-
Exploitation de rseaux de distribution avec forte proportion de
gnration rpartie
AES / Club Ravel, Lausanne, le 3 dcembre 2013
Dominique Roggo Unit Power and Control Institut Systmes
Industriels [email protected]
Dominique Gabioud Unit Infotronics
Institut Systmes Industriels
[email protected]
-
2
Jean-Marc Allenbach
Davide Pavanello
Pierre-Olivier Moix
Dominique Roggo
Dominique Gabioud
Projets, sponsors, partenaires
Jean-Franois Affolter
Mario Carpita
Lausanne, 3.12.2013
-
Agenda
Maintien de la tension sur rseau de distribution avec injection
rpartie
Onduleurs dinjection et leur contribution possible la gestion de
la tension
IEC 61850 et onduleurs
Tests sur Gridlab LV
Conclusion
3 Lausanne, 3.12.2013
-
Lausanne, 3.12.2013 4
Intgration des renouvelables
- Omniprsence des onduleurs dinjection (AIC) - Communication et
contrle ncessaires (Smart Grid)
180 .. 950 Vdc
12 .. 48 Vdc230 Vac
-
5
Stabilit de la tension
La puissance transmise au rseau gnre une augmentation de la
tension
Lausanne, 3.12.2013
-
6
Stabilit de la tension
Correction au niveau du transformateur MT/BT:
Source: CENELEC SC205A/Sec0329/DC
Lausanne, 3.12.2013
-
Date Titre 7
Transfo
PV
Hydro
Cas concret : Savise (VS)
-
Date Titre 8
Relation P-U
Anticipation problmes
Cas concret : Savise (VS)
-
Date 9
Cas concret : Rglage ncessaire
Lausanne, 3.12.2013
-
22.06.2012 10
Var
Compensation
Grid Producer
Consumers VRES
Stabilisation des tensions,
compensation avec Q[VAr]
Lausanne, 3.12.2013
-
Date 11
Proposition de modifications:
Cos(phi) de 0.8: attenue de 38%
laugmentation
Confirm en Neplan et suivi par un travail de diplme
Cas concret : Savise (VS)
Lausanne, 3.12.2013
-
12
Stratgie volutive
1. Commande locale avec une loi fixe
Lausanne, 3.12.2013
1 - u0 1
-q0
0
Tension de ligne U/Un
Pu
issa
nce r
a
ctive
in
ject
e q
= Q
/S
Imposition de puissance ractive
1 + u0 1 - us 1 + us
q0
-
13
Stratgie volutive : Scnarios 1 et 2
1. Commande locale avec une loi fixe
2. Commande locale avec une loi fixe, prpare pour tre
modifiable
Lausanne, 3.12.2013
-
14
Stratgie volutive : Scnario 3
Lausanne, 3.12.2013
1. Commande locale avec une loi fixe
2. Commande locale avec une loi fixe, prpare pour tre
modifiable
3. Commande locale avec une loi, modifiable par tlaction
depuis le centre rgional de conduite (IEC 61850-90-7)
-
15
Stratgie volutive
Lausanne, 3.12.2013
1. Commande locale avec une loi fixe.
2. Commande locale avec une loi fixe, prpare pour tre
modifiable
3. Commande locale avec une loi, modifiable par tlaction
depuis le centre rgional de conduite
4. Commande modifiable de manire informatise par
tlaction depuis le centre rgional de conduite
Des investissements progressifs, adapts aux problmes rsoudre
Des normes lgales adapter pour rendre possibles les solutions
techniques
-
16
Normes
VDE AR-N 4105 : Power generation systems connected
to the low-voltage distribution network:
Technical minimum requirements for the
connection to and parallel operation
with low-voltage distribution.
IEC 61850-90-7 Communication networks and systems for power
utility automation Part 90-7: Object models for power
converters
in distributed energy resources (DER) systems
Lausanne, 3.12.2013
-
Lausanne, 3.12.2013 17
AC OUT
DC IN
Le rle des onduleurs
Exemple:
Onduleur de batterie
XTM (Studer Innotec)
-
18
Principe de fonctionnement
AC Voltage
LV Grid /loads
DC Voltage
Solar Panels
Batteries
XTM (Studer Innotec)
Voltage or current harmonics depend on the converter control
topology
Lausanne, 3.12.2013
Uout
Iout Cmde
-
19
Fonctionnement sur 4 quadrants
Lausanne, 3.12.2013
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-1 1 3 5 7 9 U1, I1
an
d P
[p
.u.]
