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Conditionnement de puissance pour
micro-réseaux (micro-grids) et systèmes de co-génération
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Sommaire
1
Introduction
Au lieu d’être exclusivement alimentés par le réseau national, de plus en plus d’installations industrielles
1
Introduction
3
et de centres informatiques retiennent l’option d’une production électrique locale. Dans le cas où cette
production locale doit rester opérationnelle en cas de coupure secteur, des mesures doivent être prises
pour maintenir une alimentation électrique fiable et stabilisée en fonctionnement isolé.
2
Exigences de base pour un réseau isolé stable
3
Les stabilisateurs dynamiques utilisant une génératrice synchrone extrêmement robuste sont
spécifiquement conçus pour fonctionner indépendamment du secteur tout en assurant une alimentation
3
Exigences relatives aux systèmes de stabilisation des réseaux isolés
5
de haute qualité aux charges. En conjonction avec l’utilisation d’accumulateurs d’énergie bidirectionnels,
ils sont idéalement adaptés pour stabiliser des micro-réseaux isolés ou pour assurer leur interconnexion
au secteur tout en stabilisant la production électrique locale durant les coupures secteur.
4
Réalisation
6
Pour assurer à un micro-réseau un fonctionnement stable dans tous les modes d’exploitation, des
conditions techniques spécifiques doivent être remplies, tout autant pour le stabilisateur que pour les
5
Études de cas
10
5.1
Alimentation pour une usine de fabrication de semi-conducteurs de 35 MW
10
5.2
Alimentation indépendante du réseau national pour une usine de
fabrication de plaques de plâtre à Dubaï
6
Résumé
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sources d’énergie. Avec un stabilisateur bidirectionnel très rapide, la production locale n’a pas à être
surdimensionnée pour assurer un fonctionnement stable en cas d’impact de charge ou de fluctuations
du secteur.
Ces conditions sont détaillées ci-dessous et illustrées par des exemples de réalisations.
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Exigences de base pour un réseau isolé stable
Le maintien de la tension et de la fréquence au sein d’une plage prédéterminée est un critère essentiel
pour juger de la qualité d’un réseau d’alimentation. Ces deux paramètres peuvent être influencés par
différentes variables et peuvent donc être, dans une large mesure, analysés séparément.
Stabilité de la fréquence
Une fréquence constante dépend directement de l’équilibre de la puissance active du réseau. Si le
réseau reçoit une puissance active supérieure à celle consommée par les charges, le différentiel doit
être évacué quelque part afin de préserver l’équilibre de la puissance. Sans mesures de stabilisation
supplémentaires, le surplus de puissance active provoque automatiquement une augmentation de la
fréquence. C’est l’accélération des masses tournantes, celles des génératrices ou des moteurs, reliées
au réseau qui la provoque. Dans la plupart des cas, ce sont en effet les seules à pouvoir absorber le
surplus de puissance et à le convertir en énergie de rotation.
2
3
Inversement, si l’alimentation est inférieure à la consommation, l’énergie manquante est prélevée sur ces
Pour cette raison, les systèmes de batterie conventionnels se révèlent peu adaptés : la consommation
masses tournantes, diminuant ainsi la fréquence. Les variations de puissance active expliquent donc
d’énergie est restreinte par l'association d'une résistance interne élevée et par la limite supérieure de
directement les variations de fréquence du réseau, au niveau des charges et du réseau d'alimentation.
tension des éléments de batterie. En revanche, ils sont utiles si seul un manque de puissance dû à la
Les variations de puissance du réseau d'alimentation peuvent notamment être dues à des défaillances
de génératrices ou de convertisseurs de fréquence. Dans le cas des énergies renouvelables, elles
peuvent être causées par une modification de l’incidence de la lumière sur les générateurs
défaillance du système d’alimentation ou la mise sous tension de charges importantes doit être
compensé. S’il s’agit de compenser un surplus de puissance provoqué par un délestage de charges,
les accumulateurs cinétiques sont les plus efficaces.
