Déploiement de compensateurs Deployin synchronous

— WHITE PAPER

Deploying synchronous condensers to provide distributed power grid support

— LIVRE BLANC

Déploiement de compensateurs synchrones pour fournir un soutien auréseau électrique

— Table des matières

04 – 05 Introduction - Comment la structure des réseaux électriques évolue-t-elle?

06 Facteurs de risque dans les futurs réseaux

07 Avantages des compensateurs synchrones dans les zones faibles

08 Des compensateurs synchrones sur mesure pour un soutien maximal du réseau

09 Conclusion

Image de la couverture :

Compensateurs synchrones soutenant la ferme solaire de Darlington Point en Nou-velle-Galles du Sud, Australie (image fournie par Edify Energy et Octopus Investments).

4 DÉPLOYER DES COMPENSATEURS SYNCHRONES POUR FOURNIR UN SOUTIEN AU RÉSEAU ÉLECTRIQUE

—Introduction - comment la structure des réseaux électriques évolue-t-elle ?

Les réseaux électriques traditionnels sont centralisés, avec des liaisons linéaires à partir de générateurs par le biais de lignes de transmission et de distribution aux consommateurs. Voir image 01. Les compagnies productrices et les opérateurs de réseaux comprennent parfaitement la technologie de ces systèmes et possèdent l'expérience et le savoir-faire nécessaires pour les contrôler et les superviser.

La nécessité de décarboniser la production d'électricité et d'accroître l'utilisation des sources renouvelables a entraîné des changements rapides dans la façon dont l'électricité est produite. Les réseaux évoluent en fonction de ces changements, et les réseaux de l'avenir auront une structure très différente de celle du modèle traditionnel. Voir image 02. Le principal moteur de ces changements dans les réseaux est l'adoption rapide de la production d'électricité en fonction des conditions météorologiques, qui consiste généralement en énergie éolienne et solaire.

Les centrales électriques alimentées par la météo sont géographiquement décentralisées et fonctionnent souvent de manière intermittente. Presque sans exception, elles produisent de l'énergie "non synchrone" ou synthétisée, c'est-à-dire qu'elles produisent du courant continu (DC) qui est converti par des onduleurs en courant alternatif (AC) nécessaire au réseau.

Les onduleurs sont des appareils électroniques de puissance qui ne peuvent pas soutenir efficacement le réseau en cas de panne ou d'autres événements défavorables au réseau. En effet, ces dispositifs à semi-conducteurs fonctionnent comme des interrupteurs sans réserve de puissance inhérente et avec une capacité de surcharge limitée. Dans le même temps, de grandes centrales électriques à combustibles fossiles ont été mises hors service, ce qui a réduit la quantité de masse tournante ou de réserve cinétique dans le réseau et donc la capacité de franchissement de failles.

—01 Réseau traditionnel

—02 Réseau du futur

DÉPLOYER DES COMPENSATEURS SYNCHRONES POUR FOURNIR UN SOUTIEN AU RÉSEAU ÉLECTRIQUE 5

Ces nouveaux réseaux nécessitent des capteurs intelligents pour surveiller l'inertie, le niveau de défaillance, la capacité de charge, l'angle de phase et d'autres paramètres. En outre, les changements permanents de la structure du réseau et l'évolution constante de la composition de la production d'électricité nécessitent des algorithmes de contrôle plus avancés.

Dans le cadre des efforts visant à atténuer les problèmes récurrents, l'attention s'est portée sur les compensateurs ou compensateurs synchrones (SC). Ces machines tournantes synchrones sont largement connues dans l'industrie de l'énergie. Cependant, ils sont peu utilisés ces derniers temps car leur ancienne fonction - la compensation de la puissance réactive - est maintenant assurée par des équipements modernes à base de semi-conducteurs.

Les problèmes de stabilisation des réseaux se posent avec plus d'acuité avec l'arrivée de la production d'électricité à plus grande échelle, pilotée par les conditions météorologiques et de l'électricité de synthèse. Cela a nécessité un retour aux dispositifs rotatifs (inertie physique) qui peuvent fournir un soutien instantané en maintenant la production de tension indépendamment de la tension ou de la fréquence du réseau en amont. Cela peut être facilement réalisé par un compensateur synchrone rotatif autonome (non couplé) équipé d'un système d'excitation rapide et programmable. Voir image 03.

Ce document explore l'expérience récente des problèmes de réseau et montre comment les compensateurs synchrones apportent une solution efficace à une série de comportements indésirables en réseau.

—03 La ferme solaire de Darlington Point est soutenue par deux compensateurs synchrones ABB au niveau du point de connexion de 132 kV (image fournie par Edify Energy et Octopus Investments).

