VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE L’EOLIEN DANS LE RESEAU ELECTRIQUE GRACE A L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Benoît Robyns EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Prévision de l’European Wind Energy Association pour l’Europe: → 180000 MW d’éolien en 2020 → soit 5x plus qu’en 2004 (34000 MW) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problématique de l’intégration des éoliennes dans un réseau d’énergie: ⇒ Production aléatoire et difficilement prévisible ⇒ Absence de réglage fréquence-puissance ⇒ Réglage de tension limité ⇒ Sensibilité aux creux de tension ⇒ Sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs (d’un point de vue électrique) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs → limite le taux de pénétration de l’éolien Dans les réseaux insulaires → limitation du taux de pénétration de l’éolien à 30% (EDF) → dans certains réseaux insulaires la limite des 30% est quasiment atteinte. Dans les réseaux interconnectés → Des retours d’expérience (Danemark) indiquent qu’au-delà de 20 à 30% d’éolien des problèmes de stabilité sont apparus. EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Taux de pénétration maximal (Puissance installée/demande minimale) En 2004 Allemagne Espagne Danemark Danemark Ouest Est Hors interconnexion 44 % 54,2 % 200 % 77 % Avec interconnexion 30 % 45,8 % 61,5 % 21,2 % EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Plan de l’exposé ⇒ Technologies d’éolienne de grande puissance ⇒ Ferme d’éoliennes ⇒ Problèmes induits par l’intégration de l’éolien dans le réseau électrique ⇒ Participation au réglage primaire de fréquence d’une éolienne ⇒ Apport du stockage de l’énergie électrique ⇒ Perspectives EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Principe: Puissance aérodynamique: 1 Pw = C p ρAv 3 2 Coefficient de rendement 0,5 β = 0° β = 2° 0,4 β = 4° 0,3 β = 6° Cp Cp < 0.59 L’énergie éolienne β = 8° 0,2 Ratio de vitesse: λ= ωt R v β =10° β = 12° β = 14° β = 16° 0,1 0 0 β = angle d’orientation des pales 5 λ 10 15 Interface réseau Moyen de contrôle Fonctionnement possible Services système MAS (Vitesse fixe) Facultatif Gradateur Banc de condensateur Pitch control Stall Actif Contrôle de P approximatif et dynamique lente Marginal MADA Multiplicateur (vitesse • variable) • • Convertisseur AC/AC Machine asynchrone A cage Dimensionner à 25% de Pn Contrôle de Q si condensateur Pitch control Contrôle P Couple 400 génératrice Contrôle Q ac 50 Hz • β MSAP Turbine (vitesse variable) Réglage w Puissance Réglage U Courbe mesurée 350 Tant qu’il y a du vent Courbe théorique 300 250 Convertisseur Pitch control AC/AC Compensation de réactif 200 Couple 150 génératrice Puissance (kW) v Type d’éolienne 100 50 Contrôle P Réglage w Contrôle Q Réglage U Fonctionnement en isolé Îlotage 0 0 5 10 15 Tant qu’il y a 20du vent 25 Vitesse de vent (m/s) 30 Type d’éolienne Interface réseau Moyen de contrôle Fonctionnement possible Services système MAS (Vitesse fixe) Facultatif Gradateur Banc de condensateur Pitch control Stall Actif Contrôle de P approximatif et dynamique lente Marginal Convertisseur AC/AC Dimensionner à 25% de Pn Pitch control Contrôle P Réglage w Couple génératrice Contrôle Q Réglage U MADA (vitesse variable) Contrôle de Q si condensateur Tant qu’il y a du vent v MSAP (vitesse variable) Machine Asynchrone Convertisseur Pitch control à Double Alimentation AC/AC Bagues Couple Balais génératrice Multiplicateur β Onduleur MLI Turbine Fréquence variable (ac) Contrôle P ac 50 Hz Réglage w Contrôle Q Réglage U Fonctionnement en Onduleur isoléMLI Îlotage Tant qu’il y a du vent EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Puissance en fonction de la vitesse du vent 1800 1600 Puissance (kW) 1400 1200 1000 800 600 400 P u is s a n c e é lé c triq u e ( k W ) 1600 200 1400 0 -200 0 5 10 1 2 0 0 15 20 vent (m/s) 1000 800 Puissance en fonction du temps 600 400 200 0 -2 0 0 0 2 4 6 8 10 te m p s ( h e u r e ) Type d’éolienne