photovoltaïques, de la vitesse ou de la direction du vent dans les parcs éoliens. Lorsque le réseau
Associés à des convertisseurs de fréquence bidirectionnels, les accumulateurs cinétiques permettent
interconnecté est vaste, ces effets n’entraînent généralement qu’une légère perturbation de l’équilibre
une stabilisation, que ce soit en cas de manque ou de surplus de puissance. Avec des temps de
de la puissance ; aucun contrôle automatique rapide n’est donc nécessaire au maintien d’une fréquence
réaction inférieurs à 20 millisecondes, ils permettent de maintenir une fréquence constante au sein d’un
constante au sein de la plage spécifiée. Il en va tout autrement pour les réseaux isolés de petite taille
micro-réseau, quelle que soit la situation.
(appelés micro-réseaux ou micro-grids), qui ne sont pas reliés à un système interconnecté offrant une
forte capacité d’amortissement. Dans ce cas, les variations de génération de puissance ont un impact
bien plus important sur l’équilibre de la puissance active du réseau, ce qui entraîne fréquemment des
Stabilité de la tension
variations de fréquence substantielles. Les sources d’énergies et leurs systèmes de contrôle ne peuvent
Le lien entre puissance réactive et tension est similaire au lien entre puissance active et fréquence. Si
généralement pas adapter, en seulement quelques secondes, la puissance de sortie à une nouvelle
la demande de puissance réactive du secteur augmente, cette puissance supplémentaire accroît les
configuration. Des systèmes de stabilisation rapides sont donc nécessaires pour restaurer au plus vite
chutes de tension sur les impédances du réseau et des alimentations, ce qui entraîne une chute de
l’équilibre de puissance et maintenir stable la fréquence.
tension au niveau des charges. Inversement, une puissance réactive plus faible provoque une
Dans l’idéal, ces systèmes de stabilisation doivent être équipés d’un accumulateur. Ce dernier permet
d'absorber et de fournir une même quantité d’énergie et de réagir aussi bien à un manque qu’à un
augmentation de la tension d’alimentation. En effet, on ne constate plus dans ce cas de chutes de
tension sur les impédances.
D’une manière générale, une perturbation de l’équilibre de puissance réactive est plus facile à contrôler
surplus de puissance (voir Fig.1).
qu’une perturbation de l’équilibre de puissance active. Si aucune contre-mesure n’est prise, les
Fréquence
perturbations de l’équilibre de puissance active entraînent un écart de fréquence de plus en plus
important alors que les perturbations de l’équilibre de puissance réactive entraînent seulement un écart
statique de tension.
Durée
Puissance
Puissance
Énergie
fournie
Énergie
absorbée
3
Exigences relatives aux systèmes de stabilisation des réseaux isolés
Les exigences principales relatives à un système de stabilisation sont :
Charge
- De réagir rapidement aux variations de puissance active et d’y remédier de manière à ce que la
Puissance
d’entrée
principale
fréquence soit constante.
- De fournir une puissance réactive à court terme et à la demande afin de maintenir une tension
constante pour la charge.
Puissance de sortie du
système de stabilisation
Fig.1
4
Durée
Mode de fonctionnement d’un système de stabilisation avec stockage bidirectionnel d’énergie au cours de variations de charge dans un
réseau isolé.
5
Un stabilisateur doit donc posséder les fonctionnalités et caractéristiques majeures suivantes :
■ Il doit être conçu pour un flux de puissance bidirectionnel afin de fournir une capacité de
stabilisation en cas de manque ou de surplus de puissance.
En tant qu’accumulateur, des batteries peuvent être utilisées, tout comme l’accumulateur cinétique
bidirectionnel POWERBRIDGE™. L’exemple comparatif des Fig. 3 et 4 montre l’influence de la
stabilisation de fréquence bidirectionnelle sur un réseau alimenté par un groupe électrogène diesel.
■ L’accumulateur doit pouvoir conserver un état de charge moyen afin qu’il puisse absorber ou
fournir de l’énergie à tout moment. Cela implique une régulation active et une connaissance
exacte de son niveau de charge.
