Evolution des réseaux électriques

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1 Forum de l innovation France Suisse Lausanne 3 et 4 juin 2013 Evolution des réseaux électriques Prof. Mario Paolone EPFL - Distributed Electrical Systems Laboratory

2 Outline Contexte Défis Conséquences Conclusions

3 Outline Contexte Défis Conséquences Conclusions

4 Contexte Capacité mondiale de la production d'électricité avec les énergies renouvelables (hydroélectrique exclue) Source: U.S. Dept. of Energy, Renewable Energy Data Book, August 2010

5 Contexte Observation #1: potentiel réel des énergies renouvelables capacity factor (CF) CF E produced E cont produced T Source: U.S. Dept. of Energy, Renewable Energy Data Book, August 2010

6 Contexte (besoins au niveau macro) Observation #2 - Echelle continentale Différences entre l'emplacement des sources d énergies renouvelables et les lieux de demande d énergie vitesse du vent (moyenne annuelle en [m/s]) Densité de population 2010 (pers./km 2 )

7 Contexte (besoins au niveau macro) Observation #2 - Echelle continentale Différences entre l'emplacement des sources d énergies renouvelables et les lieux de demande d énergie Rayonnement solaire journalier (moyenne annuelle en [Wh/m 2 ]) Densité de population 2010 (pers./km 2 )

8 Contexte (besoins au niveau micro) Distance de l'utilisateur Observation #3 Où sont généralement placées les sources d énergies renouvelables? Connexion des réseaux Grands systèmes de génération Génération distribuée Grande hydro District CHP Mini hydro Medium CHP Micro CHP PV à concentration Industrial CHP Photovoltaic «Offshore wind» Grandes «onshore wind» Petites «onshore wind» Réseaux de distrib. Réseaux de transport Sources dispatchables Sources continues Sources intermittentes

9 Outline Contexte Défis Conséquences Conclusions

10 Défis Volatilité des énergies renouvelables Eolien: capacité installée vs. injections réelles en Allemagne MW Wind-infeed D Installiert Installed Wind Wind-capacity D max. Wind-infeed: MW approx. 86% ( ) min. Wind-infeed: 208MW approx. 0,7% ( ) h Wind-production Courtesy of J. Vanzetta (Amprion).

11 Défis Volatilité des énergies renouvelables PV: capacité installée vs. injections réelles en Allemagne MW PV PV-infeed D Installiert Installed PV PV-capacity D max. PV-infeed MW approx. 75% ( ) h PV-production Courtesy of J. Vanzetta (Amprion).

12 Défis Volatilité des énergies renouvelables Eolien+PV: capacité installée vs. injections réelles en Allemagne MW EE RES*-infeed D Installiert Installed EE RES*-capacity D max. RES*-infeed: MW Wind: MW PV: MW approx. 48% ( ) min. RES*-infeed: 356MW Wind: 356MW PV: 0MW approx. 0,6% ( ) *RES: Wind+PV h RES*-production Courtesy of J. Vanzetta (Amprion).

13 Outline Contexte Défis Conséquences Conclusions

14 Conséquences Transport Impact des énergies renouvelables sur les réseaux de transport : augmentation de la capacité de transport sur grandes distances Exemple: nombre de lignes en parallèle pour la transmission de 6 GW EHV vs UHV AC HVDC + straightforward integration + reliability + investments - stability - voltage control - complexity in power flow control + power flows control + transfer capacity + stability - reliability on long term

15 Conséquences Stockage Stockage: différences selon les technologies et les supports au réseau Graphs adapted from: A. Oudalov, C. Yuen and M. Holmberg, Energy Storage is a Key Smart Grid Element Cigré Symposium The Electric Power System of the Future, Sept , 2011, Bologna, Italy.

16 Conséquences Distribution Réseaux de transport Réseaux de répartition Réseaux de distribution en MT Réseaux de distribution en BT Sans génération distribuée Flux unidirectionnel d'énergie réseaux de répartition distribution (passifs).

17 Conséquences Distribution Réseaux de transport Réseaux de répartition Réseaux de distribution en MT Réseaux de distribution en BT Avec génération distribuée Flux bidirectionnel d'énergie entre les réseaux de répartition et de distribution (actifs).