Phase angle [rad]
Inverter power output
Output voltage
Output current
Power output
IV II
III I
IV
U
I
III
III IV
Generator
Generator Consumer
Consumer
Uout
Iout
-
20
Commande PWM
Lausanne, 3.12.2013
Tension de sortie:
20
Module EoI: lectronique industrielle
Ersatzschaltung mit Umschaltern
T1 und T2 (T3 und T4) werden im Gegentakt betrieben
A
B
uLu
uHB-BuHB-A
i
Ud uA
id
L
)sin(
:
1 ud tUmu
leFondamenta
f F 2F 3F 4F0
Spektrum von u
m Ud
0
t
Wechselspannung u mit Grundschwingung u1 (gestrichelt)
Ud
-Ud
Harmoniques aux multiples de Fc
-
21
Onduleur triphas
Lausanne, 3.12.2013
Tension de sortie fondamentale:
Courant rsultant dans linductance:
Puissance transmise au rseau:
L
UUUUI uAA
)cos(2 12
1
2
1
90))cos(
)sin((
1
1
Au
ui
UU
Uarctg
)sin(2
)(,, 111 DtU
mtu ud
cba
)cos(3 11 iuA IUP )sin(3 11 iuA IUQ
-
-1.0
0.0
1.0
0 3 6 9
-1.0
0.0
1.0
0 3 6 9
-1.0
0.0
1.0
0 3 6 9
22
Contrle de la puissance
Lausanne, 3.12.2013
)sin(1 ud tUmu
UA
UL
UA UAU1U1 U1
UL UL
IL
ILILP=0
Q0
Q
-
23
Fonctions dun onduleur PV
Le couteau suisse de la production rpartie!
Lausanne, 3.12.2013
Contrle de la puissance active Contrle de la puissance ractive
Rglage de la tension sur les panneaux PV (MPPT) Stabilisation de la
tension de rseau Equilibrage des phases Capacit de supporter des
creux de tension Grid monitoring Fonctionnement en ilotage
-
24
Ncessaire
Valeur ajoute
Utilit de la communication: Information, Monitoring,
Prdiction.
Rglage synchronis
Lausanne, 3.12.2013
-
Date 25
Rglage synchronis:
cas concret, Savise VS
Lausanne, 3.12.2013
-
26
1. Minimisation du ractif renvoy au rseau: la chute de tension
se fait
avec du ractif entre les onduleurs de la mme ligne
2. Compensation des charges in-situ
3. Synchronisation des diffrents acteurs pour assurer la
stabilit
1 2
Rglage synchronis:
Principe de plus value
Lausanne, 3.12.2013
-
27
Contrle prdictif: Modle simul en parallle de la ralit
Ralit Mesures
Algorithme
doptimisation Fonction cot
Modle du
systme
Commande
Itrations
Modle
Rglage synchronis: optimisation
Lausanne, 3.12.2013
-
28
Utiliser un algorithme doptimisation proof of concept
Dmonstration thorique quil est possible de minimiser un cot
de fonctionnement de rseau, un instant donn, avec un algo.
0 200 400 600 800 1000220
225
230
235
240
245
250
Distance [m]
Ten
sio
n [
V]
Tension sur la ligne
0 200 400 600 800 1000-50
0
50
Distance [m]
Co
nsig
ne
[]
0 100 200 300 400 5000
5
iteration [-]
Fct
co
ut
[C
HF
]
Itrations Optimisation
cos()=1
iter
Rglage synchronis: optimisation
Lausanne, 3.12.2013
-
29
Surface de rponse du rseau sur la journe
Rglage synchronis : simulation
Lausanne, 3.12.2013
-
30
Cos(phi) 0.97 correspond dj une quantit non ngligeable de
ractif. Angle 14 24% amplitude, 5% des pertes. 7CHF/MVArh
Profile puissance Meyrin/ SIG
Rglage synchronis:
Aussi sans problme de tension
Lausanne, 3.12.2013
-
31
Pas de problmes de tension: lalgorithme compense exactement le
ractif. Potentiel de plus-value pour GRD.
