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 |2 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 | 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 ? | 4 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 ? | 5 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 | 6 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 % | 7 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 | 8 Comparaison d’architectures de fermes Solutions de référence existantes 2 1 AC + HVAC Solution DC LVDC / MVDC + HVDC AC + HVDC 3 4 | 9 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 | 10 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 | 11 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 | 12 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 | 13 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 | 14 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 | 15 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 | 16 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 | 17 Cœur technologique : DC-DC 1ère ferme hydrolienne à Paimpol à 16 km des côtes Structure DC 1 kV et 10 kV | 18 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 | 19 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 | 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 | 21 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 | 22 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 | 23 Topologies DC pour fermes solaires | 24 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 | 25 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 | 26 Merci pour votre attention ! SEE HVDC 2012, 23 & 24 Octobre 2012 Pascal MONJEAN Benoît ROBYNS L2EP-HEI 17/03 | 27