PRI 5.1

PRI-Gestion de l’électricité
LEG/INPG
Programme Energie CNRS : GAT / PRI-5.1 « Gestion de l’électricité »
INSERTION DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE DANS UN RESEAU
D'ENERGIE ELECTRIQUE
N. Hadjsaïd
I. Contexte de l'étude
Les réseaux électriques sont « traditionnellement » exploités d'une manière
centralisée et « verticale ». Ainsi, la plus grande partie de la production électrique est
centrée autour de centrales à grande capacité de production (type centrales
nucléaire). Cette production est souvent liée à des emplacements géographiques
adéquats (sources d'eau, impératifs techniques, ...). L'énergie est ensuite acheminée
vers les grands centres de consommation à travers un réseau de lignes aériennes et
de câbles, souvent à de grandes distances et à des niveaux de tension plus au
moins importants. Cette structure a été construite sur des bases d'économie, de
sécurité du système et de qualité de fourniture de l'énergie. Cette structure, très
centralisée et contrôlée par des centres de conduite hiérarchisés, permet de
surveiller et de contrôler le réseau à tout instant. Ainsi, la production est ajustée à la
consommation instantanément (par surveillance de la fréquence et sur la base de
modèles de prévision de charges très élaborés). La tension est également contrôlée
sur une plage bien spécifiée aux moyens de dispositifs souvent coordonnés
(générateurs, régleurs en charge des transformateurs, compensateurs d'énergie
réactive statiques ou non, actions opérateur,...).
Cependant, ce mode de fonctionnement est de plus en plus remis en causes aussi
bien par les électriciens que par l'opinion et les pouvoirs publics. Les raisons sont
multiples et sans être exhaustif, on peut en citer quelques-unes :

saturation du réseau existant actuel et réduction des plages fonctionnement de
plus en plus aux limites de sécurité - maximisation de la rentabilité des capitaux
déjà engagés,

contraintes Géographiques et écologiques (construction de plus en plus difficile de
nouvelles lignes et centrales),

croissance continue de l’électrification et de la consommation à l’échelle
européenne (notamment des pays émergents) et malgré une certaine stagnation
ces dernières années autour de 2% ,(avec des variations de situation très
sensibles entre pays).

L’appel aux capitaux nécessaire pour soutenir cette croissance induit
inévitablement un morcellement des investissements (petites centrales réparties
sur le réseau). Développement de la cogénération.

problèmes induits de stabilité et de sécurité du système (nécessité de moyens
préventifs souvent très chers : augmentation des courants de court-circuit),

Privatisation, dérégulation et environnement compétitif du marché de l'énergie
électrique (nouvelles réglementations),
Impact de la production décentralisée
1
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
Emergence de nouvelles formes de production d'énergie rationnelle de faible
puissance, écologique, rentable et qui peut être combinée avec la génération de
la chaleur.
C'est dans ce contexte qu'on assiste ces dernières années au développement de la
production décentralisée dans de nombreux pays. Cette énergie est destinée à être
produite localement (au plus près des centres de consommation et est donc non
destinée à être transportable sur de grandes distances). Elle peut s'étaler de
quelques kW à quelques MW et peut également être couplée avec de la production
de la chaleur (cogénération). L'insertion de cette production est prévue, du moins
pour le moment, principalement sur des réseaux de distribution (BT, HTA). De plus,
elle est encouragée par l'évolution de la réglementation en faveur de cogénération et
des énergies renouvelables ainsi que par les coûts attractifs de certains
équipements. Elle s'appuie aujourd'hui sur des moyens de production tels que les
turbines à combustion, les moteurs alternatifs (Diesel ou alimentés en gaz naturel),
les turbines à vapeur, les turbines hydrauliques, les piles à combustible, les
éoliennes et les capteurs solaires. D'autres développements sont attendus dans le
futur sur des moyens tel que le moteur stirling.
II. Impact de la production décentralisée sur le système électrique
Par ailleurs, l'insertion de cette production décentralisée au sein du système
électrique existant n'est pas sans impact sur l'exploitation de ce dernier. Elle
présente un véritable défi de par les multiples incertitudes actuelles sur les capacités
d'intégration de telles productions dans le système, avec tous les problèmes qui y
seront engendrés, et les adaptations nécessaires à opérer sur le système actuel.
On peut lister quelques-uns des points qui suscitent particulièrement des études
appropriées à savoir:

la multiplication des points d'injection dans le réseau,

modification du découplage actuel de l'exploitation des réseaux de transport et
de distribution (changement de sens des flux de puissances, adaptation des
automates, des protections et du système de téléconduite des réseaux de
distribution),

interaction avec les autres éléments du réseau (systèmes de régulation,
charges, installations de puissance réactive, ... ),

incidence sur les facteurs de base de la production (exploitation) centralisée à
savoir: l'économie, la sécurité, et la qualité (faible puissance de court-circuit,
creux de tension, interruption, harmoniques et qualité de l'onde, ... ),

capacité de cette production à contribuer à l'équilibre production consommation, aux réglages, à la résolution de contraintes réseau, au secours
en cas de situation dégradée et plus généralement au services système,

influence sur les schémas d'exploitation en régime normal (optimisation) et
surtout en régime de secours (participation à la réalimentation d'un réseau de
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Impact de la production décentralisée
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distribution lors d'une défaillance de l'alimentation normale et en particulier
celle des clients prioritaires),

comportement du système réseau-production
fonctionnement en réseau séparé,
décentralisée
sur
un

problèmes des transitoires liés au risque de connexions/déconnexions
multiples des groupes sur le réseau ainsi que sur les surtensions engendrées,

problèmes de la stabilité de l'ensemble production décentralisée-réseau et
performances des systèmes de régulation. Le problème des oscillations de
puissance ramenées aux puissances mises en jeu est fortement à considérer,