Interface réseau MAS (Vitesse fixe) v MADA (vitesse variable) Moyen de contrôle Fonctionnement possible Services système Facultatif F réq u en ce Pitch O ncontrol d u leu r va ria b le (a c) M LI Stall Actif Gradateur Banc de condensateur Contrôle O n dde u leuPr approximatif M LI et dynamique lente Marginal Pitch control Convertisseur AC/AC M a chine Sy nch ro ne Dimensionner à Couple génératrice 25% de Pn Contrôle P Réglage w Contrôle Q Réglage U ac 50 Hz Contrôle de Q si condensateur Tant qu’il y a du vent β MSAP (vitesse variable) Convertisseur AC/AC Pitch control Contrôle P Réglage w Couple génératrice Contrôle Q Réglage U Fonctionnement en isolé Îlotage Tant qu’il y a du vent EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE MSAP – Banc d’essai Puissance active MPPT Lissage de puissance EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE MSAP – Banc d’essai Puissance réactive EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Evolution des parts de marché des différentes technologies d’éoliennes Synchrone Asynchrone à double alimentation Asynchrone vitesse fixe EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Ferme d’éoliennes G G G AC AC AC T DC AC AC AC T Raccordement des éoliennes en alternatif DC DC DC DC Groupe d’éoliennes AC DC DC DC G AC T T T Vers autres groupes d’éoliennes Vers réseau électrique EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Ferme d’éoliennes G G G G Groupe d’éoliennes T T AC DC AC DC T T AC DC Raccordement des éoliennes en continu AC DC DC Vers autres groupes d’éoliennes AC Vers réseau électrique Puissance (kW) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Ferme d’éoliennes 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Foisonnement de l’éolien 1 éolienne 0 50 100 150 temps (s) 200 250 300 3000 2500 800 Puissance (kW) Puissance (kW) 1000 600 400 3 éoliennes 200 0 2000 1500 1000 10 éoliennes 500 0 0 50 100 150 temps (s) 200 250 300 0 50 100 150 temps (s) 200 250 300 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Prévision de la production Incertitude moyenne sur les prévisions à 24 h : 10 % Exemple danois de bonne prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Prévision de la production Exemple danois de mauvaise prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Capacité d’accueil du réseau La capacité des lignes et des postes est limitée. Dans le cas de l’éolien, les lieux de production (sites ventés) sont souvent éloignés des lieux de consommation. Il peut y avoir nécessité de renforcement de postes (modification des protections, augmentation de la puissance de court-circuit,…). Afin d’éviter la congestion des lignes de transport et d’assurer la sécurité du réseau, de nouvelles lignes devraient être construites en particulier aux interconnexions entre les réseaux gérés par des opérateurs différents. EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Capacité d’accueil du réseau L’opérateur allemand EON Netz prévoit le développement de 1000 km de lignes supplémentaires d’ici 2016 pour une capacité éolienne de 16 000 MW, dont une partie importante en off-shore, et ce pour un montant de 550 millions d’Euros. Le délai de renforcement d’un poste peut atteindre 5 ans et le délai de construction d’une nouvelle ligne peut atteindre 10 ans et faire l’objet d’oppositions importantes de la part des populations. EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Déconnexions intempestives Grande sensibilité aux perturbations du réseau et tendance à se déconnecter rapidement lors d’un creux de tension ou lors d’une variation de la fréquence. Déconnexion de la production décentralisée lors du black-out italien du 28/9/03 lorsque f < 49 Hz EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Déconnexions intempestives Il est demandé aux éoliennes installées depuis 2003 de pouvoir rester connectées au réseau en cas de baisse de tension et de variation de fréquence. Les éoliennes doivent rester connectées au réseau tant que le