VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE L EOLIEN DANS LE RESEAU ELECTRIQUE GRACE A L ELECTRONIQUEL

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1 VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE L EOLIEN DANS LE RESEAU ELECTRIQUE GRACE A L ELECTRONIQUEL DE PUISSANCE Benoît Robyns

2 Prévision de l European Wind Energy Association pour l Europe: MW d éolien en 2020 soit 5x plus qu en 2004 (34000 MW)

3 Problématique de l intégration des éoliennes dans un réseau d énergie: Production aléatoire et difficilement prévisible Absence de réglage fréquence-puissance Réglage de tension limité Sensibilité aux creux de tension Sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs (d un point de vue électrique)

4 Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs limite le taux de pénétration de l éolien Dans les réseaux insulaires limitation du taux de pénétration de l éolien à 30% (EDF) dans certains réseaux insulaires la limite des 30% est quasiment atteinte. Dans les réseaux interconnectés Des retours d expérience (Danemark) indiquent qu au-delà de 20 à 30% d éolien des problèmes de stabilité sont apparus.

5 Taux de pénétration maximal (Puissance installée/demande minimale) En 2004 Allemagne Espagne Danemark Ouest Danemark Est Hors interconnexion Avec interconnexion 44 % 54,2 % 200 % 77 % 30 % 45,8 % 61,5 % 21,2 %

6 Plan de l exposé Technologies d éolienne de grande puissance Ferme d éoliennes Problèmes induits par l intégration de l éolien dans le réseau électrique Participation au réglage primaire de fréquence d une éolienne Apport du stockage de l énergie électrique Perspectives

7 P w Principe: Puissance aérodynamique: = 1 2 C p Cp < 0.59 R λ = ω t v ρav Ratio de vitesse: 3 Cp L énergie éolienne 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 β = angle d orientation des pales 0 Coefficient de rendement β = 16 β = 0 β = 2 β = 4 β = 6 β = 8 β =10 β = 12 β = λ

8 v Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) MSAP Turbine Multiplicateur β (vitesse variable) Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Convertisseur AC/AC Machine asynchrone A cage Dimensionner à 25% de Pn Convertisseur AC/AC Moyen de contrôle Pitch control Stall Actif Pitch control ac 50 Hz Couple génératrice Compensation de réactif Pitch control 250 Puissance (kw) Couple génératrice Fonctionnement possible Contrôle de P approximatif et dynamique lente Contrôle de Q si condensateur Contrôle P Contrôle Q Contrôle P Contrôle Q Puissance Fonctionnement en isolé Services système Marginal Réglage w Réglage U Tant qu il y a du vent Réglage w Réglage U Îlotage Tant qu il y a du vent Vitesse de vent (m/s) Courbe mesurée Courbe théorique

9 Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) MSAP (vitesse variable) v β Turbine Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Convertisseur AC/AC Dimensionner à 25% de Pn Multiplicateur Convertisseur AC/AC Bagues Balais Machine Asynchrone à Double Alimentation Fréquence variable (ac) Moyen de contrôle Pitch control Stall Actif Pitch control Couple génératrice Pitch control Couple génératrice Onduleur MLI Fonctionnement possible Contrôle de P approximatif et dynamique lente Contrôle de Q si condensateur Contrôle P Contrôle Q Contrôle P Contrôle Q ac 50 Hz Fonctionnement en Onduleur isolé MLI Services système Marginal Réglage w Réglage U Tant qu il y a du vent Réglage w Réglage U Îlotage Tant qu il y a du vent

10 Puissance (kw) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Puissance en fonction de la vitesse du vent vent (m/s) Puissance éléctrique (kw ) Puissance en fonction du temps tem ps (heure)

11 Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) MSAP (vitesse variable) v β Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Convertisseur AC/AC Dimensionner à 25% de Pn Convertisseur AC/AC Fréquence variable (ac) Machine Synchrone Moyen de contrôle Pitch control Onduleur Stall MLI Actif Pitch control Couple génératrice Pitch control Couple génératrice Fonctionnement possible Contrôle Onduleur de P approximatif MLI et dynamique lente Contrôle de Q si condensateur Contrôle P Contrôle Q Contrôle P Contrôle Q Fonctionnement en isolé ac 50 Hz Services système Marginal Réglage w Réglage U Tant qu il y a du vent Réglage w Réglage U Îlotage Tant qu il y a du vent