influence des productions observables et non observables.
Il est donc nécessaire de s'assurer que les performances du réseau ne seront pas
dégradées du fait de l'insertion de la production décentralisée.
III. Etude de quelques impacts de la production décentralisée sur les réseaux
de distribution
III.a. Schémas de protection : illustration
Considérant le schéma de la figure 1 illustrant un poste source d’un réseau de
distribution (Transformateur) avec 2 départs dont un comportant une production
décentralisée. Un court-circuit se produit sur le départ 2 (ne comportant pas de
production décentralisée).
Départ 1
Départ 2
Figure 1a : court-circuit sur le départ 2
Départ 1
Départ 2
Départ 1
Départ 2
Figure 1b : appel de courant
Départ 1
Départ 2
Figure 1c : déclenchement intempestif de protection
Bien que la protection du départ en défaut (départ 1) est censée isoler le défaut et
donc le départ en court-circuit, si le courant injecté par le générateur (production
décentralisée) est plus important que la valeur de réglage de la protection, la
Impact de la production décentralisée
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protection du départ 1 déclenche et met hors circuit le producteur. Selon la valeur
de réglage de ces protections, la protection du départ 1 risque de déclencher en
premier.
Ces exemples illustrent seulement un cas de déclenchement intempestif. D’autres
cas sont également possibles, notamment l’aveuglement des protections lorsque des
générateurs alimentent le défaut.
Il est donc indispensable non seulement d’étudier précisément le comportement des
protections lorsque de la production décentralisée est raccordée aux réseaux de
distribution mais également de faire évoluer, voire re-concevoir, les plans de
protection pour tenir compte de ces changements et des évolutions futures des
réseaux de distribution.
III.b. Impacts sur le profil de tension
Pour illustrer l’impact de la production décentralisée sur le profil de tension, il est
indispensable de considérer le type de poste de source. En effet, ce dernier est
constitué de transformateurs à régleurs en charge permettant de maintenir la tension
de ce poste à valeur pré-spécifiée. Cependant, ces régleurs peuvent être de natures
différentes : avec ou sans compoundage (voir figure 2a et 2b). Les transformateurs
munis de régleurs sans compoundage sont basés uniquement la mesure de tension,
alors que ceux avec compoundage, ils sont basés sur la mesure de tension et de
courant afin de tenir compte de l’état de charge du réseau.
Réseau de répartition HTB
Réseau de répartition HTB
Commande
Commande
Uc
Uc
U max U min
Tpmin T min
U mes
U max Umin
Tpmin Tmin
I mes
R co ump
U mes
Réseau de distribution HTA
Réseau de distribution HTA
Figure 2a :
« transformateur sans compoundage »
Figure 2b :
« transformateur avec compoundage »
Pour mener ces études d’impact, nous avons utilisé un réseau de distribution test
« typique ». Ce réseau comporte un poste source et des départs en structure
d’artères. Des générateurs synchrones sont raccordés ensuite en divers nœuds de
réseau pour observer l’évolution du plan de tension avec ou sans transformateurs
compound.
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Impact de la production décentralisée
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i) Cas sans compoundage
C
Zone 4
Alimentation par le
réseau de répartition
Poste Source
E
Zone 1
D
A
Zone 3
B
Zone 2
Figure 3 : Réseau de distribution
21.5
Tension (kV)
21
20.5
0 GED
20
19.5
19
PS
A
B
C
D
E
Impact de la production décentralisée
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Figure 4 : Profil de tension sans production décentralisée (GED)
Sans génération d’énergie décentralisée (GED), le profil de tension est illustré sur la
figure 4. L’état de charge de ce réseau correspond à une situation « Eté - nuit »
(charge modérée). Les tensions en divers nœuds du réseau sont contenues dans la
plage admissible (19kV-21kV).
Lorsqu’on raccorde une GED de 4 MW au nœud « A » du réseau, on obtient le profil
illustré par la figure 5a. On constate alors une élévation global du profil de tension et
plus particulièrement que la tension au nœud A dépasse la valeur maximale admise
en régime normal (21 kV). C’est un cas de surtension.
21.5
Tension (kV)
21
20.5
0 GED
4 MW
20
19.5
19
PS
A
B
C
D
E
Figure 5a : Profil de tension avec GED : 4 MW
UA & Uc > 21 kV
21,5
Tension (kV)
21
20,5
0 GED
4 MW
10 MW
20
5 MW en A
5 MW en C
19,5
19
PS
A
B
C
D
E
Figure 5b : Profil de tension avec GED : 10 MW
Lorsqu’on raccorde maintenant d’autres GED pour un total de10MW ( 5 MW au
nœud « A » et 5 MW au noaud « C »), on obtient le profil illustré par la figure 5b. On
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constate alors une élévation encore plus importante du profil de tension. Dans ce
cas on a plusieurs dépassements et donc des surtensions en plusieurs nœuds y
compris au niveau du poste source. Ce dernier, malgré des changements de prises,
il n’est pas en mesure de maintenir la tension à la valeur spécifiée.
Cas de charge : Hiver-jour
Cette situation correspond à un état de charge relativement important où les
