L`îlotage - Nice Grid

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Îlotage
L’enjeu consiste à maintenir, durant les phases d’îlotage, l’équilibre
production et consommation tout en garantissant la stabilité
de la tension et de la fréquence (plages de fonctionnement
réglementaires), sans générer de perturbations complémentaires
(Harmoniques / Flicker). De plus, le système doit maintenir un plan
de protection des biens et des personnes adapté en cas de défauts
électriques survenant sur la poche îlotée ou chez les clients.
Le quartier îloté
Thématiques
• Déconnexion d’un micro réseau (quartier îloté)
• Stockage de l’électricité
• Production photovoltaïque locale
Cas d’utilisation
• Ilotage d’un quartier BT
Chiffres clés
Quartier îloté comprenant :
•8 clients tertiaires consommant de 20 à 230 kW
selon le moment de l’année
•3 producteurs représentant une pointe de production
cumulée de 430 kWc
Un quartier situé dans la zone industrielle de Carros a été retenu
pour l’expérimentation des solutions d’îlotage car il offrait des
conditions propices pour tester l’ilotage, à savoir une assez bonne
concordance de l’énergie produite et de l’énergie consommée
dans le quartier, surtout durant les mi-saisons (printemps et
automne)
Ce quartier est alimenté par le poste HTA/BT (400 kVA) de Dock
Trachel où sont raccordés :
•8 clients tertiaires consommant jusqu’à 230 kW en pointe en
hiver surtout
•3 producteurs PV totalisant un total de 430 kWc en pointe :
L’îlotage consiste en la déconnexion d’une poche
de consommateurs du réseau normal de distribution.
Objectifs et expression du besoin
Définition de l’îlotage dans le projet NICE GRID
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Dans le cadre du projet NICE GRID, l’îlotage se définit comme
la déconnexion d’un réseau basse tension (BT) alimenté par un
poste de distribution publique (HTA/BT) de manière manuelle ou
automatique, programmée ou inopinée. Durant l’îlotage, le quartier
est alimenté pour une durée limitée par un système de stockage et
par une production locale photovoltaïque.
Durant cet ilotage, le système de stockage, et en premier lieu les
convertisseurs de puissance, assure la stabilité de l’alimentation
du quartier (fréquence et tension).
Lorsque la période prévue pour l’ilotage s’est écoulée ou lorsque
le réseau amont est revenu à la normale, la synchronisation et
la reconnexion au réseau se font sans coupure du réseau iloté
et donc sans impact sur l’alimentation des clients du micro-grid,
qu’ils soient consommateurs ou producteurs.
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Figure 1 : Schéma de principe de l’îlotage.
Figure 2 : Plan du site
Ce site a été retenu principalement en raison du niveau important
de refoulement dû à la forte concentration de productions PV. Le
refoulement désigne l’énergie renvoyée de la Basse Tension (BT)
vers la moyenne tension (HTA) quand la production PV locale est
supérieure à la consommation locale.
Figure 3 : Courbes de charge du poste Dock Trachel
du Lundi 15 avril 2013 au Dimanche 21 Avril 2013.
Les cas d’usage
Deux variantes de l’îlotage sont testées : Les ilotages programmés
(sans coupure) et les ilotages inopinés (faisant suite à une coupure
du réseau amont)
ÎLOTAGE PROGRAMME
ÎLOTAGE INOPINE
Le premier, dit îlotage programmé, est sollicité par
le gestionnaire de réseau pour un effacement total
des échanges de puissance entre le réseau normal et
le micro-réseau. Généralement réalisé sur une durée
limitée (typiquement 4 heures), celui-ci est préparé
à J-1 afin de mettre le système de stockage au
niveau de charge requis en début d’ilotage pour tenir
durant la période d'îlotage ciblée. La déconnexion et
la reconnexion de la poche BT du réseau normal de
distribution se font sans coupure ni perturbation pour
les clients qui y sont raccordés.