12 MSAP Banc d essai Puissance active MPPT Lissage de puissance

13 EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE MSAP Banc d essai Puissance réactive

14 Evolution des parts de marché des différentes technologies d éoliennes Synchrone Asynchrone à double alimentation Asynchrone vitesse fixe

15 Ferme d éoliennes G AC G AC G AC G AC Groupe d éoliennes Raccordement des éoliennes en alternatif DC DC DC DC DC DC DC DC AC AC AC AC T T T T Vers autres groupes d éoliennes T Vers réseau électrique

16 Ferme d éoliennes G G G G Groupe d éoliennes Raccordement des éoliennes en continu T T T T AC AC AC AC DC DC DC DC Vers autres groupes d éoliennes DC AC Vers réseau électrique

17 Pu i ssance (kw) EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE éolienne temps (s) Ferme d éoliennes Foisonnement de l éolien Puissance (kw) éoliennes éoliennes temps (s) Puissance (kw) temps (s)

18 Problèmes induit par l éolien Prévision de la production Incertitude moyenne sur les prévisions à 24 h : 10 % Exemple danois de bonne prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision

19 Problèmes induit par l éolien Prévision de la production Exemple danois de mauvaise prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision

20 Problèmes induit par l éolien Capacité d accueil du réseau La capacité des lignes et des postes est limitée. Dans le cas de l éolien, les lieux de production (sites ventés) sont souvent éloignés des lieux de consommation. Il peut y avoir nécessité de renforcement de postes (modification des protections, augmentation de la puissance de court-circuit, ). Afin d éviter la congestion des lignes de transport et d assurer la sécurité du réseau, de nouvelles lignes devraient être construites en particulier aux interconnexions entre les réseaux gérés par des opérateurs différents.

21 Problèmes induit par l éolien Capacité d accueil du réseau L opérateur allemand EON Netz prévoit le développement de 1000 km de lignes supplémentaires d ici 2016 pour une capacité éolienne de MW, dont une partie importante en off-shore, et ce pour un montant de 550 millions d Euros. Le délai de renforcement d un poste peut atteindre 5 ans et le délai de construction d une nouvelle ligne peut atteindre 10 ans et faire l objet d oppositions importantes de la part des populations.

22 Problèmes induit par l éolien Déconnexions intempestives Grande sensibilité aux perturbations du réseau et tendance à se déconnecter rapidement lors d un creux de tension ou lors d une variation de la fréquence. Déconnexion de la production décentralisée lors du black-out italien du 28/9/03 lorsque f < 49 Hz

23 Problèmes induit par l éolien Déconnexions intempestives Il est demandé aux éoliennes installées depuis 2003 de pouvoir rester connectées au réseau en cas de baisse de tension et de variation de fréquence. Les éoliennes doivent rester connectées au réseau tant que le creux de tension reste supérieur à un gabarit. Exemple valable pour les réseaux de répartition 1,2 1 0,8 U/U dim 0,6 0,4 0,2 0-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 t en s

24 Problèmes induit par l éolien Qualité de l électricité r x P, Q Chute de tension dans une ligne: V 1 ~ V 2 Z ch V = rp + V 2 xq Cas des lignes THT, x 10 r : V = xq V 2 Réglage de la tension via un réglage de la puissance réactive Flicker et Harmoniques

25 Problèmes induit par l éolien Qualité de l électricité Un déséquilibre entre la production et la consommation induit une variation de fréquence due à la variation de vitesse des groupes alternateurs classiques. Les fluctuations de la puissance éolienne, tout comme les variations de charges, pourraient activer le réglage primaire. Actuellement, lorsque la production est supérieure à la consommation, donc lorsque la fréquence est supérieure à 50,5 Hz, il peut être demandé aux éoliennes de réduire leur production.

26 Augmenter le taux de pénétration de l éolien: Participer à la gestion du réseau (service système, dispatchibilité) Pouvoir fonctionner en îlotage Accroître la disponibilité du système éolien Solutions pour augmenter le taux de pénétration de l éolien: Eoliennes à vitesse variable Nouvelles possibilités offertes par l élec. de puiss. Nouvelles stratégies de supervision Structure des centrales éoliennes Stockage de l énergie à court et long terme Systèmes multisources

27 Participation au réglage primaire d une éolienne L éolienne génère une puissance inférieure à sa capacité maximale afin de disposer d une réserve. Elle participe au réglage primaire suivant une droite de réglage classique. P(W) P 0 + P ~ Sc P 0 P 0 - P f 0 - f f 0 f 0 + f f(hz) JDB CNRT Futurelec Lille ~ Seol Ch1 Ch2

