Optimisation de l’architecture et des flux énergétiques de centrales à Energies

Optimisation de l’architecture et des flux
énergétiques de centrales à Energies
Renouvelables offshore et onshore
équipées de liaisons en continu
SEE HVDC 2012, 23 & 24 Octobre 2012
Pascal MONJEAN
Benoît ROBYNS
L2EP-HEI
Contexte
Directives européennes : 21 % EnR en 2020
Eolien offshore le plus à même pour remplir ces conditions : vent fort et régulier en mer,
pollution du paysage amoindrie et marché industriel existant
Autres énergies : hydrolien, solaire…
Création de grandes fermes isolées du réseau, à des distances importantes (> 50 km)
permettant de repenser les structures de connexions
Connexions de fermes
AC ou DC ? Connexions séries ou parallèles ?
Convertisseurs ?
Thèse CIFRE avec General Electric
et L2EP
Objectifs globaux de la thèse :
– Etude d’architectures de réseaux continus pour fermes énergies renouvelables (éolien
offshore, hydrolien, solaire, …)
– Gérer les flux de puissances internes à la ferme
– Gérer la connexion au réseau terrestre
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Contexte : tendances éolien offshore
Tendances :
5 GW en 2012
40 GW d’ici 2020 (Allemagne, UK, Chine, USA, France, …)
– Projet de 5 fermes au large de la France : 3 GW d’ici 2017
Super réseaux : association de plusieurs fermes avec lignes hautes tensions
– fermes offshores Kriegers Flak > 1 GW
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3
Contexte : tendances éolien offshore
En 2012 : réseau de distribution en AC et câble de transport en HVAC ou HVDC
Exemple fermes éoliennes
– Robin Rigg / UK / 13 km / 180 MW / HVAC 132 kV / distribution 33 kV AC
–
Borwin 1 / Allemagne / 200 km / 400 MW / HVDC ±150 kV / distribution 33 kV AC
Choix du DC/AC pour la HV ? Choix du DC/AC pour la distribution ?
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Problématiques
Problématiques pour la connexion d’une ferme
renouvelable offshore :
Topologies de connexions pour ferme à énergie renouvelable ?
Critères de comparaisons et choix ?
Technologies DC ? Défauts en DC ?
Gestion énergétique de la ferme ?
Respect du grid code ?
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Plan
Comparaison d’architectures
Cas d’étude : ferme éolienne offshore
Modélisation d’une ferme avec structure
DC
Convertisseurs DC-DC
Simulations temps réel d’une ferme
éolienne offshore
Contrôle global et connexion au réseau
Synergies avec le solaire
Conclusions et Perspectives
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Intérêts du courant continu
Intérêts des liaisons HVDC vs HVAC :
DC 400 kV
Contrôle de P et Q sur le réseau AC
Pertes HVDC < pertes HVAC (distance élevée)
Transmission de puissance limitée en AC due au
courant réactif
Etudes technico-économiques : la distance où une liaison HVDC est plus
intéressante qu’une liaison HVAC est d’environ 95 km pour 200 MW
Si ligne HV = HVDC, pourquoi ne pas réaliser l’architecture de distribution
en DC ?
Principales raisons
– Economique : ferme éolienne 200 MW = 60 km de câbles de distribution (pertes plus
faibles, coûts plus bas, pas de réactif)
– Transformateurs Hautes-Fréquences (HF) dans convertisseurs DC-DC :
Moins encombrants qu’à 50-60 Hz : 8 MVA 50 Hz vs 500 Hz
poids – 70 % & volume - 50 %
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Comparaison d’architectures de fermes
Différentes architectures comparées : technologie, poids en cuivre des
câbles, pertes, disponibilité
Définition d’une méthodologie globale pour comparer différentes
architectures utilisant la méthode de Monte Carlo (vent aléatoire)
Cas d’étude : ferme éolienne 200 MW à 100 km des côtes
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Comparaison d’architectures de fermes
Solutions de référence existantes
2
1
AC + HVAC
Solution DC LVDC / MVDC + HVDC
AC + HVDC
3 4
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Comparaison d’architectures de fermes
Critère de comparaison : volume de cuivre pour les câbles
Solutions existantes
1
HVAC 184 kV - AC 33 kV
3
HVDC ±150 kV - DC ±25 kV
2
HVDC ±150 kV - AC 33 kV
1
2
3
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Comparaison d’architectures de fermes
Critère de comparaison : pertes pour les composants et les câbles
Solutions existantes
1
HVAC 184 kV - AC 33 kV
3
2
HVDC ±150 kV - AC 33 kV
Rendement amélioré
en DC de 1,6 % /
solution AC 33 kV &
HVDC
HVDC ±150 kV - DC ±25 kV
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1 2 4
Comparaison d’architectures de fermes
Critère de comparaison : disponibilité de l’énergie
4
3
HVDC ±150 kV - DC ±25 kV
HVDC ±150 kV – DC série
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Comparaison d’architectures de fermes
Comparaison solution entièrement DC vs entièrement AC :
Réactif important dans les câbles AC si distance > 100 km
Pertes équivalentes entre les deux topologies : 6,5 %
Possibilités de contrôles plus importantes avec les convertisseurs de la
topologie DC (services réseaux, …)
Choix de modéliser plus finement la solution DC ± 25 kV / ± 150 kV
