01-Session1_01-EDF_RD-SEE_Calais_HVDC_offshore_EDF_RD_(5).pdf

22/10/2012
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:2991:3104
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Résumé

01-Session1_01-EDF_RD-SEE_Calais_HVDC_offshore_EDF_RD_(5).pdf

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Opportunités de R&D pour le raccordement d’énergie éolienne offshore P. Egrot J. Yuan F. Martin M. KolodziejekM. Kolodziejek EDF R&D Laboratoire des Matériels Electriques JOURNÉES TECHNIQUES SEE LE COURANT CONTINU HAUTE TENSION Calais 2012 Contexte européen et français: les chiffres clés Au 30 juin 2012, l’Europe totalisait 4336 MW d’éolien offshore cumulé 523 MW ont été installés dans le premier semestre 2012 85% des capacités éoliennes offshore étaient européennes fin 2011 Projection EWEAProjection EWEA 40 GW éolien offshore en 2020 150 GW éolien offshore en 2030 France et EDF Premier appel d’offre (2011): 3 GW sur 5 sites EDF EN installera et exploitera 1,5 GW (3 sites) Deuxième appel d’offre (2012): à venir Création de France Energie Marines (IEED) cluster (Mars 2012) Implantation d’EDF en Angleterre et en Belgique Hydroliennes en mer et fluviales en Métropole et dans les Dom-Tom SEE – EDF R&D – Energie off-shore La tendance: plus loin des côtes et des profondeurs plus importantes De plus en plus profond Profondeur moyenne 2011: 22,8 m. Pour de grandes profondeurs (supérieur à 60 m), des solutions flottantes sont à envisager De plus en plus loin des côtescôtes Distance moyenne en 2011: 23,4 km Pour de plus grandes distances, la solution HVDC peut être privilégiée. SEE – EDF R&D – Energie off-shore Etat de l’art des équipements offshore Eoliennes Fondations Câbles Plateformes Installation SEE – EDF R&D – Energie off-shore Installation Environnement Inspiré de Siemens La plateforme offshore: présentation générale Permet de réduire les pertes en élevant la tension En général, pas nécessaire si ferme de capacité < environ 60 MW ou proche des côtes < environ 10 km Absence de normes spécifiques 3 éléments principaux la composent La structure Les équipements électriques Les autres installations (sécurité, environnement…)Les autres installations (sécurité, environnement…) La plateforme n’est pas habitée mais l’accès doit être adapté pour les travailleurs et des refuges doivent être conçus Exemple : Alpha Ventus, 2009, Allemagne, 60 MW SEE – EDF R&D – Energie off-shore La structure de la plateforme Structures principales Monopile (<20 m) Jacket (<60 m) Self-elevating (<50 m) Impact sur l’organisation des équipements électriques sur le topside (pont) Choix en fonction de la profondeur et du volume des équipements électriques situés sur la plateforme Pont supérieur (topside)Pont supérieur (topside) Plusieurs niveaux Type conteneur ouvert ou bâtiment fermé Protection anti-incendie, considérations environnementales, héliport, refuge.. Installation Assemblage sur terre Transport par des remorqueurs Installation en mer par des navires grues (Peu de disponibilité dans le monde) SEE – EDF R&D – Energie off-shore La plateforme offshore: équipements électriques (Plateforme AC) Transformateur de puissance Appareillage MT et HT Câbles MT et HT Générateurs diesels de secours Protection et contrôle commande (BT) Compensation réactif SEE – EDF R&D – Energie off-shore Compensation réactif Compromis nécessaire entre masse, compacité et fiabilité La plateforme offshore: équipements électriques (Plateforme DC) Technologie VSC préférée Plus compacte, plus flexible Principaux équipements PSEM AC haute tension Transformateur Convertisseur VSC agencé de façon compacte Ex: BARD (2010, Allemagne, 400 MW) SEE – EDF R&D – Energie off-shore Conception plateforme offshore Considérations pour le système électrique Philosophie différente des postes sur terre, elles permettent de définir les équipements électriques nécessaires Ex: Disponibilité et Redondance Règle du N-1?, Equipements à risque Equipements électriques Jusqu’à présent, équipements identiques à ceux des postes « classiques »…Mais ils sont soumis aux conditions particulières liées à l’environnement offshoreparticulières liées à l’environnement offshore Impact des conditions hostiles Corrosion, Vibrations, Intermittence => Vieillissement accéléré des matériels? Coordination de l’isolement (dimensionnement) Surtensions dues à la foudre et les chocs de manœuvres sont à re-spécifier Compacité Transformateur : élément central, Appareillages MT et HT, centre de gravité Transformateur Anti-incendie: impact sur l’huile, refroidissement Accessibilité en mer Fiabilité des équipements électriques à accroître, Importance maintenance et remplacement SEE – EDF R&D – Energie off-shore Quelques sujets de recherche « Raccordement Offshore » Câbles XLPE DC Système de Plateforme immergée, flottante et câbles dynamiques Adaptation aux contraintes en mer Transfo. Architecture de la ferme Isolation DC SEE – EDF R&D – Energie off-shore Système de refroidissement à l’eau de mer Augmentation du niveau de tension inter-array dynamiques Surtensions Compacité et fiabilité