tensions ont tendance à être plus basses. On effectue les mêmes tests que
précédemment et constate aussi des surtensions (bien que moins importantes) en
dépit de l’état de charge du réseau. Il faut également noter que le transformateur
effectue des changements de prise pour certaines situations (10 MW) et pas pour
les autres.
UA > 21 kV
21,5
Tension (kV)
21
20,5
19,5
0 GED
4 MW
10 MW 5 MW en A
19
5 MW en C
20
18,5
PS
A
B
C
D
E
Figure 6 : Profil de tension avec et sans GED pour un état de charge « Hiver-jour »
ii) Cas avec compoundage
On considère à présent la situation avec un poste source à base de transformateur à
compoundage et pour un état de charge « Hiver-jour ».
21.5
UD & UE < 19 kV
Tension (kV)
21
20.5
0 GED
4 MW
10 MW
20
19.5
5 MW en A
5 MW en C
19
18.5
PS
A
B
C
D
E
Impact de la production décentralisée
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Figure 6 : Profil de tension avec et sans GED pour un état de charge « Hiver-jour » :
Situation avec compoundage
Pour ce cas, on constate en particulier une diminution de tension en certains nœuds
(bien qu’il ait une augmentation de tension sans risque en d’autres nœuds) à mesure
qu’on raccorde de la GED. Cette diminution passe en dessous des limites
admissibles en régime permanent. Cela est dû au fait que le système compound
tient compte de l’état de charge du réseau. Ainsi, le raccordement de GED est vu
par les transformateurs comme une diminution de charge. Des changements de
prises sont opérés mais dans le sens d’une diminution de tension comme
conséquence de la diminution du courant traversant le transformateur du poste
source.
Il faudra veiller à la bonne tenue de tension sur ces réseaux pour différents types de
poste source et pour différents états de charge. Par ailleurs, l’impact sur le profil de
tension dépend d’autres paramètres comme l’emplacement des GED, la présence
ou non de bancs de condensateurs, le type de régulation de tension présente sur
ces GED, la configuration du réseau, etc.
Dans tous les cas de figure, une coordination de tension est indispensable pour un
fonctionnement saint et satisfaisant de ces réseaux en présence de la production
décentralisée.
III.c. Impacts sur les temps critiques d’élimination de défaut (TEC)
Le temps critique d’élimination de défaut est le temps minimum au dessous duquel si
le défaut n’est pas isolé, les générateurs (en particulier synchrones) perdent leur
stabilité. Cette notion est bien connue dans les grands réseaux de transport
comportant des générateurs à grandes puissances (centrales nucléaire par
exemple). Cependant, cette notion n’a jamais été utilisée dans les réseaux de
distribution. En effet, ces derniers ont été conçus pour délivrer le produit
« électricité » au consommateur final. Ces réseaux ne sont donc pas conçus pour
accueillir de la production du moins à large échelle. A présent, la situation en cours
de changement et l’évaluation correcte des TEC est devenue indispensable pour la
sécurité du système. Le réglage des protections nécessite également une
connaissance précise de ces TEC.
Le calcul des TEC est basé sur la modélisation par les fonctions d’énergie des
réseaux et des générateurs qui y sont raccordés. C’est modélisation relativement
lourde et la multiplication des générateurs de petite taille et de différentes natures
rend le calcul et l’analyse particulièrement complexes.
Nous avons donc effectué une première modélisation avec plusieurs générateurs
synchrones raccordés successivement en différents nœuds du réseau test. Les
résultats sont représentés sous forme de cartographie permettant de mieux
visualiser l’évolution de ces TEC en fonction du nombre de générateurs.
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Impact de la production décentralisée
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TEC < 0.2 s
 1 GED
0.2 s < TEC < 0.3 s
0.3 s < TEC < 0.4 s
TEC > 0.4 s
Figure 7a : Cartographie des TEC pour une GED au nœud A
TEC < 0.2 s
 2 GED
0.2 s < TEC < 0.3 s
0.3 s < TEC < 0.4 s
TEC > 0.4 s
Impact de la production décentralisée
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Figure 7b : Cartographie des TEC pour 2 GED aux nœuds A et B
TEC < 0.2 s
0.2 s < TEC < 0.3 s
 3 GED
0.3 s < TEC < 0.4 s
TEC > 0.4 s
Figure 7c : Cartographie des TEC pour 3 GED aux nœuds A, B et C
TEC < 0.2 s
 4 GED
0.2 s < TEC < 0.3 s
0.3 s < TEC < 0.4 s
TEC > 0.4 s
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Impact de la production décentralisée
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Figure 7d : Cartographie des TEC pour 4 GED aux nœuds A, B, C et D
Ces résultats montrent qu’à mesure qu’on raccorde des générateurs, les TEC
diminuent, ce qui a un impact direct sur la sécurité de l’ensemble du système de
puissance. Les protections doivent être adaptées. De plus, ces TEC dépendent de
l’emplacement des générateurs dans le réseau. Il est donc possible de donner des
incitations aux producteurs pour se raccorder aux nœuds présentant une plus faible
diminution des TEC.
Par ailleurs, nous avons voulu identifier la contribution de chaque générateur à ces