0 5 10 15 20 25-30
-20
-10
0
10
20
30Ractif
temps [h]
Racti
f [A
im
]
Im(Icharges
)
Im(Ionduleurs
)
Im(Itrafo
)
Optimiseur de ractif
Optimisation toute la journe si pilotage Q possible.
Optimisation durant la production uniquement si utilisation
cos(phi)
Rglage synchronis:
Site de Meyrin (SIG)
Lausanne, 3.12.2013
-
Onduleurs et automation
Synthse:
Les onduleurs dinjection sont capables de contribuer au maintien
de la tension
Leur contribution peut tre optimise par un paramtrage en
ligne
32
Onduleur
1
Onduleur
N
Contrleur
Rseau de
donnes
Vue donne !
Consignes,
mesures externes
Lausanne, 3.12.2013
-
Pourquoi IEC 61850
IEC 61850 nest pas ncessaire !
Solutions propritaires
Communication dfinie par leur fabricant
Problmes : Dpendance vis--vis du fabricant
Pas de standard concurrent
IEC 61850 fait le job
IEC 61850 est connu
Electriciens, fabricants dappareils, intgrateurs systmes
IEC 61850 est tabli partout dans le monde
33 Lausanne, 3.12.2013
-
IEC 61850 et onduleurs,
aujourdhui demain
Vision:
Onduleurs dinjection avec interface IEC 61850
De manire similaire aux relais de protections actuels
34
Aujourdhui Demain
Onduleur
IEC
61850
Onduleur
IEC
61850
Lausanne, 3.12.2013
-
IEC 61850, cest
Un modle de donnes
Des protocoles de communication
Un langage de configuration
35 Lausanne, 3.12.2013
-
Modle de donnes
Objectif : Disposer dune nomenclature uniforme Un mme nom pour
un paramtre
Vision : un modle de donnes unique pour un type
dappareil Quel que soit le fabricant
Une certaine flexibilit pour des fonctions spcifiques dun
appareil
36
Elments dun modle de donnes : Plaque signaltique Etat actuel,
status Configuration Rsultats de mesure Commandes
IED1/LD0/MMXU1/TotW/Mag
Lausanne, 3.12.2013
-
Protocoles de communication
Objectif : Lire / crire des lments du modle de donnes travers un
rseau de donnes
Communication verticale et horizontale
Communication en mode poll et en mode push
37
Onduleur
1
Onduleur
N
Contrleur
Lausanne, 3.12.2013
-
Langage de configuration
La communication des IEDs et du superviseur doit tre
configure
IEC 61850 dfinit un langage de programmation uniforme pour tous
les lments connects Un outil pourrait supporter la gnration
cohrente de fichiers de
configuration
38
Onduleur
1
Onduleur
N
Contrleur
Lausanne, 3.12.2013
-
Nouveaux modles de donnes pour rseau de distribution
IEC 61850-90-7
Object models for power converters in distributed energy
resources (DER) systems
IEC 61850-90-6
Using IEC 61850 for distribution automation
IEC 61850-90-9
IEC 61850 object models for battery storage systems
39
Extension du modle de donnes
Lausanne, 3.12.2013
-
Principes de contrle des
onduleurs
Fonctionnement autonome rpondant des conditions locales
IEC 61850 permet de:
Paramtrer les modes de fonctionnement autonomes
Passer dun mode de fonctionnement un autre
Fonctionnement pilot par un contrleur externe
IEC 61850 permet de:
Centraliser des valeurs de mesure vers le contrleur
Donner des consignes sous la forme de commande
40 Lausanne, 3.12.2013
-
Fonctionnement autonome rpondant
des conditions locales
Slection de modes prdfinis
Paramtrage de modes
Exemple : Mode volt-var avec paramtres V1, V2, V3, V4, Q1%, Q2%,
Q3% et Q4%
41
Source:
IEC 61850-90-7
Lausanne, 3.12.2013
-
Modes prdfinis
Modes :
Volt-var, mais aussi Frequency-Watt, Volt-watt
Et aussi : Dlai pseudo-alatoire entre une commande et son
excution
Horaires
Hystrses
42
Mode Frequency-Watt Source:
IEC 61850-90-7
Lausanne, 3.12.2013
-
Modes et commandes
Fonction ride-through :
Courbes Must disconnect , Must remain connected
43
Source:
IEC 61850-90-7
Lausanne, 3.12.2013
