Augmentation de la distance de transport de l`énergie offshore par

SYMPOSIUM DE GÉNIE ELECTRIQUE (SGE 2016) : EF-EPF-MGE 2016, 7-9 JUIN 2016, GRENOBLE, FRANCE
Augmentation de la distance de transport de l’énergie
offshore par câble sous-marin en basse fréquence
Dasco Antony, Bacha Seddik, Raison Bertrand
Univ. Grenoble Alpes, G2Elab, F-38000 Grenoble, France
CNRS, G2Elab, F-38000 Grenoble, France
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUME – Cet article présente une méthode d’analyse de
puissance qui permet de trouver les distances maximales de
transport électrique dans un réseau sous-marin en basse
fréquence. Du fait des limites imposées par l’impédance
capacitive des câbles en AC à 50 Hz et aux coûts importants liés
aux réseaux HVDC, une fréquence électrique plus basse s’avère
intéressante. Cette solution est encore utilisée par les réseaux
ferroviaires dans quelques pays de l’Europe. Différents niveaux
de tension et sections de câbles ont été testés et comparés entre
eux. La distance de livraison est principalement limitée par la
puissance réactive générée par les câbles et non par les pertes
actives. Par ailleurs, il est envisagé d’utiliser une fréquence
variable qui optimise les flux de puissances dans un réseau.
Mots-clés—Transport d’Énergie, Basse Fréquence, Réseau
Offshore, Câbles sous-marins
1.
INTRODUCTION
L’installation des éoliennes offshores a débuté en 1991 à
2.5 km de la côte danoise avec une puissance installée de
4.95 MW. La puissance offshore a dépassé 1 GW en 2011. Par
ailleurs, l’Association Européenne d’Énergie Éolienne ou
« European Wind Energy Association » (EWEA) annonce une
puissance totale offshore éolienne dans 18 pays de l’Europe, de
l’ordre de 40 GW en 2020 et au-delà de 150 GW en 2030 [1].
Ce projet comprend l’installation de fermes éoliennes
offshores situées à 200 km en moyenne des côtes et qui seront
aussi interconnectées, constituant ainsi un réseau offshore.
D’un côté, du fait des grandes distances et des limites imposées
par les câbles sous-marins à 50 Hz, l’utilisation de cette
fréquence n’est plus d’actualité. De l’autre côté, les liaisons
HVDC permettent une distance plus grande du transport
électrique, mais sont tributaires d’avancées technologiques qui
pour certaines ne sont pas encore au stade de la
commercialisation [2] [3].
Entre ces deux technologies, il existe la possibilité d’utiliser
la basse fréquence AC : cette approche permet la réduction de
l’effet capacitif des câbles et donc l’incrémentation de la
distance de transport électrique sous-marin [4]. La basse
fréquence a été utilisée pour la première fois en 1902 dans le
transport ferroviaire en utilisant 15 Hz comme fréquence
nominale des machines à induction [5]. La fréquence réduite de
50/3 Hz (ou connue aussi comme 16 2/3 Hz) est toujours
utilisée dans le réseau ferroviaire Allemand et dans d’autres
pays d’Europe. Ces réseaux incluent des protections électriques
en basse fréquence, à la différence de l’HVDC existant qui
coupe l’énergie du côté 50 Hz.
Plusieurs articles ont exposé les avantages de la Basse
Fréquence (BF) pendant ces deux dernières décennies [6] [7],
[8] Les auteurs sont tous d’accord avec l’augmentation de la
distance du transport électrique grâce à la BF. D’autres testent
des solutions diverses pour la sélection des convertisseurs
d’électronique de puissance. Leurs analyses de flux de
puissance à différentes fréquences montrent également
plusieurs distances nominales attribuées à chaque fréquence.
Ce document s’inscrit dans la mouvance de ces travaux au
niveau via les analyses du flux de puissance dans un réseau
offshore sous-marin. L’idée est d’établir les distances
maximales du transport énergétique en limitant le niveau de
puissance réactive générée. Les tests se déroulent avec
plusieurs sections de câbles XLPE sous-marin et quatre
différents niveaux de tension. La méthode de résolution a été
développée avec Matlab et ensuite testée en simulation avec le
logiciel ATPDraw et EMTP-RV.
2.
MODÉLISATION DU RÉSEAU
Un réseau offshore est principalement caractérisé par
l’utilisation des câbles sous-marins dont la valeur de la
puissance réactive générée est très importante. La distance de
transport est donc limitée par le facteur de puissance au niveau
du raccordement. Par hypothèse, la puissance réactive est
générée uniquement par le câble, on prendra également un
facteur de puissance de 0,87 au point de livraison. Cela permet
d’incrémenter indépendamment la puissance apparente livrée
en sortie du câble sous-marin.
2.1 Définition de l’étude réalisée
Le réseau sous-marin présenté dans ce document a été
défini comme un réseau de puissance avec deux nœuds : nœud
bilan (côté livraison) modélisé en tant que source de tension
fixe à la valeur de 1 p.u. et le nœud de génération offshore
(côté source) avec une puissance apparente constante
modélisée comme une source de courant. La valeur de
puissance nominale a été définie active à 1 p.u. Le schéma
simplifié est représenté par la figure 1.
2.2 Modélisation des câbles sous-marins
Des références commerciales des câbles ABB-XLPE ont
été utilisées pour les analyses de puissance [9]. Ces valeurs ont
été ensuite introduites dans un modèle sous-marin triphasé dans
le logiciel EMTP-RV et ce, pour obtenir les valeurs des
impédances à différentes fréquences. Les câbles monophasés
suivants ont été testés :
Table 2.1. Section et tensions nominales des câbles modélisés.