TEC. La cartographie ci-dessous (figure 8) présente les résultats obtenus.
TEC engendré par le générateur A
TEC engendré par le générateur B
TEC engendré par le générateur C
TEC engendré par le générateur D
Figure 8 : Cartographie des TEC par GED
III.d. Impacts sur la stabilité (grands et petits mouvements)
Dans cette partie, nous avons évalué le comportement des productions
décentralisées (sur la base de générateurs synchrones) raccordés aux réseaux de
distribution en régime de défaut. L’analyse est orientée sur la stabilité dynamique du
réseau en présence de ces productions. Pour une vision complète du problème,
l’analyse de la stabilité est effectuée à la fois en grands mouvements et en petits
mouvements. L’analyse en petits mouvements permet de localiser les variables du
réseau qui contribuent le plus à l’évolution de la stabilité. Il est ainsi possible de
suivre la migration des pôles du système en fonction du raccordement des GED.
Impact de la production décentralisée
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Il faut noter que ces productions sont généralement de petites tailles (avec une
inertie relativement faible). Il convient donc d’examiner en particulier le cas de
présence d’unités de production à grande inertie à proximité des GED.
1
2
3
4
Figure 9 : Réseau test avec les points de raccordement des GED
Power
F=5.8 Hz
Generator 1
 Evolution de la
puissance active des
générateurs 1 et 2
Generator
2
Time
(s)
Power
 Evolution de la
puissance active
des générateurs 1 et
4
12
Generator 1
Generator 4
Time (s)
Impact de la production décentralisée
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Figure 10 : Evolution des puissances actives des GED après un défaut dans le
réseau
Les résultats ci-dessus (figure 10) montrent un retour à la stabilité en quelques
secondes. Cependant, l’évolution des puissances actives des générateurs 1 et 4
montre que ces deux générateurs oscillent en opposition de phase, ce qui indique un
échange de puissance entre ces générateurs pendant cette période transitoire postdéfaut. Ces oscillations, si elles sont de grande ampleur sont néfastes au système et
peuvent entrer en résonance, ce qui déstabiliserait le système. En outre, elles ont un
impact sur les protections et contribuent au vieillissement des équipements.
L’exemple ci-dessous (figure 11) montre la perte de stabilité lorsque plusieurs GED
sont connectées au réseau (courbe en bleu). La courbe en rouge représente une
seule GED. Le même phénomène peut être obtenu lorsque une petite GED est
raccordée à proximité d’une grande centrale.
Figure 11 : Illustration de perte de stabilité avec multiple GED
Impact de la production décentralisée
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Axe des imaginaires
a)
Axe des réels
b)
0
c)
Figure 12 : Analyse de la stabilité et mouvement des pôles
L’analyse en grands mouvements est donc complétée par une analyse en petits
mouvements. Cette analyse permet donc de bien suivre l’évolution des pôles du
système et de localiser les variables qui contribuent le plus au phénomène de
stabilité (outil de visualisation et de contrôle des valeurs propres du système). Il
serait alors possible de concevoir des systèmes de contrôle permettant de mieux
maîtriser la stabilité et donc d’améliorer la sécurité de système.
Cette analyse permet également de visualiser une cartographie de raccordement
des GED en fonction de leur impact sur la stabilité (figure 13).
Raccordement dangereux
Raccordement difficile
Raccordement possible
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Impact de la production décentralisée
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Figure 13 : Cartographie de raccordement
IV. Conclusion
Ce travail a permis de caractériser certains impacts de la production décentralisée
sur le système électrique existant et en particulier sur les réseaux de distribution.
Nous avons particulièrement mis en évidence les problèmes de tension sous
diverses situations de charge et de type de poste source. Ces études ont également
montré les impacts potentiels en matière de protection, des temps critiques
d’élimination de défaut ainsi que de la stabilité.
De nouvelles méthodologies d’étude sont requises pour analyser le problème du
raccordement des GED dans sa globalité. Cela permettrait également de concevoir
des outils capables de gérer la complexité accrue introduite par l’arrivée des GED
dans les réseaux de distribution.
V. Annexes
Les travaux présentés ont été menés dans l’environnement de la plate-forme microréseau électrique du LEG (Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble). Les
perspectives de ces travaux seront orientés vers l’optimisation des transferts
Impact de la production décentralisée
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énergétiques et la validation des solutions obtenues au sein de cette plate-forme,
notamment les aspects temps réel.
Real-Time process
Interface
+
Power
stage
Equipment
to be tested
Measures
High speed communication
N/A
Protections
Sources
Loads
A/N
Storage
Figure 14 : Plate-forme micro-réseau
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