-
Fonctionnement pilot par un
contrleur externe
Boucle de rglage effectue priodiquement Priode : secondes
Mesures collectes :
Puissance active produite, tension efficace par phase
Valeurs contrles, commandes :
Consigne de puissance active et de puissance ractive
44
Onduleur
1
Onduleur
N
Contrleur
Ces paramtres sont
disponibles dans le
modle de donnes
IEC 61850
Lausanne, 3.12.2013
-
Tests dans Gridlab
Principe de contrle :
Fonctionnement pilot par un contrleur externe
Phase 1 :
Implmentation de scnarios de contrle avec une communication
propritaire
Phase 2 :
Implmentation de scnarios de contrle avec une communication IEC
61850
45
temps
Lausanne, 3.12.2013
-
Passerelle IEC 61850
46 31 janvier 2013
Implmentation
pour un convertisseur statique 4Q et
pour un rgulateur de tension sriel
Lausanne, 3.12.2013
-
Exemple : rgulateur de tension
sriel
47 31 janvier 2013
Modle de
donnes
IEC 61850
Modle de
donnes
propritaire
Lausanne, 3.12.2013
-
Connecter des onduleurs un
rseau de communication
IEC 61850 demande une communication base IP
Rseau de communication priv Rseau spar pour de questions de
scurit
Sur la base dun rseau physique ddi
PLC sur cbles / lignes lectriques
Fibre optique ddie
Sur la base dun rseau virtuel priv (Virtual Private Network,
VPN) bti sur un rseau public
Rseau mobile
Rseau internet fixe
Une collaboration avec les oprateurs tlcom peut limiter les cots
de la communication
48 Lausanne, 3.12.2013
-
49
GridLab HEI-VS
Laboratory for the Grid Integration of Renewable Energy and
Storage
Lausanne, 3.12.2013
-
50 Lausanne, 3.12.2013
16kV0.4kV
Main
Circuit
Braker
Circuit
Braker
PV-
Inverters
1
3
Variable
Loads
(e.g.
households)
3
Energy
storage unit
1
3 3
WWWLAN
Central Control and
Visualisation Unit (PC)
Z
1
3
1
1-phase
modular
units
4x 4kVA
1
Z
PV-
Arrays
GridLab
Feeder
31
Small
Wind
Turbine
Measure
Feeder
Force
Feeder
1 or 3
3
3
3
3
3
500kVA
Real Sources
and loads
Simulated
parts
(full scale)
3
3
3-phase
Load/
source
45kVA
(option)
3-phase
modular
units
4x
40kVA
ETHERNET
(IEC 61850)
+
-
1
1
+
-
+ -
4Q
DC-Power
supply
2x
32kVA
(Inverter
under test)
GRIDLAB LV
-
51
GridLab LV 3phase unit
Convertisseurs statiques bi-directionnels 3-phass
Source: ABB ACS 800 Users Manual
LCL filter
Lausanne, 3.12.2013
Dv/dt filter
U1
V1
W1
-
Date 52 Lausanne, 3.12.2013
GridLab LV 3 phase unit
-
53
GridLab LV : Scnario DG2
Lausanne, 3.12.2013
Scnario ralis le 29.11.2013
-
54
GridLab LV:Scnario DG2
Lausanne, 3.12.2013
-
55
Scnario DG2: sans contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
56
Scnario DG2: sans contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
57
Scnario DG2: sans contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
58
Scnario DG2: avec contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
59
Scnario DG2: avec contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
60
Scnario DG2: avec contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
61
Scnario DG2: avec contrle
Lausanne, 3.12.2013
-
62
Scnario DG2: formes dondes
Lausanne, 3.12.2013
-
La gnration rpartie va se dvelopper fortement
Risque de surtensions ou de surcharge locales
Variations de la production importante et rapide
Renforcer du rseau avec du cuivre ou du silicium ?
Un panel de technologie smart disponibles :
Contrle des quipements du rseau
Contrle de linjection et du stockage rpartis
Demand-Side Management
Dvelopper, tester et valider les technologies
Faire voluer le cadre lgal et rglementaire pour un quilibre
financier durable
Lausanne, 3.12.2013 63
Conclusion
-
64
Thank you for your attention!
Lausanne, 3.12.2013