18 Conséquences Distribution Impact de la génération distribuée dans les réseaux de distribution électrique Primary substa,on minimum power Power [MW] Nr. of primary substa,on (HV/MV) Example:16 % of the Italian primary substations experience permanent power flow inversions to the subtransmission network (courtesy of ENEL)

19 Conséquences Distribution Quelle valeur de puissance peut-on injecter dans un réseau de distribution sans contrôle? Evaluation statistique de l impact de la génération distribuée sur les conditions opérationnelles des réseaux de distribution. % of network nodes Lines power flow limits Fast voltage varia,ons Slow voltage varia,ons No violated constraints Connected genera,on [MW] Adapted from [M. Delfanti, M. Merlo, G. Monfredini, V. Olivieri, M. Pozzi, A. Silvestri, A., Hosting Dispersed Generation on Italian MV networks: Towards smart grids, 14 th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2010]

20 Conséquences Exemple Services réseau dans les systèmes de transport Contrôle de fréquence Bilan des puissances Bulk$ power$system$ Power P rp P rs Prt Forecast$errors$of$ renewables$produc8on$ Forecast$errors$ of$loads$ Fast$produc8on$ varia8ons$of$renewables$ Power$plant$ outages$ Large$storage$(hydro)$ schedule$ +$ +$ +$ +$ +$ Primary$ Secondary$ Ter8ary$ Genera8on$ dispatch/schedule$ Question: Peut-on maintenir ce mécanisme de contrôle avec un système électrique ou la majorité de l énergie est produite par des énergies renouvelables? Primary' f(control' Secondary' f(control' Ter2ary' f(control' Genera2on' dispatch/schedule' 0-s 30-s 15-min 60-min Time

21 Conséquences Exemple Services réseau dans les systèmes de transport Contrôle de fréquence Bilan des puissances 1-2 s 2009 blackout during the islanding maneuver of an active distribution network Source: A. Borghetti, C. A. Nucci, M. Paolone, G. Ciappi, A. Solari, Synchronized Phasors Monitoring During the Islanding Maneuver of an Active Distribution Network, IEEE Trans. On Smart Grid, vol. 2, issue: 1, march, 2011, pp: Question: Peut-on maintenir ce mécanisme de contrôle avec un système électrique ou la majorité de l énergie est produite par des énergies renouvelables? Réponse: Probablement pas!

22 Conséquences Exemple Systèmes avancés de monitoring GPS-,me sync IRIG-,me sync BUS6 Δt < 20ms BUS_1 BUS_5 Phase:0 LF1 LF Slack: 4.16kVRMSLL/_0 BUS_2 + Line1_2 PI BUS_3 BUS_4 Phasor Data Conc. + Line5_6 PI + Line2_5 PI + Line2_3 + Line3_4 PI PI Load6 LF Load11 LF BUS_11 Line10_11 + PI Load10 LF BUS_10 Load5 LF Line10_ Line7_10 PI PI Load2 BUS_7 + Line7_12 + Line2_7 LF PI PI LF Load7 BUS_8 Load3 LF + Line7_8 + Line8_9 PI PI Load8 LF BUS_9 Load4 LF Load9 LF RT power system State Es(mator BUS_13 Load13 LF BUS_12 Load12 LF!

23 Conséquences Exemple Energy management systems 24h forecast Power Produced (PV, wind) 24h forecast Load Profile Dispatching and Economic Optimisation Day-Ahead Scheduler Measurements Controllable Resources State Estimation DERs Control 15min forecast Power Produced (PV, wind) 15min forecast Load profiles On-Line Centralized Control Intra-Day Scheduler Adapted from [A. Borghetti, M. Bosetti, S. Grillo, S. Massucco, C.A. Nucci, M. Paolone, F. Silvestro, Short-Term Scheduling and Control of Active Distribution Systems With High Penetration of Renewable Resources, IEEE Systems Journal, vol. 4, issue 3, Sept. 2010, pp: ]

24 Conséquences à long terme Scénarios de développement des réseaux électriques du futur Long terme #1: supergrids transmission massive interconnexion massive des grandes centrales renouvelables (p. ex. offshore) Interconnexions des différents pays. Long terme #2: microgrids réseaux «self-healing» large pénétration de la génération distribuée; stockage local; participation active des utilisateurs réseaux mixtes AC et DC Contraintes économiques Solution à court terme: intégration des scénarios #1 et #2

25 Outline Contexte Défis Conséquences Conclusions

26 Conclusions Nouveaux processus, technologies et algorithmes nouvelles approches pour la planification, exploitation et le contrôle des réseaux électriques évolution en Smart Grids (whatever way you define it). La complexité et la variété des problèmes concernent autant les sciences fondamentales que le développement technologique de l ingénierie domaine de recherches multidisciplinaires.

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