Le PSS fait partie du système de contrôle de l'excitation, et il détecte

les oscillations par des mesures d'angle de phase. Cependant, le PSS

n'est pas efficace contre les oscillations interzones. Par conséquent,

le seul moyen dont disposent les opérateurs de réseau pour faire face

aux oscillations interzones est de renforcer les réseaux faibles dans

les régions éloignées. Cela peut être réalisé en déployant des

compensateurs synchrones (SC) pour générer un courant de court-

circuit (SCC) et fournir ainsi une capacité de soutien local en cas de

défaillance. Les SC renforcent également le couple de

synchronisation, réduisant les différences d'angle de phase et

agissant comme un puits pour les harmoniques de basse fréquence.


—Facteurs de risque dans les futurs réseaux

Augmentation du taux de changement de fréquence (RoCoF). Le RoCoF plus élevé associé aux nouveaux réseaux risque de faire trébucher les gros générateurs. Cela peut nécessiter le réajustement des paramètres de protection pour permettre le fonctionnement sur une bande de fréquences plus large.

Fluctuations basées sur la météo. Les changements de production dus à l'évolution des conditions météorologiques nécessitent des investissements importants dans la production rotative facilement disponible, qui est généralement assurée par des turbines à gaz de secours.

Stabilité de la tension. En cas de défaillance du réseau, les générateurs "non synchrones" sont incapables de maintenir la stabilité de la tension, et ils ne peuvent pas fournir une assistance instantanée pour éviter le déclenchement inutile des charges. En d'autres termes, ils déclenchent parce qu'ils n'ont pas de capacité instantanée inhérente ou de réserve d'énergie. Les systèmes de production tournants, en revanche, peuvent maintenir la tension

à condition que leur excitation soit stable. En fait, la fonction de forçage du champ permet même aux compensateurs synchrones de maintenir la production de tension à un niveau plus élevé, ce qui aide le réseau à revenir à son état d'avant le défaut et les équipements à rester connectés.

Changer la composition de la production d'électricité. Comme le mélange de production d'électricité change à la fois avec les conditions météorologiques et les conditions de charge, la puissance du réseau (niveau de puissance de court-circuit ainsi que l'inertie) change aussi continuellement.

Les oscillations entre zones. Ces oscillations, qui se produisent lorsque les centrales sont interconnectées avec des zones plus faibles, représentent l'un des problèmes les plus imminents de la production décentralisée. La puissance oscille entre des zones plus fortes et plus faibles à basse fréquence, dans la gamme de 0,1 à 0,8 Hz. Il en résulte des flux d'énergie sous-optimaux, un fonctionnement inefficace et un risque d'instabilité

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—04 Les liaisons entre les zones fortes et les zones faibles sont assujetties à des problèmes de stabilité sauf si un soutien supplémentaire ne soit fourni.

En se référant à l'image 04, si la zone A est le centre de puissance

avec une forte production d'énergie et un support d'inertie, alors la

zone B éloignée aura un réseau faible avec des réserves limitées en

raison de son éloignement de la zone A. Cela peut être acceptable si

la zone B est caractérisée par une consommation passive non

critique et une production d'électricité faible ou inexistante.

Cependant, si une production d'électricité importante à base

d'onduleurs est ajoutée dans la zone B, le système global deviendra

vulnérable et instable. En effet, la production d'énergie synthétisée

a une capacité de soutien instantané et une réserve d'inertie très

limitées, qui sont nécessaires pour éviter les imprévus liés au

réseau. Les opérateurs de réseau ne peuvent pas compter sur des

générateurs à onduleur pour amortir les oscillations entre les zones

lorsque les grands générateurs traditionnels à base de charbon sont

progressivement retirés du mélange des générations. Les

générateurs rotatifs sont capables d'amortir les oscillations dans

leur zone locale grâce à leur stabilisateur de système électrique

(PSS).


—Avantages des compensateurs synchrones dans les zones faibles

Comme indiqué ci-dessus, il y a des avantages importants lors qu’on déploie des compensateurs synchrones (SC) plus petits dans les zones faibles plutôt que d'utiliser un grand SC ou un générateur synchrone (SG) centralisé.Cela est dû à l'impact important des lignes de transmission et de distribution sur

les événements transitoires dans les flux d'énergie entre zones. Les longues impédances des lignes électriques réduisent la capacité de la SCC des SC et des SG situés au centre, ce qui les rend moins efficaces dans les régions éloignées. Par conséquent, des unités locales plus petites sont nécessaires pour assurer la SCC et l'inertie au niveau local. Voir image 05.

—05 Optimisation du réseau distribué.