Sections
[mm2]
Voltages
[kV]
500
630
800
220
1000
1200
275
1400
330
1600
400
ZLINE + YLINE
I2
R
2
nfois-πmodel
jX
G/2
G/2
jB/2
jB/2
V1
1
Figure 3. Variation de puissance par rapport à la distance du transport. Limite
FP autour de 400 km. Puissance triphasée = 456 MVA.
4 RÉSULTATS DE SIMULATION
Figure 1. Représentation du réseau modélisé : indice 1 pour le noeud bilan et 2
pour le nœud source.
Tous les paramètres d’impédance et admittances ont été
pris en compte pour le modèle en Pi utilisé. Il est distribué par
kilomètre dans l’algorithme et par 20 tronçons en simulation.
3 ALGORITHME DE CALCUL DES FLUX DE PUISSANCE
Un réseau avec deux nœuds permet l’application de la
méthode Gauss-Seidel [10] pour les itérations de la valeur des
tensions des nœuds inconnues. À partir du schéma de la figure
1, il peut être montré que :
1 + 𝑍 ∙ 𝑌/2
𝑉̅
[ 1] = [
−𝑌 ∙ (1 + 𝑍 ∙ 𝑌/4)
𝐼1̅
𝑛
−𝑍
𝑉̅
] ∙ [ 2]
1 + 𝑍 ∙ 𝑌/2
𝐼̅2
(1)
Avec Z et Y l’impédance et l’admittance totale du tronçon
étudié ; V1 et I1 la tension et courant du nœud bilan ; V2 et I2
la tension et courant du nœud source ; et n la distance d’étude
en kilomètres.
Si la matrice d’impédances est ensuite définie comme
matrice A ou [A], la méthode de résolution des flux de
puissance peut être appliquée :
Les résultats de simulations seront exposés dans la version
finale.
5 CONCLUSIONS
Une méthode pour le calcul de la distance maximale du
transport énergétique à basse fréquence a été développée dans
cet article. Des essais ont été réalisés en utilisant des modèles
de vrais câbles sous-marins. Bien entendu, la distance du
transport maximale dépend de la section du câble et du niveau
de tension appliquée mais le travail permet d’avoir un outil
d’analyse de sensibilité. La puissance réactive a été identifiée
comme la principale limite pour augmenter la distance du
transport, même si le réseau fonctionne à basse fréquence. Il a
été aussi montré que le réseau sous-marin fonctionne comme
générateur naturel de puissance réactive (nécessaire dans un
réseau électrique), permettant d’obtenir une puissance
apparente plus élevée vers la livraison. La puissance réactive
unitaire (par élément) générée par le câble dépend uniquement
de la tension appliquée. Les problèmes dus à la perte de de
puissance active au point de génération peuvent être gérés en
faisant varier la fréquence.
6 RÉFÉRENCES
[1]
European Wind Energy Association, «EWEA Pure Power 2011,» 11 2011.
[En
ligne].
Available:
http://www.ewea.org/fi
leadmin/ewea_documents/documents/publications/reports/Pure_Power_III.pdf.
[Accès le 13 01 2015].
[2]
T. Funaki et K. Matsuura, «Feasibility of the low frequency AC
transmission,» chez Power Engineering Society Winter Meeting, 2000. IEEE,
2000.
[3]
M. Petit, S. Bacha, X. Guillaud, H. Morel, D. Planson et B. Raison, «Les
Réseaux HVDC multi-terminaux : des défis multiples en génie électrique.,»
chez Symposium de Génie Electrique, Cachan, 2014.
[4]
W. Fischer, R. Braun et I. Erlich, «Low frequency high voltage offshore
grid for transmission of renewable power,» chez nnovative Smart Grid
Technologies (ISGT Europe), 3rd IEEE PES International, 2012.
[5]
D. Michael C., Electric Railways 1880-1990, London: Institution of
Engineering and Technology, 2008.
[6]
B. B., «Benefits of a low frequency, low voltage railway electrification
system,» chez Proceedings of the Railroad Conference, 1996.
[7]
X. Wang et X. Wang, «Feasibility study of fractional frequency
transmission system,» chez Power Systems, IEEE Transactions on,, 1996.
[8]
C. Mau, K. Rudion, A. Orths, P. Eriksen, H. Abildgaard et Z. Styczynski,
«Grid connection of offshore wind farm based DFIG with low frequency AC
transmission system,» chez Power and Energy Society General Meeting, 2012.
Figure 2. Variation de puissance par rapport à la distance du transport. Limite
FP à 231 km. Puissance triphasée = 830 MVA.
[9]
ABB, «ABB Cables,» ABB, 12 04 2010. [En ligne]. Available:
www.abb.com/cables. [Accès le 08 04 2015].
Une table comparative avec toutes les valeurs de distance
maximale, pertes actives et valeur de chutes de tension sera
exposée dans la version finale.
[10]
J. J. Grainger et W. D. J. Stevenson, Power System Analysis, Singapore:
McGraw-Hill, Inc., 1994, pp. 335-337.
𝑖𝑡+1
𝑉̅2
=
1
𝐴1,2 𝑃2 − 𝑗𝑄2
𝑉̅ −
∙
𝐴1,1 1 𝐴1,1 𝑉̅ 𝑖𝑡 ∗
(2)
2
Les valeurs de V1 et P2 sont connues et définies à 1 p.u.
chacune (Q2 = 0). À titre d’exemple, deux graphiques de
puissance en utilisant des câbles différents sont présentés dans
les figures 2 et 3 .La fréquence a été fixée à 15 Hz.