Le second, dit îlotage inopiné, permet de palier à l'absence d'alimentation
HTA amont. Après détection de la défaillance, le micro-réseau est maintenu
coupé pendant 3 minutes pour permettre une éventuelle reconfiguration
des boucles d'alimentation HTA par le gestionnaire de réseau. Si à l'issue
de cette période l’alimentation amont n’est pas revenue, le système de
stockage réalimente la poche, avec le soutien des centrales de production
PV. La durée des îlotages inopinés est dépendante du retour à la normale
de la tension amont, de la capacité locale de production des énergies
renouvelables et de l'état de charge du système de stockage. Au retour de
la tension amont, le système se recouple au réseau normal de distribution
sans coupure ni perturbation pour les clients.
Figure 4 : Logigrammes des deux modes d’ilotage, avec ou sans coupure initiale
Déploiement et implantation www.grid4eu.eu
Architecture retenue
Figure 5 - Schéma de principe général
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Pour réaliser le système de stockage permettant l’îlotage plusieurs
architectures étaient envisageables :
• 1 Power Converter System (PCS) associé à 1 batterie.
• N PCS associés à 1 batterie (solution retenue)
• N PCS associés à N batteries.
passera indifféremment du mode charge au mode décharge sans
perturbation.
C- Le Système de Contrôle de l’Îlotage
Pour la partie batterie, les contraintes d’implantation sur le site
et de mise en œuvre de la batterie ont conduit à n’utiliser qu’une
seule et unique batterie. Cela présentait un double avantage :
•Dissociation des parties conversion & stockage (batterie) pour
une intégration optimisée en regard de la place disponible.
•Utilisation d’un container standard de SAFT intégrant l’ensemble
des auxiliaires nécessaires à l’exploitation des batteries LithiumIon.
Le système de Contrôle de l’îlotage est à proprement parler le
cœur du dispositif. Il se compose essentiellement de :
•1 Automate Programmable Industriel (API),
•1 Interface Homme Machine (IHM),
•1 Carte électronique de synchronisation, couplage, régulation(s)
& protection(s).
Il assure l’ensemble des fonctionnalités telles que la communication
avec la batterie, le suivi des grandeurs électriques des réseaux
amont et aval, le plan de protection, le maintien de la tension et
de la fréquence du micro-réseau, le recouplage au réseau amont
en fin d’ilotage…
B – Power Converter System (PCS)
D- Le coffret de couplage :
Issus d’une longue lignée de produits (UPS / INVERTER PV), les
produits SUNSYS PCS² de SOCOMEC sont des convertisseurs de
puissance bidirectionnels basés sur une architecture modulaire
composée de modules de puissances de 33kVA remplaçables en
fonctionnement :
Le coffret de couplage assure la connexion de puissance entre
le transformateur HTA et le tableau BT du poste HTA/BT, appelé
aussi TIPI (Tableau Interface de Puissance et d’Information).
Dit autrement, il assure la connexion entre le réseau normal de
distribution et le micro-réseau. Par ailleurs ce coffret de couplage
sert à l’acquisition des grandeurs électriques à l’amont et à l’aval
de la coupure réseau, qui sont nécessaires aux déconnexions et
reconnexions au réseau amont.
Il se compose notamment du disjoncteur de couplage (DJC) piloté
directement par le contrôleur d’îlotage.
A - Batterie
E-Le coffret de branchement-stockage :
Le coffret de branchement-stockage permet la connexion de
puissance entre le système de stockage et le tableau BT du poste
HTA/BT (appelé aussi TIPI).
Il contient essentiellement un disjoncteur (disjoncteur du stockage,
DJS) qui est actionné à l’ouverture et à la fermeture par le système
de contrôle d’Îlotage.
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Figure 6 : Architecture modulaire des SUNSYS PCS².