Avantages de l'installation de compensateurs synchrones dans les zones de réseau faibles

• Fournir une puissance réactive et un couple de synchronisation• Fournir un soutien efficace pour la restauration du réseau• Fournir un courant de court-circuit important (SCC)• Contribuer à la stabilité des petits signaux et des transitoires ; agir

comme un "puits" pour corriger les harmoniques du système d'ordreinférieur et le déséquilibre de phase

• Fournir une inertie instantanée (énergie cinétique) jusqu'à 100 - 460 MWs• Fournir un soutien de tension et une régulation dynamique en générant/

absorbant de la puissance réactive (MVAr)• Peut être intégré facilement avec les fournisseurs de MVAr dynamiques

rapides comme les Statcoms, les SVC, les liaisons HVDC, les onduleurséoliens/solaires ainsi que les convertisseurs de stockage.


—Des compensateurs synchrones sur mesure pour un soutien maximal du réseau

Les compensateurs synchrones fournis par ABBsont réalisés sur commande sur la base d'études de réseau pour le lieu où le soutien du réseau est nécessaire.Ils fournissent donc une solution sur mesure qui peut être installée stratégiquement pour obtenir un impact maximal du support du réseau dans un nœud de réseau particulier.

Cette approche correspond généralement bien aux processus d'approbation réglementaire. En Australie, par exemple, l'AEMO (Australian Energy Market Operator) exige des candidats une étude complète basée sur le PSS/E® (Power System Simulator for Engineering) et la modélisation PSCAD (Power System Computer Aided Design) afin d'assurer la conformité.ABB soutient cette procédure en fournissant les modèles PSS/E® et PSCAD pour le SC et l'AVR (régulateur automatique de tension), ainsi que les réglages recommandés pour le relais de protection. Cela aide le demandeur à obtenir une solution mesurée et vérifiable pour les autorités.

Les SC d'ABB sont des unités compactes d'une capacité de 10 à 70 MVAr. Ils peuvent être facilement déployés pour un effet optimisé. Ces SC de petite et moyenne taille se comparent favorablement aux très grandes SC de 100 - 200 MVA dérivées des générateurs à turbine. Ces grandes unités ont tendance à être réalisées qu'à la vitesse de fonctionnement de 3000 tr/min, ce qui nécessite une construction de rotor cylindrique et implique un certain nombre de défis mécaniques ainsi que des défis liés au projet (c'est-à-dire la logistique et l'installation pour les grandes unités). Les petites unités modulaires fournies par ABB fonctionnent à1500 tr/min et se caractérisent par un rotor à pôles saillants et solides. Voir image 06. Les pièces polaires dédiées donnent un champ magnétique plus fort et plus ciblé qui se traduit par une meilleure stabilité angulaire et une plus grande capacité de surcharge. Le rapport diamètre/longueur supérieur, par rapport aux unités à 3000 tr/min, permet d'obtenir l'inertie souhaitée de manière plus efficace et plus économique.

—06 La conception du rotor à pôles saillants offre une plus grande stabilité.y.


—Conclusion

La pénétration croissante des énergies renouvelables, notamment éolienne et solaire, dans le bouquet énergétique, et le démantèlement des combustibles fossiles apportent des changements dans la structure des réseaux électriques.

Les futurs réseaux de production d'électricité décentralisée nécessiteront de solutions décentralisées pour assurer la stabilité et la résilience du réseau.Des compensateurs synchrones peuvent être déployés pour renforcer les réseaux faibles dans les régions éloignées. Les avantages comprennent la fourniture de puissance réactive et de couple de synchronisation, la génération de courant de court-circuit et l'amortissement des harmoniques de système d'ordre inférieur, ainsi que la fourniture d'une inertie instantanée allant jusqu'à 460 MWs.

Les compensateurs synchrones fournis par ABB sont des unités compactes allant jusqu'à 70 MVAr qui peuvent être déployés exactement là où le soutien du réseau est nécessaire. Voir les images 07 et 08. Ils sont conçus sur la base d'études de réseau et donc adaptés pour fournir un soutien maximal au réseau. Par rapport aux grandes unités dérivées de turbogénérateurs, elles offrent une meilleure stabilité angulaire et une surcharge plus importante.

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1 Production d'énergie éolienne 2 Eliminer progressivement la production d'énergie fossile 3 Industrie, exploitation

minière, fortes charges de pointe 4 De longues et faibles lignes de distribution d'électricité 5 Production d'énergie

solaire et géothermique

—07 Un système complet à faible encombrement peut fournir jusqu'à 460 MWs d'énergie cinétique.

—08 Les SC compacts conviennent à tous les endroits et peuvent être déployés exactement là où un support de réseau est nécessaire


—Notes

Informations complémentaires

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