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Plan
Comparaison d’architectures
Cas d’étude : ferme éolienne offshore
Modélisation d’une ferme avec structure
DC
Convertisseurs DC-DC
Simulations temps réel d’une ferme
éolienne offshore
Contrôle global et connexion au réseau
Synergies avec le solaire
Conclusions et Perspectives
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Commandes possibles pour la ferme
éolienne MVDC
P_MPPT
Contrôle Onduleur_éolienne
UDC_éolienne
Contrôle DC_DC_éolien
Q_reseau
UDC_distribution
U_HVDC
Contrôle
DC_DC_principal
UAC
Contrôle
Onduleur_réseau
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Cœur technologique : DC-DC
Etudes sur le convertisseur DC-DC
Comparaison technologique de topologies (résonnant,
Full-Bridge, Dual Active Bridge)
Choix du DC-DC Full-Bridge car le mieux adapté pour le
cas d’étude : uni-directionnel, commande simple, facteur
de puissance proche de 1
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Cœur technologique : DC-DC
Comparaison avec ou sans contrôle de tension DC en entrée du
convertisseur
Dimensionnement du transformateur HF différent selon stratégie
Avec contrôle : contrôle de la tension DC quelles que soient les variations de
puissances dans la ferme
Sans contrôle de tension,
variations de la tension DC
selon les impédances des
transformateurs et lignes
P = 200 MW
VDC = 56 kV
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Cœur technologique : DC-DC
1ère ferme hydrolienne à Paimpol à 16 km des côtes
Structure DC 1 kV et 10 kV
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Plan
Comparaison d’architectures
Cas d’étude : ferme éolienne offshore
Modélisation d’une ferme avec structure
DC
Convertisseurs DC-DC
Simulations temps réel d’une ferme
éolienne offshore
Contrôle global et connexion au réseau
Synergies avec le solaire
Conclusions et Perspectives
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Expérimentations Temps-réel
Simulations temps réel sous RT-Lab
Objectifs et intérêts :
– Simuler le fonctionnement de la ferme
éolienne offshore
– Comparer le comportement d’un
convertisseur DC-DC réel 4 kW avec les
DC-DC simulés
– Valider les stratégies de contrôle
commande développées pour la ferme sur
le convertisseur réel connecté à la
simulation
– Réaliser des cas de défauts en temps réel
impact en réel
Plateforme Energies Reparties
Simulateur
temps réel
Matériel :
– Simulateur Temps-Réel RT-Lab de OPALRT
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20
Expérimentations Temps-réel
Schématique de l’expérimentation temps-réel
3 éoliennes avec chaîne
Convertisseur DC-DC : Source de
de conversion : sources
modèle complet courant virtuelle
de courants virtuelles
1 éolienne :
Réalisation physique
Plateforme DC-DC :
modèle complet
35 éoliennes +
chaîne de conversion :
source courant virtuelle
HVDC + onduleur + réseau :
modèle moyen
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Expérimentations Temps-réel
Connexion d’un convertisseur réel à la simulation Temps-réel
Simulation Power Hardware In the Loop (PHIL)
Gain
VDC
Gain
Réel
IDC
Simulateur temps réel
Source
Programmable
Simulation
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Expérimentations Temps-réel
Réalisations :
Simulation ferme éolienne offshore structure DC 200 MW
– Bon fonctionnement global de la ferme
– Stratégies avec ou sans contrôle des tensions DC de la ferme testées pour les
convertisseurs DC-DC (éolienne, plate-forme)
– Simulation de chute de tension sur le réseau AC suivant grid code
U/UN
Défaut réseau AC 50 % durant 1000 ms
100 %
90 %
Grid code
50 %
20 %
10 %
0150 500
1000
1500
t (ms)
Conclusions sur les expérimentations PHIL
Régulation de tension DC pas forcément obligatoire
des lignes et transformateurs
Stratégies pour répondre au grid code suivies
dépend des paramètres
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Topologies DC pour fermes solaires
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Topologies DC pour fermes solaires
Structures DC transposées au solaire
Similarités :
Puissance de ferme proche
Longueurs de câbles importantes
Possibilité d’utiliser des convertisseurs DC-DC pour contrôler le MPPT
Différences :
Plage de variation de la tension DC MPPT pour les PVs plus élevée
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Conclusions
Conclusions
Eolien offshore :
– secteur industriel en plein essor dans le monde : projets > 500 MW
– Structures DC prometteuses pour ces parcs (pertes, coûts, contrôles)
Autres énergies comme l’hydrolien et le solaire en développement
– Projets de fermes solaires > 500 MW aux USA
– Mise en servie de la ferme hydrolienne Paimpol 4 MW en 2012
Convertisseurs DC-DC avec transformateur HF permettent un gain en
encombrement et poids
Défis futurs :
Protections en DC
propositions de disjoncteurs DC (statiques, …)
Onduleurs multi-niveaux
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Merci pour votre attention !
SEE HVDC 2012, 23 & 24 Octobre 2012
Pascal MONJEAN
Benoît ROBYNS
L2EP-HEI
17/03
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