■ L’accumulateur doit disposer d’une capacité nominale adaptée de manière à ce que
suffisamment de puissance soit disponible pour assurer la transition requise par la génératrice
principale…
… afin de rééquilibrer la puissance du réseau après un dysfonctionnement et …
… afin de garantir un fonctionnement stable du réseau.
■ Il doit pouvoir fonctionner en parallèle avec d’autres sources d’énergie, par exemple des parcs
éoliens, des générateurs photovoltaïques, des générateurs hydroélectriques à petite échelle,
des turbines à gaz, des groupes électrogènes diesel, etc.
■ Sa puissance nominale doit permettre de compenser les écarts attendus de puissance (aussi
Génératrice U1 - U2, fréquence delta (%)
Min. : -3,11 % Max. : 4,04 % Référence :
bien en manque qu’en surplus).
■ Il doit être suffisamment robuste pour supporter des surcharges de courte durée tout en
participant à chaque instant à l’équilibrage de la puissance, supportant même des variations de
Fig. 3
Réponse en fréquence d’un groupe électrogène diesel au cours d’une coupure et d’une reconnexion de charge à 50 %, ici sans stabilisation
additionnelle de fréquence.
fréquence et/ou de tension.
4
Réalisation
Les stabilisateurs dynamiques de types Piller UNIBLOCK™ UBT+ et UBTD+ (voir Fig. 2), associés à
un stockage de l’énergie et à une tension de sortie générée par une génératrice synchrone, répondent
à toutes les exigences répertoriées ci-dessus.
Micro-réseau
Génératrice U1 - U2, fréquence delta (%)
Min. : -0,59 % Max. : 0,94 % Référence :
Fig. 4
6
Fig. 2
Diagramme unfilaire illustrant un stabilisateur basique de type PILLER UNIBLOCK™ UBT+ avec un accumulateur cinétique intégré
POWERBRIDGE™. Ici, dans la configuration d’un réseau isolé sans raccordement au réseau national.
Réponse en fréquence d’un groupe électrogène diesel au cours d’une coupure et d’une reconnexion de charge à 50 %, avec une stabilisation
de fréquence bidirectionnelle assurée par un stabilisateur Piller UNIBLOCK™ UBT équipé d’un accumulateur cinétique POWERBRIDGE™.
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De par leur capacité de stabilisation de fréquence, les stabilisateurs dynamiques permettent également
Si un réseau alimenté de manière autonome doit avoir également une connexion au réseau national, les
d’éviter de sur-dimensionner la génération d’énergie au sein d’un micro-réseau pour obtenir des
systèmes Piller peuvent également être utilisés pour assurer le couplage au secteur, comme illustré à
conditions de fonctionnement stables en cas de variations de l’alimentation ou de la charge.
la Fig.6. L’installation d’une inductance permet une régulation de haute qualité de la tension dans le
Afin de compenser les défaillances de la génération principale d’énergie et le manque de puissance
active correspondant, le système peut également être proposé avec un moteur diesel intégré (voir Fig.5).
Cette association permet alors de prendre en charge les pointes de charge du réseau électrique local
lorsque la puissance des génératrices principales devient insuffisante. Dans ce cas, le moteur diesel
démarre automatiquement lorsque la décharge complète de l’accumulateur dynamique est proche. De
cette manière, le réseau bénéficie d’un système de stabilisation sans interruptions. Si nécessaire, le
micro réseau, indépendamment du réseau national. En plus d’offrir une protection contre les variations
de tension et les défaillances du secteur, le système permet non seulement au micro réseau d’être
alimenté par le secteur, mais également d’y exporter d’éventuels surplus d’énergie. En cas de défaillance
du secteur, le système de stabilisation isole immédiatement le micro réseau. Puis, selon que l’énergie
était précédemment importée ou exportée, il peut absorber ou fournir de la puissance active jusqu’à ce
que la génération d’énergie au sein du micro réseau désormais isolé se soit adaptée en conséquence.
diesel peut être démarré manuellement à tout moment.