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Une architecture modulaire composée de 4 SUNSYS PCS² de
66 kVA a été privilégiée. Cette architecture présente un certain
nombre d’avantages :
•Facilité de manutention et d’intégration.
•Taux de disponibilité accru. En cas d’éventuelles maintenances
préventives ou curatives, ce n’est pas tout le système qui est
indisponible. Seul le module de puissance de 33 kVA ou l’unité
de conversion en question est stoppée.
•Possibilité d’accroître la durée de vie en exploitant le nombre
de convertisseurs juste nécessaire aux besoins avec une
recherche du meilleur point de fonctionnement pour maximiser
le rendement.
Tout comme les onduleurs photovoltaïques, la grande majorité
des convertisseurs de puissance des systèmes de stockage
fonctionnent en mode générateur de courant. Pour fonctionner,
ces onduleurs et convertisseurs ont impérativement besoin d’une
référence en tension et en fréquence fournie par le réseau normal
de distribution.
Leur utilisation est donc limitée à un fonctionnement connecté
réseau (On-Grid).
L’îlotage consistant en une déconnexion du réseau normal de
distribution, ce sont des convertisseurs de puissance bidirectionnels
fonctionnant en mode générateur de tension qui s’imposent.
Lors des phases d’îlotage, le système de stockage devient le
référent et assure la régulation en tension et en fréquence du microréseau. En fonction de l’équilibrage production / consommation, il
Principales fonctions
Le Black Start
La fonction Black Start, communément appelée “couplage à l’arrêt”
dans le monde des groupes électrogènes, consiste, à redémarrer
le micro-grid après les 3 minutes de coupure consécutives à une
panne du réseau amont (Cf 1.3 Ilotage inopiné). Lors des îlotages
inopinés, il produit un rétablissement progressif de la tension
d’alimentation du micro-réseau par les convertisseurs et la batterie
dans le but d’éviter les effets de courants d’appel trop importants
(Ex : pointes magnétisantes de transformateurs).
Le statisme
Une installation composée de plusieurs systèmes de conversion
de type générateur de tension nécessite de mettre en œuvre des
principes de répartition de puissances actives (P) et réactives
(Q) entre les différentes machines afin d’éviter les échanges de
courant.
Cet équilibrage entre les unités de production est réalisé, sans
communication, durant les phases d’îlotage entre les unités de
production grâce au principe de statisme (droop). Celui-ci est fondé
sur les équations conventionnelles, définissant les grandeurs P & Q
de générateurs couplés sur une même ligne, qui mettent en évidence
les relations directes et proportionnelles liant la fréquence (F) à la
puissance active (P) et la tension (U) à la puissance réactive (Q).
Ainsi, la fréquence et la tension peuvent être ajustées
respectivement par régulation de la puissance active et réactive
du système.
Protection du réseau
Des augmentations/diminutions anormales des paramètres
électriques nominaux (tension, courant fréquence) représentent
des défauts électriques. Les plus fréquents sont : surcharge, courtcircuit, surtension, chute de tension.
Les tests ont prouvé la capacité des systèmes de stockage à
fournir le courant de court-circuit nécessaire pour déclencher
correctement les protections des consommateurs. Si le PCS a
assez de courant pour éliminer le défaut, le fonctionnement du
micro-réseau peut être maintenu. Sinon, le système de stockage
se met automatiquement en mode sécurité et arrête de fournir en
énergie le micro-réseau, ce qui plonge dans le noir la zone entière.
L’équilibre Production / Consommation :
Durant les phases d’îlotage, l’enjeu principal consiste à maintenir
l’équilibre entre la production PV et la consommation dictée par
la charge, tout en conservant la tension et la fréquence dans les
plages de fonctionnement réglementaires et pour un réseau BT
très souvent déséquilibré entre ses 3 phases.
Dans ce mode de fonctionnement, le système de stockage assure
en priorité la régulation de tension & de fréquence du microréseau. En fonction de l’équilibrage production / consommation,
il passera indifféremment du mode charge au mode décharge et
ceci sans aucune perturbation perceptible par les consommateurs.