des matériels électriques Réduction des pertes ELP Hub et multiterminal HVDC Transfo. Réduction des coûts Convertisseurs : optimiser les architectures et les lois de commande Réduire les pertes en régime permanent Optimiser le comportement face aux régimes transitoires Gérer l’intermittence, et son impact sur le vieillissement Améliorer la compacité sans dégrader la fiabilité et le coût Mettre au point des solutions hybrides LCC et VSC multi-terminales SEE – EDF R&D – Energie off-shore Accroître la performance des composants électroniques Améliorer la tenue en tension Augmenter la densité de courant Augmenter la conductivité thermique Réduire les pertes en conduction et en commutation Réduire les surfaces actives des puces La fréquence et la puissance doublent tous les 4 ans ½ … Breaking power capacity / cm² 1000 1500 2000 2500 kW/cm² SEE – EDF R&D – Energie off-shore Réduire les surfaces actives des puces Essor des matériaux « grand-gap » (AsGa, SiC, GaN, Diamant) + Schottky Perspectives des nanotechnologies 0 500 1994 1996 1998 2000 2005 2015 Years Systèmes de câbles : challenges pour l’industrie offshore HVDC : Augmenter U pour baisser I (réduire la section de l’âme) Prendre en compte la température et le champ électrique dans la formulation de la résistivité électrique Maitriser la distribution du champ HVAC : Augmenter la performance des isolants Réduire les pertes diélectriques Augmenter la compacité du câble (moins de jonctions) Bien estimer les pertes dans les Câbles de transport off-shore / on-shore : réduire les pertes mais en maîtrisant les coûts d’investissement et de pose SEE – EDF R&D – Energie off-shore Maitriser la distribution du champ électrique local en intégrant le piégeage de charges d’espace Connaître et maîtriser le vieillissement Améliorer la conductivité des âmes Bien estimer les pertes dans les armures Bien comparer les solutions tri-polaires aux solutions mono-polaires Améliorer la conductivité des âmes Distribution du champ électrique continu E(r) r en mm ChampélectriqueE(r) enkV/mm Câble fortement chargé Câble moyennement chargé Câble faiblement chargé r1 r2 âme Systèmes de câbles : maîtriser les technologies émergentes Câbles dynamiques Etablir le lien entre les effets produits par les chargements mécaniques dynamiques et la durée de vie Quantifier l’impact de la pression hydrostatique couplée aux efforts dynamiques Accessoires de raccordement aux plates-formes : J tubes Etudier le couplage thermique entre la conduction (dans l’eau), la convection (dans l’air) et potentiellement le rayonnement Vérifier le bon dimensionnement des Câbles d'interconnexion entre les plates-formes off-shore et accessoires: comprendre et maîtriser les technologies émergentes SEE – EDF R&D – Energie off-shore dynamiques Identifier les mécanismes de défaillance Mettre au point des spécifications d’essais et les méthodes de diagnostic Vérifier le bon dimensionnement des liaisons, potentiellement l’optimiser Connecteurs immergeables Dimensionner au mieux les chaînes d’isolateurs HVDC soumises à la pollution marine Problème N°1 Les charges d’espace intrinsèques sont piégées pendant la fabrication La migration ionique des charges est activée par le champ électrique DC Le champ local DC peut être localement distordu Des échauffement locaux importants peuvent apparaître SEE – EDF R&D – Energie off-shore apparaître Problème N°2 Les dépôts de pollution sont accélérés par le champ électrique DC Le niveau de pollution atteint est plus élevé en DC qu’en AC Solution 1 : Ajouter du CaO, BaO ou B2O3 to pour limiter la migration ionique Solution 2 : ajouter des ions Na-K ou K- Li pour abaisser la conductivité électrique Solution 3 : Augmenter la longueur de la chaîne d’isolateurs Remarque : CEI 60815-4 n’existe pas encore ! NB : concerne également les extrémités de câbles Maîtriser la coupure HVDC Plusieurs solutions peuvent être mises en œuvre pour couper le courant continu en HTB : Blocage des convertisseurs AC/DC Disjoncteur AC « standards » avec circuit auxiliaire Coupure statique (IGBT) Coupure hybride => Disjoncteur + ELP Créer un passage à zéro du courant SEE – EDF R&D – Energie off-shore L C L C Créer un passage à zéro du courant grâce à un circuit auxiliaire, et à la caractéristique dynamique de l’arc : Ouverture du disjoncteur => U arc augmente Début d’oscillation du circuit LC Amplification de l’oscillation (caractéristique dynamique dU/dI arc < 0) Le parafoudre absorbe l’énergie Le raccordement de l’éolien offshore : valeur créée par la R&D ELP Comp élec. LS Iso LA CEM TST DC Coupure Off-shore Stockage Pertes Investissements Report CAPEX Maintenance Fiabilité Environnement SEE – EDF R&D – Energie off-shore Environnement Nouveaux Services Maîtriser du Risque Objectifs pour les Utilities, les Industriels et les Universitaires : Maitriser le risque lié aux technologies émergeantes, sans REX, et garantir l’aptitude à la fonction, à la sécurité, au vieillissement Optimiser la conception pour proposer des produits compétitifs à valeur ajoutée Rayonner, développer des compétences reconnues