28 Participation au réglage primaire d une éolienne 15 Vent variable Vitesse du vent vitesse du vent [m/s] Temps [s]

29 Participation au réglage primaire d une éolienne Puisance active éolienne [kw] Vent variable Puissance éolienne Sans réglage primaire Avec réglage primaire Temps [s]

30 Participation au réglage primaire d une éolienne 50.5 Vent variable Fréquence Sans réglage primaire Fréquence réseau [Hz] Avec réglage primaire Temps [s]

31 Apport du stockage d énergie électrique à court terme: Lissage de la puissance Réglage de la tension Réglage de la fréquence (réglage primaire) Permettre l îlotage (phase transitoire) Apport du stockage de l énergie électrique à long terme: Réglage de la tension Réglage de la fréquence (réglage primaire et secondaire) Fonctionnement en îloté Adaptation aux réseaux d énergie existant Planification à long terme de la production en fonction des besoins Augmentation du taux de pénétration de l éolien

32 Principaux moyens de stockage de l électricité à long terme Energie intermédiaire gravitaire thermique de pression chimique chimique Système de stockage Pompage hydraulique Stockage de chaleur latente ou sensible Compresseur d air Batteries d accumulateur électrochimique Stockage H 2 par élcctrolyse et pile à combustible Rendement Densité de Stockage kw/m (pour 1000m de chute) Type de cycle ou délai de décharge quotidien, hebdomadaire ou saisonnier 0.65 à 0,85 20 à 150 quotidien à 5 quotidien ou hebdomadaire quelques jours à 0.7 à 0,9 5 à 150 quelques dizaines de minutes quotidien à < 0.55 < 100 saisonnier

33 Principaux moyens de stockage de l électricité à court terme Energie intermédiaire cinétique Electromagnétique Electrostatique Electrostatique Système de stockage Volant d inertie Courant permanent en bobine supraconductrice Condensateur classique Supercondensateur à électrolyte double couche Rendement Densité de Stockage kw/m 3 Type de cycle ou délai de décharge 0.7 à à 100 quelques dizaines de minutes quelques 0.9 à à 5 millisecondes à dans la bobine quelques secondes _ < 0.1 fraction de millisecondes quelques secondes à 0.9 à à 10 quelques dizaines de secondes 1 2 Stockage inertiel : E = Jω 2 Bonne dynamique, bon rendement, durée de vie élevée Lissage de puissance, réglage fréquence et tension, îlotage

34 Stockage inertiel à vitesse lente Vitesses de travail: 3600 à 1500 tours/min. Puissance: 1650 kw / 10 sec.

35 Stockage inertiel à vitesse élevée Puissance: 1000 kw / 15 min.

36 Stockage inertiel d énergie associé à un couplage éolien-diesel

37 Schéma global du réseau r éolien-diesel incluant le système de stockage d éd énergie. Cas d éd étude. Turbine éolienne + génératrice asynchrone Génératrice synchrone Moteur Diesel Stockage inertiel Charge

38 Schéma du système de stockage inertiel d éd énergie. Volant d inertie Machine asynchrone i 1 i 2 Lf u ba 1 u ca 1 Convertisseur MLI 1 i u Convertisseur MLI 2 uba 2 p uac 2 p uba 2 s Réseau E = 1 Jω 2 2 i a1 i b1 u u wb 1 wa 1 Génération MLI u Génération MLI ia 2 p u u wc 1 wa 2 u wb 2 u wc 2 ib 2 p uba 2 p Système de commande et de supervision ω m Mesure de la puissance active du générateur éolien

39 Stratégie de supervision du système de stockage d éd énergie P référence = P réglage P éolienne P = P + réglage stabilisateur P éolienne Puissance de réglage Turbine éolienne + génératrice asynchrone 0 t Génératrice synchrone Moteur Diesel Stockage inertiel Charge

40 Stratégie de supervision du système de stockage d éd énergie Problème : On ne peut stocker ou restituer indéfiniment... «si la vitesse du volant devient trop basse alors on favorise le stockage» «si la vitesse du volant devient trop élevée alors on favorise la génération» «si la vitesse du volant est moyenne : fonctionnement normal» Tenir compte de la vitesse du volant d inertie P éolienne Vitesse du volant Superviseur à logique floue P réglage

41 P éolienne Vitesse du volant Superviseur à logique floue Superviseur à logique floue P réglage Puissance de réglage

42 Simulation Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site éolien de Dunkerque V i t e s s e d u v e n t [ m / s ] T e m p s [ s ]