creux de tension reste supérieur à un gabarit. U/Udim Exemple valable pour les réseaux de répartition 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t en s 1,6 1,8 2 2,2 2,4 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Qualité de l’électricité r V1 ~ x P, Q V2 Chute de tension dans une ligne: Zch rP + xQ ∆V = V2 Cas des lignes THT, x › 10 r : xQ ∆V = V2 ⇒ Réglage de la tension via un réglage de la puissance réactive → Flicker et Harmoniques EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Problèmes induit par l’éolien Qualité de l’électricité Un déséquilibre entre la production et la consommation induit une variation de fréquence due à la variation de vitesse des groupes alternateurs classiques. Les fluctuations de la puissance éolienne, tout comme les variations de charges, pourraient activer le réglage primaire. Actuellement, lorsque la production est supérieure à la consommation, donc lorsque la fréquence est supérieure à 50,5 Hz, il peut être demandé aux éoliennes de réduire leur production. EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Augmenter le taux de pénétration de l’éolien: ⇒ Participer à la gestion du réseau (service système, dispatchibilité) ⇒ Pouvoir fonctionner en îlotage ⇒ Accroître la disponibilité du système éolien Solutions pour augmenter le taux de pénétration de l’éolien: ⇒ Eoliennes à vitesse variable Nouvelles possibilités offertes par l’élec. de puiss. ⇒ Nouvelles stratégies de supervision ⇒ Structure des centrales éoliennes ⇒ Stockage de l’énergie à court et long terme ⇒ Systèmes multisources EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Participation au réglage primaire d’une éolienne L’éolienne génère une puissance inférieure à sa capacité maximale afin de disposer d’une réserve. Elle participe au réglage primaire suivant une droite de réglage classique. P(W) ~ P0 + ∆P Sc P0 P0 - ∆ P f0 - ∆ f f0 f0 + ∆f JDB f(Hz) CNRT Futurelec Lille ~ Seol Ch1 Ch2 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Participation au réglage primaire d’une éolienne Vent variable Vitesse du vent vitesse du vent [m/s] 15 14 13 12 11 10 9 400 450 500 Tem ps [s] 550 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Participation au réglage primaire d’une éolienne Puisance active éolienne [kW] Vent variable Puissance éolienne 800 Sans réglage primaire 700 600 Avec réglage primaire 500 400 300 400 450 500 Temps [s] 550 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Participation au réglage primaire d’une éolienne Vent variable Fréquence Fréquence réseau [Hz] 50.5 Sans réglage primaire 50 Avec réglage primaire 49.5 49 48.5 400 450 500 Temps [s] 550 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Apport du stockage d’énergie électrique à court terme: ⇒ Lissage de la puissance ⇒ Réglage de la tension ⇒ Réglage de la fréquence (réglage primaire) ⇒ Permettre l’îlotage (phase transitoire) Apport du stockage de l’énergie électrique à long terme: ⇒ Réglage de la tension ⇒ Réglage de la fréquence (réglage primaire et secondaire) ⇒ Fonctionnement en îloté ⇒ Adaptation aux réseaux d’énergie existant ⇒ Planification à long terme de la production en fonction des besoins ⇒ Augmentation du taux de pénétration de l’éolien EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Principaux moyens de stockage de l’électricité à long terme Energie intermédiaire gravitaire thermique Système de stockage Pompage hydraulique Stockage de chaleur latente ou sensible Rendement 0.73 Densité de Type de cycle ou 3 Stockage kW/m délai de décharge 2 (pour 1000m quotidien, de chute) hebdomadaire ou saisonnier 0.65 à 0,85 20 à 150 quotidien 0.7 2à5 chimique Batteries d’accumulateur électrochimique 0.7 à 0,9 5 à 150 chimique Stockage H2 par élcctrolyse et pile à combustible < 0.55 < 100 quotidien ou hebdomadaire quelques jours à quelques dizaines de minutes quotidien à saisonnier de pression Compresseur d’air EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Principaux moyens de stockage de