Éoliennes
Les alternateurs synchrones du système Piller fournissent suffisamment de puissance réactive pour
soutenir la tension et augmentent la puissance de court-circuit du micro réseau. En cas d’utilisation de
micro-turbines ou de turbines photovoltaïques par exemple, impliquant une génération d’énergie
entraînée par un convertisseur, la génératrice synchrone joue le rôle d’une source de tension stable
Charge
Réseau
national
permettant aux convertisseurs d’être utilisés de la même manière que s’ils étaient raccordés au réseau
national.
Les stabilisateurs Piller UNIBLOCK™ UBT+ et UBTD+ conviennent à toutes les fréquences et tensions
standard. En plus d’une gamme basse tension complète allant de 380 V à 600 V, ils sont également
disponibles pour en moyenne tension et jusqu’à une puissance de sortie par module de 3 000 kVA.
Charge
Moteur(s) à gaz
Fig.6
Utilisation d’un stabilisateur comme dispositif de couplage au secteur au sein d’un micro-réseau disposant de sa propre génération
d’énergie.
L'intégration des systèmes de stabilisation Piller dynamiques dans un micro réseau isolé peut s'effectuer
de deux manières basiques différentes :
1. En tant que source d’énergie unique absorbant (stockant) ou fournissant exclusivement de
l’énergie lorsque des valeurs seuil sont dépassées.
2. En tant que composant central de la régulation de tension et de fréquence fournissant une
Moteurs à gaz
énergie de haute qualité adaptée à l’alimentation de charges critiques (telles que centres
informatiques ou usines de fabrication de semi-conducteurs, hôpitaux ou aéroports), en
association avec d’autres génératrices.
Dans chacun de ces cas, la solution optimale de stabilisation du réseau doit être déterminée par les
Fig.5
8
Système de stabilisation et de secours d’un micro-réseau isolé alimenté par des moteurs au gaz naturel et un stabilisateur Piller
UNIBLOCK™ UBTD+.
besoins en matière d’énergie haute qualité et la complexité du micro réseau.
9
5
Pour compenser les variations de charge dues au processus de production et éviter qu’elles ne
Études de cas
5.1 Alimentation pour une usine de fabrication de semi-conducteurs de 35 MW
provoquent des variations de fréquence non tolérables, du fait du manque de réactivité des moteurs à
gaz, un stabilisateur dynamique équipé d’un accumulateur cinétique bidirectionel a été installé. Étant
Cet exemple détaille le système d’alimentation d’une usine de fabrication de semi-conducteurs, qui inclut
donné qu’il n’existe aucun raccordement au réseau national, il est inutile ici d’équiper le stabilisateur
une centrale de co-génération de neuf moteurs à gaz de 3,9 MW chacune. L’énergie thermique et électrique
d’une bobine d’impédance et d'un disjoncteur d'entrée.
est transportée sur plusieurs centaines de mètres de la centrale électrique au site de production.
Pour assurer une alimentation électrique suffisante, même en cas de défaillance d’un moteur à gaz, le
Le rôle du système de stabilisateur est de créer une interface entre le réseau haute qualité de l’usine et le
stabilisateur intègre un moteur diesel, capable d’entraîner la génératrice synchrone grâce à un
réseau électrique national afin de fournir un dispositif de secours par rapport aux défauts pouvant affecter ce
embrayage roue libre. Le moteur diesel démarre automatiquement lorsque la décharge complète de
réseau, tout en bloquant toutes les perturbations. Grâce à cette interface, il est possible d’échanger jusqu’à
l'accumulateur cinétique est proche. La régulation de l’énergie sur le long terme garantit que la
5 MW d’électricité avec le réseau national dans les deux sens. Les moteurs à gaz peuvent alors fonctionner
puissance nécessaire est fournie par les moteurs à gaz (en tant que source d’énergie principale). Si les
à un rendement élevé en fonction de la puissance calorifique demandée par l’usine à un instant donné.
moteurs à gaz ne peuvent pas produire toute l'énergie nécessaire à l’usine, le moteur diesel du
Le second rôle des stabilisateurs est de déconnecter le réseau haute qualité du réseau national en cas de
stabilisateur ajoute sa puissance en deuxième recours et l’accumulateur cinétique en troisième recours.
défaillance du secteur et d’assurer l’équilibre de la puissance dans le micro réseau isolé qui en résulte.
