Impact de l éolien sur le réseau de transport et la qualité de l énergie

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1 Laboratoire d Electrotechnique et d Electronique de Puissance de Lille Impact de l éolien sur le réseau de transport et la qualité de l énergie B. Robyns, A. Davigny, C. Saudemont, A. Ansel, V. Courtecuisse, B. François, S. Plumel, J. Deuse Centre National de Recherche : CNRT Futurelec Equipe Réseaux Electriques et Systèmes Energétiques Prévision de l European Wind Energy Association pour l Europe: 18 MW d éolien en 22 soit 5x plus qu en 24 (34 MW) Prévision pour la France afin de satisfaire les objectifs de l UE: 14 MW d éolien en 21? avec 8 MW début 26 cet objectif est reporté! Mais, à moyen terme (21?), 2 MW Quelques milliers de MW 1 MW la France risque de ne pas être épargnée par les caprices du vent!

2 Problématique de l intégration des éoliennes dans un réseau d énergie: Production aléatoire et difficilement prévisible A bsence 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) 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 3% (EDF) dans certains réseaux insulaires la limite des 3% est quasiment atteinte. Dans les réseaux interconnectés?

3 Taux de pénétration maximal (Puissance installée/demande minimale) En 24 Allemagne Espagne Danemark Ouest Danemark Est Hors interconnexion Avec interconnexion 44 % 54,2 % 2 % 77 % 3 % 45,8 % 61,5 % 21,2 % Qualité de l électricité La qualité de l électricité se vérifie par le maintien dans les plages contractuelles, réglementaires ou normatives : - des paramètres caractéristiques des ondes de tension et de courant du réseau électrique; - de la continuité et de la fiabilité de l alimentation des utilisateurs.

4 Plan de l exposé Technologies d éolienne de grande puissance Ferme d éoliennes Tension de raccordement Contraintes de raccordement de l éolien au réseau de transport Problèmes induits par l intégration de l éolien dans le réseau de transport Simulations Perspectives P w 1 = C 2 Principe: Puissance aérodynamique: p Cp <.59 R λ = ω t v ρav Ratio de vitesse: 3 Cp L énergie éolienne,5,4,3,2,1 β = angle d orientation des pales Coefficient de rendement = = 2 = 4 = 6 = 8 =1 = 12 = 14 =

5 v Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) MSAP (vitesse variable) Turbine Multiplicateur β Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Convertisseur / Dimensionner à 25% de Pn Machine asynchrone A cage Convertisseur / Moyen de contrôle Pitch control Stall Actif Pitch control ac 5 Hz Couple 4 génératrice Compensation de réactif 35 3 Pitch control 25 Puissance (kw) 2 Couple 15 génératrice 1 5 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 Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) v MSAP (vitesse variable) Turbine Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Convertisseur / Dimensionner à 25% de Pn Multiplicateur Convertisseur / 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 5 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

6 Puissance (kw) Puissance en fonction de la vitesse du vent vent (m/s) 1 8 Puissance éléctrique (kw ) Puissance en fonction du temps tem ps (heure) Type d éolienne MAS (Vitesse fixe) MADA (vitesse variable) v MSAP (vitesse variable) Interface réseau Facultatif Gradateur Banc de condensateur Fréquence variable (ac) Convertisseur / Dimensionner à 25% de Pn Machine Synchrone Convertisseur / Moyen de contrôle Pitch Onduleur control 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 5 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

7 MPPT MSAP Banc d essai Puissance active Lissage de puissance Evolution des parts de marché des différentes technologies d éoliennes Synchrone Asynchrone à double alimentation Asynchrone vitesse fixe

8 Ferme d éoliennes G G G G Groupe d éoliennes Raccordement des éoliennes en alternatif T T T T Vers autres groupes d éoliennes T Vers réseau électrique Ferme d éoliennes G G G G Groupe d éoliennes Raccordement des éoliennes en continu T T T T Vers autres groupes d éoliennes Vers réseau électrique

9 Pu i ssance (kw) éolienne temps (s) Ferme d éoliennes Foisonnement de l éolien 1 3 Puissance (kw) éoliennes 5 1 éoliennes temps (s) Puissance (kw) temps (s) Raccordement de la production Les modalités de raccordement au réseau électrique des installations de production, et notamment les contraintes techniques, sont définies par des textes réglementaires tels que décrets et arrêtés. Type de réseau Plage de tension Niveaux de tension Puissance BT BT monophasé 23 V S 18 kva BT BT triphasé 4V S 25 kva MT (HTA) 1 kv < U 5 kv 15 kv, 2 kv P 12 MW HT (HTB1) 5 kv < U 13 kv 63 kv, 9 kv P 5 MW HT (HTB2) 13 kv < U 35 kv 15 kv, 225 kv P 25 MW HT (HTB3) 35 kv < U 5 kv 4 kv P > 25 MW Niveaux de tension de raccordement des installations en fonction de leur puissance.