l’électricité à court terme Energie intermédiaire cinétique Système de stockage Volant d’inertie Electromagnétique Courant permanent en bobine supraconductrice Electrostatique Condensateur classique Electrostatique Supercondensateur à électrolyte double couche Rendement 0.7 à 0.9 0.9 à 0.95 _ 0.9 à 0.95 Densité de Type de cycle ou 3 Stockage kW/m délai de décharge 10 à 100 quelques dizaines de minutes quelques 0.1 à 5 millisecondes à dans la bobine quelques secondes < 0.1 1 à 10 fraction de millisecondes quelques secondes à quelques dizaines de secondes 1 → Stockage inertiel : E = Jω 2 2 → Bonne dynamique, bon rendement, durée de vie élevée → Lissage de puissance, réglage fréquence et tension, îlotage EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Stockage inertiel à vitesse lente Vitesses de travail: 3600 à 1500 tours/min. Puissance: 1650 kW / 10 sec. www.piller.com EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Stockage inertiel à vitesse élevée Puissance: 1000 kW / 15 min. www.beaconpower.com EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Stockage inertiel d’énergie associé à un couplage éolien-diesel EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Schéma global du réseau éolien-diesel incluant le système de stockage d’énergie. Cas d’étude. Moteur Diesel Turbine éolienne + génératrice asynchrone Génératrice synchrone Stockage inertiel Charge EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Schéma du système de stockage inertiel d’énergie. Volant d’inertie Machine asynchrone i1 u ba 1 u ca 1 1 E = Jω 2 2 ia1 Lf i2 i Convertisseur MLI 1 Convertisseur MLI 2 u u ba 2 p u ba 2 s Réseau u ac 2 p ia 2 p ib1 Génération MLI u ′wa 1 u ′wb 1 u ′wc 1 u Génération MLI u ′wa 2 u ′wb 2 ib 2 p u ′wc 2 Système de commande et de supervision ωm Mesure de la puissance active du générateur éolien u ba 2 p EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Stratégie de supervision du système de stockage d’énergie Préférence = Préglage − Péolienne Puissance de réglage Préglage = Pstabilisat eur + Péolienne 0 t Moteur Diesel Turbine éolienne + génératrice asynchrone Génératrice synchrone Stockage inertiel Charge EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Stratégie de supervision du système de stockage d’énergie Problème : On ne peut stocker ) ou restituer indéfiniment... Tenir compte de la vitesse du volant d’inertie « si la vitesse du volant devient trop basse alors on favorise le stockage » « si la vitesse du volant devient trop élevée alors on favorise la génération » « si la vitesse du volant est moyenne : fonctionnement normal » Péolienne Vitesse du volant Superviseur à Préglage logique floue EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Péolienne Vitesse du volant Puissance de réglage Superviseur à logique floue Superviseur à Préglage logique floue EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Simulation Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site éolien de Dunkerque Vitesse du vent [m/s] 12 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 Temps [s] 400 500 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Simulation Puissance active générée par le groupe électrogène Sans système de stockage en rouge Avec système de stockage en bleu Puissance active du diesel [W] 5 3 x 10 2.5 2 1.5 1 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 Temps [s] 400 450 500 550 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Puissance générée par l’association stabilisateur cinétique – éolienne (Puissance de réglage) Grandeur souhaitée représentée en rouge Grandeur obtenue représentée en bleu 5 Puissance de réglage [W] 3 x 10 2.5 2 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 Temps [s] 500 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Simulation Vitesse du volant d’inertie Vitesse du volant [tr/min] 4800 4600 4400 4200 4000 3800 3600 3400 0 100 200 300 Temps [s] 400 500 600 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Eolienne à vitesse