43 Simulation Puissance active générée g e par le groupe électrogène Sans système de stockage en rouge Avec système de stockage en bleu P u i s s a n c e a c t i v e d u d i e s e l [ W ] x T e m p s [ s ]

44 Puissance générée g e par l association l stabilisateur cinétique éolienne (Puissance de réglage) r Grandeur souhaitée représentée en rouge Grandeur obtenue représentée en bleu 3 x 105 P u i s s a n c e d e r é g l a g e [ W ] T e m p s [ s ]

45 Simulation Vitesse du volant d inertie 4800 V i t e s s e d u v o l a n t [ t r / m i n ] T e m p s [ s ]

46 Eolienne à vitesse variable Conv. 1 Conv. 3 PMSG Réseau MAS Conv. 2 Stockage inertiel Filtre Charge isolée Convertisseur 1 Contrôle de la génératrice synchrone à aimants permanents Convertisseur 2 Contrôle du bus continu Convertisseur 3 Contrôle de la tension et de la fréquence du réseau

47 DS 1104 DS 1103 Banc d essai d de 3kW MCC PMSG MAS Filter Réseau Charge isolée FESS DS 1104 CNRT Futurelec Lille

48 Essais expérimentaux Sans stockage Vitesse de la génératrice Puissance envoyée au réseau en absence du stockage Temps (s) Temps (s)

49 STOCKAGE DE L ENERGIE L ET EOLIENNES Essais expérimentaux Avec stockage Puissance lissée envoyée au réseau Temps (s) Vitesse du volant Temps (s)

50 STOCKAGE DE L ENERGIE L ET EOLIENNES Essais expérimentaux Avec stockage Puissance constante envoyée au réseau Temps (s) Vitesse du volant Temps (s)

51 Alternateur classique: couplage naturel entre la puissance active et la fréquence réglage tension (Q) via l excitation Source à convertisseur statique: Est-il possible d obtenir un comportement similaire à celui d un alternateur classique? Introduction d une relation fréquence puissance artificielle f (Hz) f 0 + f f 0 f 0 - f P g ref - P g P gref P g ref + P g P g mes (W)

52 Portion de réseau 20 kv intégrant une ferme de 3 éoliennes associées àdu stockage. BB2 ~ Réseau puissant 63 kv Préseau 20 kv BB1 BB3 Z1 Z2 Z3 P g1 P g2 P g3 ~ ~ ~ Charge4 Charge5 Charge6 v w1 GS1 v w2 GS2 v w3 GS3 Charge1 P1 Charge2 P2 Charge3 P3 P4 Q4 P5 Q5 P6 Q6 Q1 Q2 Q3

53 Evolutions des vitesses de vent appliquées aux différentes éoliennes

54 Puissance active générée par chaque génératrice éolienne

55 Puissance active générée par chaque système éolienstockage et puissance reçue ou fournie par le réseau Ilôtage 150 s

56 Vitesse des trois volants d inertie

57 Discussion sur l apport du stockage Les besoins de stockage sont fonctions du service à fournir: Lissage de puissance P-stockage 30% P-éolien Services système P-stockage P-éolien Foisonnement des puissances dans une ferme éolienne P-stockage inférieure à P-éolien total La stratégie de supervision est fonction des services à fournir Son optimisation doit permettre de limiter les besoins de stockage Stratégie applicable à différentes technologies de stockage Technologies de stockage Combinaison de stockages à court et long terme Coût du stockage actuellement élevé qui devrait diminuer par la valorisation financière des services rendus au réseau par le développement à grande échelle du stockage

58 Exemple de solution pour l avenir Gear box Wind generator Converter 2 AC DC i w_m Grid Pile à combustible Fuel cell i u bus i c i t_m Converter 1 DC L T i t Hydrogen tank H 2 O 2 C AC H 2 Electrolyzer Electrolyseur Supercondensateurs u s i Cu Water Ultra capacitor C u R u L i b u m Water DC DC Converter 3 Converter 4 DC DC i h_m i b_m

59 Conclusion et perspectives L intégration harmonieuse de l éolien dans le réseau passera: par une meilleure prévision du vent, une coordination resserrée entre les gestionnaires de réseau de transport européen, le renforcement des interconnexions européennes. Mais aussi grâce à l utilisation de l électronique de puissance dans les interfaces avec le réseau, au développement du stockage de l énergie à court et long terme, au développement de systèmes multisources, au foisonnement éolien sur un vaste territoire.

60 Merci pour votre attention