10 Raccordement de la production L obligation de rachat par EDF de l électricité produite par des installations éoliennes d une puissance inférieure ou égale à 12 MW a favorisé le développement de l éolien dans le réseau HTA. Néanmoins, la tendance pour l avenir est le développement de fermes éoliennes terrestres ou off-shore d une puissance supérieure à 12 MW, voire très supérieure (de l ordre de la centaine de MW), qui seront donc connectées au réseau HTB. Contraintes de raccordement au réseau HTB Services système réglages primaires et secondaires de tension réglages primaires et secondaires de fréquence fonctionnement en réseau séparé renvoi de tension et participation à la reconstitution du réseau Soutien du système électrique en régime exceptionnel Couplage au réseau et stabilité assurée Recevoir et exécuter des ordres de conduite et de sauvegarde

11 Problèmes induit par l éolien Prévision de la production Incertitude moyenne sur les prévisions à 24 h : 1 % Exemple danois de bonne prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision Problèmes induit par l éolien Prévision de la production Exemple danois de mauvaise prévision réalisée la veille à 11h Erreur de prévision

12 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. L adaptation et le renforcement des postes peuvent concerner les postes HTA-HTB suite au développement de l éolien dans le réseau de distribution (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. Problèmes induit par l éolien Capacité d accueil du réseau L opérateur allemand EON Netz prévoit le développement de 1 km de lignes supplémentaires d ici 216 pour une capacité éolienne de 16 MW, dont une partie importante en off-shore, et ce pour un montant de 55 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 1 ans et faire l objet d oppositions importantes de la part des populations. RTE a évalué la capacité d accueil du réseau français, sans adaptation importante, entre 6 et 7 MW d éolien.

13 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 28/9/3 lorsque f < 49 Hz Problèmes induit par l éolien Déconnexions intempestives Il est demandé aux éoliennes installées depuis 23 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 1,8 U/U dim,6,4,2 -,2,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 t en s

14 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 1 r : V = xq V 2 Réglage de la tension via un réglage de la puissance réactive Flicker et Harmoniques 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 5,5 Hz, il peut être demandé aux éoliennes de réduire leur production.

15 Simulation d une ferme de 5 éoliennes JB4 P L Q L P L Q L JB1 63 kv HV 225 kv 2 kv SR SNR SF SEOL LV.69 kv MV 2 kv JB3 JB2 Taux de pénétration moyen de 12 % P L Q L P L Q L Simulation d une ferme de 5 éoliennes 5 4 Production de 5 éoliennes soumises à des vents identiques [vent_wt_pu] Production du groupe réglant - Unit : MW [vent_wt_pu] Production éolienne (MW) s 4 Production de 5 éoliennes soumises au foisonnement éolien [vent_wt_pu7] Production du groupe réglant - Unit : MW [vent_wt_pu7] Poduction éolienne (MW) s

16 Simulation d une ferme de 5 éoliennes Fréquence avec vent unique avec foisonnement éolien Tension avec vent unique avec foisonnement éolien Hz s [vent_wt_pu7] Fréquence du système - Unit : Hz [vent_wt_pu] Fréquence du système - Unit : Hz kv s [vent_wt_pu7] Moyenne tension - Unit : kv [vent_wt_pu] Moyenne tension - Unit : kv Simulation 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 + P ~ Sc P P - P JDB f - f f f + f f(hz) ~ Seol Ch1 Ch2

17 Simulation Participation au réglage primaire d une éolienne vitesse du vent [m/s] Vent variable Vitesse du vent Temps [s] Simulation Participation au réglage primaire d une éolienne Puisance active éolienne [kw] Vent variable Puissance éolienne Sans réglage primaire Avec réglage primaire Temps [s]

18 Simulation Participation au réglage primaire d une éolienne 5.5 Vent variable Fréquence Sans réglage primaire Fréquence réseau [Hz] Avec réglage primaire Temps [s] 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.

19 Merci pour votre attention