à-coups de tension sont atténués. . du déclenchement des protections de survitesse ou de sous-tension, . d'une perte de stabilité résultant principalement de l'impossibilité d'évacuer sur le réseau l'énergie stockée durant le défaut sous forme cinétique. La perte de stabilité est rare pour la technologie (d), limitée pour la technologie (c), et courante pour les CI autres. Selon les technologies, la capacité de tenue aux creux de tension est directement incluse dans les éoliennes grâce : 'à une limitation de la puissance mécanique (pitch control), . à la dissipation de la puissance électrique par l'insertion d'une résistance sur le bus continu des convertisseurs pour les technologies (c) et (d), . au stockage éventuel d'énergie dans les condensateurs du bus continu pour les technologies (c) et (d), 'à une déconnexion du stator durant le défaut puis une reconnexion rapide (cycle de quelques secondes) associées à un protocole de contrôle/ commande adapté. D'autres solutions existent pour permettre aux éoliennes de rester connectées en cas de creux de tension, ces systèmes FRT sont composés le plus souvent : d'une inductance de découplage insérée entre la ferme et le réseau (en permanence ou occasionnellement), associée avec des systèmes de compensation de réactif (SVC, STATCOM, etc...). Cependant, ce type de solutions (figure 5) peut dégrader la stabilité et la qualité de la ten- sion si la mise en oeuvre n'est pas soignée. c .................... PCC .. .. . : FARM rotor RPS R : Figure 4. Iiisei-tioii d'ii ; i RPS eiitre le t-é.eait et la jèriiie. To the network -YY\- WF 'decoupling reactor Voltage control TSC, SVC STATCOM. Figti-e 5. Schéiiia el'tiii s,stèiie additioiiiiel de FRT 3.4. Solutions pour améliorer la tenue aux creux de tension Les systèmes FRT (fault ride through) ont pour but de permettre aux éoliennes de rester connectées au réseau lors de creux de tension et autres défauts. Lors de creux de tension, la déconnexion des éoliennes peut provenir : 3.5. Systèmes de stockage d'énergie Il existe beaucoup de moyens de stockage d'énergie c c électrique. Tous ne permettent pas de résoudre les problèmes spécifiques à l'intégration de Péolien. Néanmoins, selon les technologies, ils peuvent permettre : · d'accroître la qualité de la puissance produite ; REE No 5 Mai2005 Revue de solutions pour l'intégration de l'éolien dans les réseaux électriques . de lisser les fluctuations de tension et de puissance dues aux variations de la vitesse du vent ; . de lisser la production de puissance dans le temps ; . de résoudre des problèmes de congestion ; . de participer aux réglages de la tension et de la fréquence ; . d'aider à tenir les creux de tension ; . d'assurer la production lors de déconnexions ; . d'améliorer la prévisibilité de la puissance fournie. Les systèmes de stockage sont choisis selon les contraintes spécifiques à résoudre et selon leurs coûts. Ils pourraient devenir un facteur important pour le déve- loppement de l'éolien à des coefficients de pénétration élevés [11]. Filtre anti-harmonique. Filtre passif ou actif pour limiter l'impact de l'éolien sur les signaux de télécommande TCFM. Buss msltaj SMES / () ·11 (Hl \\'indW rbinn Pft PH r l'aworlfnalih mPM °'iatu S-GP BS9 m $ESS s \1'in