Par ailleurs une régulation de la production PV par augmentation
de la fréquence du micro-réseau a été testée avec succès sur le
Concept Grid d’EDF R&D, qui permet ainsi de diminuer à distance
la production PV lorsque la batterie atteint son état de charge
maximal et que la production PV reste excédentaire. Ajoutons que
ce dispositif ne nécessite aucun outil de communication avec les
onduleurs PV car ils disposent quasiment tous en base de cette
fonctionnalité, même si elle est généralement inactivée sur les
réseaux français.
Figure 9 - Islanding testing system at Concept Grid
Ainsi, la démonstration a été faite de :
•la qualité de l’énergie (tension / fréquence/ harmoniques)
distribuée par le système dans les phases transitoires
(déconnexion / black start / synchronisation / couplage) ou
stabilisées des îlotages programmés et inopinés sur des charges
diverses (résistives, inductives et/ou capacitives / équilibrées ou
déséquilibrées / stables ou variables),
•la régulation de la production PV en fonction de la consommation,
l’état de charge de la batterie et de la puissance disponible.
•la capacité à respecter le plan de protection du réseau BT et
des clients, et ce dans des cas de fonctionnements normaux ou
anormaux par simulation de défaillances du système.
Implantation sur site
L’implantation sur site à Carros s’est déroulée sur la première
moitié de l’année 2015. Voici quelques illustrations de l’installation
finale.
Le synchro-couplage :
En fin d’îlotage programmé ou inopiné, pour éviter une coupure de
l’alimentation, la reconnexion du micro-réseau au réseau normal
de distribution est réalisée grâce à la synchronisation de ceux-ci
puis à leur couplage (passage à zéro de l’angle φ).
Figure 8 : Principe de synchronisation de 2 sources.
Figure 10 : Batterie 250 kW / 620 kWh pour l’ilotage
Premiers résultats
En Juin et Juillet 2015, avant de procéder à la mise en œuvre et à
l’exploitation réelle du système d’îlotage à CARROS, deux sessions
de tests ont été organisées au Concept Grid (réseau de distribution
électrique expérimental d’EDF LAB / Les Renardières).
Près de 150 séquences de tests ont été déroulées afin de valider
les fonctionnalités, les performances et la robustesse d’un système
d’îlotage (à échelle réduite) dans des conditions proches de la
réalité.
Figure 11 : Convertisseurs de puissance pour l’ilotage
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Concept Grid
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faible ce jour là, la batterie s’est lentement déchargée en passant
d’un état de charge de 72% à 50% environ.
Figure 12 : Armoire de contrôle commande et interface
de pilotage en local
Résultats techniques
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En septembre 2015, la version îlotage du système a été
implémentée au poste HTA/BT “Dock Trachel” de Carros pour
procéder aux premiers tests de validation sur le terrain. L’objectif
était principalement de valider les séquences fonctionnelles ainsi
que l’absence d’influence des centrales PV (dans leur configuration
d’origine) sur le comportement du système de stockage. A noter
que ces essais ont d’abord été réalisés durant un week-end, donc
avec une consommation réduite dans le quartier, afin de limiter
les risques de perturbation pour les clients. Plusieurs îlotages
programmés et inopinés ont ainsi été réalisés avec succès.
En octobre 2015, d’autres îlotages ont eu lieu pendant des jours
de semaine, donc dans des conditions réelles de production PV et
de consommation pour valider définitivement la solution installée.
La durée de cinq heures d’îlotage (programmé) a été atteinte
le 6 octobre 2015. Un jour nuageux (6/10) et un jour ensoleillé
(7/10) ont été testés, les variations brusques de production ou de
consommation locales se sont révélés sans influence sur la tension
et la fréquence du micro-réseau.