variable PMSG Conv. 1 Conv. 3 Réseau Filtre MAS Conv. 2 Stockage inertiel Charge isolée • Convertisseur 1 Contrôle de la génératrice synchrone à aimants permanents • Convertisseur 2 Contrôle du bus continu • Convertisseur 3 Contrôle de la tension et de la fréquence du réseau EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE DS 1103 DS 1104 Banc d’essai de 3kW Réseau PMSG Filter Charge isolée MCC MAS FESS DS 1104 CNRT Futurelec Lille EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Essais expérimentaux – Sans stockage Vitesse de la génératrice Temps (s) Puissance envoyée au réseau en absence du stockage Temps (s) STOCKAGE DE L’ENERGIE ET EOLIENNES Essais expérimentaux Avec stockage Puissance lissée envoyée au réseau Temps (s) Vitesse du volant Temps (s) STOCKAGE DE L’ENERGIE ET EOLIENNES Essais expérimentaux Avec stockage Puissance constante envoyée au réseau Temps (s) Vitesse du volant Temps (s) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Alternateur classique: → couplage naturel entre la puissance active et la fréquence → réglage tension (Q) via l’excitation Source à convertisseur statique: Est-il possible d’obtenir un comportement similaire à celui d’un alternateur classique? Introduction d’une relation fréquence – puissance “artificielle” f (Hz) f0 + ∆f f0 f0 - ∆f Pg ref - ∆Pg Pg ref Pg ref + ∆Pg Pg mes (W) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Portion de réseau 20 kV intégrant une ferme de 3 éoliennes associées à du stockage. Réseau ~ puissant 63 kV Préseau 20 kV BB2 BB1 BB3 Z3 Z2 Z1 Pg1 Pg2 Pg3 ~ ~ ~ GS1 GS2 GS3 vw1 vw2 vw3 Charge1 Charge2 Charge3 P1 P2 P3 Q1 Q2 Q3 Charge4 Charge5 Charge6 P4 P5 P6 Q4 Q5 Q6 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Evolutions des vitesses de vent appliquées aux différentes éoliennes EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Puissance active générée par chaque génératrice éolienne EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Puissance active générée par chaque système éolienstockage et puissance reçue ou fournie par le réseau Ilôtage 150 s EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Vitesse des trois volants d’inertie EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Discussion sur l’apport du stockage Les besoins de stockage sont fonctions du service à fournir: ⇒ Lissage de puissance → P-stockage ≅ 30% P-éolien ⇒ Services système → P-stockage ≅ P-éolien ⇒ Foisonnement des puissances dans une ferme éolienne → P-stockage inférieure à P-éolien total La stratégie de supervision est fonction des services à fournir ⇒ Son optimisation doit permettre de limiter les besoins de stockage ⇒ Stratégie applicable à différentes technologies de stockage Technologies de stockage ⇒ Combinaison de stockages à court et long terme ⇒ Coût du stockage actuellement élevé qui devrait diminuer → par la valorisation financière des services rendus au réseau → par le développement à grande échelle du stockage EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Exemple de solution pour l’avenir Grid Wind generator Converter 2 AC iw_m Gear box DC Pile à combustible Hydrogen tank i Fuel cell it_m ubus C H2 O2 Water H2 Water DC ih_m Electrolyzer Electrolyseur DC Converter 3 Superus condensateurs Ultra capacitor iCu Cu ic L ib Converter 4 DC um Ru DC ib_m Converter 1 DC AC LT it EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Conclusion et perspectives L’intégration harmonieuse de l’éolien dans le réseau passera: ⇒ par une meilleure prévision du vent, ⇒ une coordination resserrée entre les gestionnaires de réseau de transport européen, ⇒ le renforcement des interconnexions européennes. Mais aussi grâce… ⇒ à l’utilisation de l’électronique de puissance dans les interfaces avec le réseau, ⇒ au développement du stockage de l’énergie à court et long terme, ⇒ au développement de systèmes multisources, ⇒ au foisonnement éolien sur un vaste territoire. EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Merci pour votre attention