Pour les apports transitoires de puissance, l’ordre d’emploi des sources d’énergie est simplement
Le mode de fonctionnement unique de l’accumulateur cinétique permet d’absorber et d’exporter
inversé en fonction de la réactivité propre à chaque système.
symétriquement l’énergie. Cette capacité de flux de puissance bidirectionnel garantit une excellente
De cette manière, en cas de défaillance soudaine d'un moteur à gaz, la régulation permet de s’assurer
régulation de la fréquence, particulièrement en régime transitoire. La fréquence du micro réseau reste dans
que l’énergie manquante est fournie par l’accumulateur cinétique du stabilisateur. La fréquence reste
des limites strictes. Le schéma unifilaire de cette installation est présenté en Fig. 7.
ainsi constante pour les charges. Le moteur diesel est ensuite démarré et reprend la charge avant que
l’accumulateur cinétique soit totalement déchargé. La régulation long terme transfère alors autant de
charge que possible vers les moteurs à gaz. Si les moteurs à gaz sont capables de produire
suffisamment d’énergie pour l’usine, le moteur diesel est arrêté après un certain temps. Si l’installation
Réseau
national
Centrale de cogénération
9x3,9 MW,
moteurs à gaz
a besoin de plus d’énergie que ce que peuvent produire les moteurs à gaz, elle est alimentée par les
puissances combinées du moteur diesel et des moteurs à gaz.
Panneau solaire
Charge
Fig. 7
Association d’un système de co-génération et de secours du réseau à une alimentation de haute qualité pour une usine de fabrication de
semi-conducteurs.
5.2 Alimentation indépendante du réseau national pour une usine de fabrication de plaques de
plâtre à Dubaï
Le site d’une usine de fabrication de plaques de plâtre à Dubaï n’étant pas relié au réseau national,
l’énergie est produite localement. Les 3,5 MW nécessaires sont fournis par trois groupes électrogènes
Moteurs à gaz
utilisant des moteurs au gaz naturel de 1 400 kW. La chaleur résiduelle des moteurs à gaz est également
10
utilisée pour l’usine. L'ensemble de la centrale électrique fonctionne donc à un excellent rendement. À
l’avenir, une centrale photovoltaïque offrira une puissance supplémentaire de 400 kW (voir Fig. 8).
Fig. 8
Micro-réseau alimenté par trois moteurs à gaz, en utilisant un système PILLER UNIBLOCK™ UBTD pour la stabilisation et conserver une
puissance de secours sur le long terme.
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6
Résumé
La stabilité des réseaux d’alimentation électrique est de plus en plus affectée par l’utilisation accrue
d’énergie renouvelable. Des méthodes et technologies spécifiques doivent être mises en œuvre pour
stabiliser les réseaux d’alimentation locaux en association avec une génération d’énergie locale. Grâce
à leur robustesse, à leur flexibilité et à leur puissance de sortie élevée, les stabilisateurs dynamiques sont
les plus efficaces pour garantir une alimentation en énergie extrêmement fiable dans ce type
d’application. Associés à des accumulateurs bidirectionnels, comme des accumulateurs cinétiques
couplés électriquement, ils peuvent stabiliser l’énergie pour chaque type de charge ou de variation de
puissance, garantissant ainsi une fréquence constante, y compris au sein de micro réseaux isolés. Les
alternateurs synchrones des stabilisateurs dynamiques sont également parfaitement adaptés à un
fonctionnement en parallèle avec une génération d’énergie locale, pour fournir une puissance réactive
de stabilisation de la tension, mais également pour apporter une puissance de court-circuit
supplémentaire au réseau.
Une interaction optimisée entre le système de stabilisation et la centrale électrique permet d’assurer
une remarquable stabilité au micro réseau isolé ; un principe validé sur le terrain par de multiples projets
dans le monde.
Frank Herbener, Piller Group GmbH
[email protected], Germany
White Paper No. 0063-0 / March 2014
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