Lors de cet ilotage de 5h réalisé le 6 octobre 2015, le ciel était un
peu nuageux, les périodes de charge et de décharge de la batterie
se sont donc succédées sans aucun impact sur la qualité de l’onde
électrique (tension et fréquence). L’ensoleillement étant un peu
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Evolution de l’état de charge de la batterie (SOC)
durant l’ilotage de 5h du 6 octobre 2015
Les mesures de variation de la tension et de la fréquence réalisées
lors des ilotages présentent un niveau de qualité très supérieur aux
normes exigées dans ce domaine (norme EN 50160).
Critère
EN 50160
Résultats Ilotage
programmé
Ecart relatif
de tension
<10%
0.42%
Ecart relatif
de fréquence
<1%
0.05%
THD_V
<8%
1.72%
D’autres essais d’ilotage se sont déroulés à l’automne 2016 et ont
permis d’atteindre 8h d’ilotage le 19 septembre 2016 sans aucun
impact pour les clients raccordés à la poche ilotée.
Perspectives
La solution d’îlotage qui a été testée avec succès dans le projet
NICE GRID pourrait être répliquée de manière intégrale ou partielle :
Situation de réseau
Application de la solution NICE GRID
L’îlotage de quartiers connectés au
réseau de distribution métropolitain et
dont l’alimentation amont est robuste et
fiable : C’est l’exemple du quartier de la
1ère rue à Carros
La solution NICE GRID peut répondre aux besoins du GRD pour une alimentation de substitution ou de
secours (à l’instar d’un groupe électrogène), mais demeure aujourd’hui trop couteuse et complexe au
regard des solutions actuellement déployées. Cependant, le système de stockage pouvant aussi fonctionner
en mode « connecté réseau », il est à même de fournir d’autres services (Ecrêtage des pointes de production
ou consommation, décalage de production dans le réseau, Régulation de tension ou fréquence…) au
réseau électrique, l’îlotage constituant alors un service supplémentaire.
Les réseaux dits « isolés », c'est-à-dire
n’étant pas raccordé à un réseau amont
La solution d’îlotage associant production PV et stockage électrique développée dans NICE GRID ,
éventuellement couplée à un générateur auxiliaire, peut être intéressante pour alimenter un site isolé,
recharger la batterie et éventuellement réduire la consommation d’un groupe électrogène. Ajoutons
toutefois que la solution de Nice Grid offre d’autres fonctionnalités comme le fonctionnement indifférencié
entre les modes ONGRID et OFFGRID (Cf ci-après).
Les réseaux dit « à alimentation
amont fragile (réseau de transport
fragiles, aléas climatiques, risques de
congestions du réseau amont)
Plusieurs initiatives dans les réseaux iliens montrent l’intérêt d’une solution d’îlotage comme celle
développée dans NICE GRID. La solution de stockage et de synchro-couplage sont des atouts pour assurer
la stabilité de l’alimentation des clients finaux. En outre, cette solution pourrait être adaptée dans des pays
avec une importante ressource photovoltaïque et de fréquentes coupures d’alimentation de longue durée.
Les sites dits « à alimentation
secourue » par exemple pour des sites
sensibles tels que hôpitaux, salles de
marchés, bases militaires, industries de
pointe
L’îlotage n’est pas nouveau dans le paysage électrique car de nombreux sites ont une alimentation électrique
sécurisée par groupe électrogène. Les solutions d’îlotages inopiné ou programmés, telles qu’expérimentées
dans NICE GRID, pourraient être répliquées lorsque les clients en question disposent de ressources locales
renouvelables suffisantes. La plupart des projets en cours disposent toutefois d’un groupe diesel d’appoint.
Messages Clés
•L’îlotage testé dans NICE GRID en 2015 est une première mondiale,
avec 5 heures d’îlotage sans machines tournantes. D’autres tests
menés en septembre 2016 ont permis d’atteindre 8h d’ilotage
dans une journée sans aucune coupure pour les clients.
•Cette solution permet de maintenir les productions locales
mêmes quand elles sont excédentaires pour le micro-réseau
(elles rechargent alors la batterie).
•Le fonctionnement de l’îlotage inopiné est automatique : le
déclenchement est la perte de tension amont. Ainsi, le système
redémarre automatiquement en cas de coupure réseau et
se resynchronise automatiquement lorsque la tension amont
revient.
•Les manœuvres de reprise d’alimentation sont réalisées sans
coupure d’alimentation après la synchronisation au réseau
principal.
•
La solution d’îlotage peut être vue comme un service
supplémentaire apporté par le stockage, s’ajoutant ainsi aux
nombreux services en mode « connecté réseau » (intégrations des
ENRs, soutien local à la régulation de tension, services systèmes
pour le RPT, réduction de la demande de pointe, évitement/
décalage d’investissement dans les réseaux électriques…)
•Le système de stockage n’émet pas de gaz à effet de serre et
présente une pollution sonore moindre par rapport à un groupe
électrogène.
•Le système d’îlotage assure en outre la protection contre les
défauts électriques, et ce sans changer le plan de protection
existant des clients. Les convertisseurs de puissances peuvent
délivrer 1.5 fois leur intensité maximale en cas de court circuit
sur le réseau aval.
•La solution d’îlotage développée dans NICE GRID répond
techniquement à des situations de défaillance du réseau amont
pour une poche.
•Compte tenu des coûts de la solution, des contraintes techniques
liées à la solution (encombrement, complexité de l’installation),
et de la fiabilité du réseau public de distribution métropolitain,
Enedis n’envisage pas aujourd’hui de déployer cette solution sur
le réseau qu’elle exploite.
•Elle pourrait présenter plus d’intérêt pour des structures
à l’alimentation secourue actuellement par des groupes
électrogènes, sous réserve d’une production locale suffisante et
d’une rentabilité économique.
L’application à des micro-réseaux de distribution à l’alimentation
amont fragile, comme les systèmes insulaires, ou à l’International,
peut être une autre piste de développement, au vu des avantages
de la solution (synchro couplage sans coupure, flexibilité de la
batterie pour l’équilibre production/consommation, capacité à
stocker la production locale en phase d’îlotage, stabilité et qualité
de l’onde délivrée par les PCS).
Glossaire
Définition
Protection anti-îlotage
Voir note ERDF sur le sujet :
• Norm ERDF 13E :
http://www.erdf.fr/sites/default/files/documentation/ERDF-NOI-RES_13E.pdf
Le refoulement
Le refoulement désigne l'énergie renvoyée de la Basse Tension (BT) vers la moyenne
tension (HTA) quand la production PV locale est supérieure à la consommation locale
Blackstart
Le Blackstart est la remise sous tension d’une poche coupée, à partir de moyens de
production locaux ou d’une batterie.
Concept Grid
Site d’essai du groupe EDF situé en Seine et Marne (77)
Norme EN50160
Standard définissant les caractéristiques de tension en termes de fréquence, de
magnitude, de forme d’onde et de symétrie.
THD_V
Taux de Distorsion Harmonique
Tableau de distribution Basse Tension
Tableau de distribution connecté en BT en aval du transformateur et assurant la
distribution de puissance entre les différents clients et producteurs du quartier.
Power Converter System (PCS)
Convertisseurs de puissance bidirectionnels de AC → DC et DC → AC, utilisés pour
connecter les batteries (DC) au réseau de distribution (AC) et pour les charger/décharger.
Synchronisation
La synchronisation consiste à superposer la courbe de tension des deux sources. Comme
il est impossible d’agir sur la tension ou la fréquence du réseau public de distribution, la
synchronisation est réalisée en ajustant la tension (U), la fréquence (F) et les différentes
phases (φ) du micro-réseau aux valeurs du réseau public.
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Terme
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