These Da Vigny

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    Dpartement de formation doctorale en gnie lectrique ndordre : 4066

    Ecole Doctorale Sciences Pour lIngnieur UFR IEEA

    Participation aux services systme de

    fermes doliennes vitesse variable

    intgrant du stockage inertiel dnergie

    THESE

    Prsente et soutenue publiquement le mardi 11 dcembre 2007

    Pour obtenir le titre de

    Docteur de lUniversit des Sciences et Technologies de Lille

    (Spcialit Gnie Electrique)par

    Arnaud DAVIGNY

    Composition du jury

    Prsident :

    Jean Claude MAUN Professeur BEAMS - Universit Libre de Bruxelles

    Rapporteurs :

    Maria PIETRZAK - DAVID Professeur des Universits LAPLACE ENSEEIHT - INPT

    Jean Claude MAUN Professeur BEAMS - Universit Libre de Bruxelles

    Examinateurs :

    AbdelMoumain TOUNZI Matre de confrences HDR - L2EP - USTL

    Benoit ROBYNS Directeur de thse L2EP - HEI

    Marc PETIT Enseignant Chercheur Docteur - ENERGIE - Suplec

    Christophe SAUDEMONT - Enseignant Chercheur Docteur - L2EP - HEI

    Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique de Puissance de Lille Hautes Etudes dIngnieur

    Thse d'Arnaud Davigny, Lille 1, 2007

    2008 Tous droits rservs. http://www.univ-lille1.fr/bustl

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    REMERCIEMENTS

    Tout dabord, je voudrais remercier mon Directeur de thse, Benot ROBYNS,Directeur de la Recherche HEI, pour son encadrement et ses judicieux conseils. Jai

    beaucoup appris en travaillant avec lui. Je pense que cest un manager hors pair avec une

    grande culture scientifique dans le domaine du gnie lectrique.

    Je tiens remercier galement Messieurs les Professeurs Jean Paul HAUTIER et

    Francis PIRIOU, respectivement ancien et nouveau Directeur du L2EP, pour mavoir accueilli

    au sein du laboratoire L2EP.

    Je remercie galement Monsieur Michel VITTU et Monsieur Jean Marc IDOUX,

    respectivement ancien et nouveau Directeur Gnral dHEI, pour mavoir donn la possibilit

    de prparer une thse de Doctorat.

    Jadresse galement mes remerciements tous les membres du jury pour le temps

    quils ont consacr lvaluation de mes travaux de thse :

    -Madame Maria PIETRZAK DAVID, Professeur des Universits, ENSEEIHT

    INPT, Laboratoire LAPLACE ;

    -Monsieur Jean Claude MAUN, Professeur, Universit Libre de Bruxelles,

    Dpartement BEAMS ;

    -Monsieur AbdelMoumain TOUNZI, Matre de confrences HDR, USTL,

    Laboratoire L2EP ;

    -Monsieur Benot ROBYNS, Directeur de la recherche HDR, HEI, Laboratoire

    L2EP ;

    -Monsieur Marc PETIT, Enseignant Chercheur Docteur, Suplec, Dpartement

    Energie ;

    -Monsieur Christophe SAUDEMONT, Enseignant Chercheur Docteur, HEI,

    Laboratoire L2EP.

    Un grand merci tous les collgues avec qui jai travaill : Benot ROBYNS,

    Christophe SAUDEMONT, Mehdi NASSER, Jonathan SPROOTEN, Franois GIONCO,

    Yann PANKOW, Ludovic LECLERC, Gabriel CIMUCA, Omar BOUHALI, Vincent

    COURTECUISSE, Stefan BREBAN, He ZHANG, Mostafa EL MOKADEM et Arnaud

    VERGNOL. Une trs grande pense mon ancien collgue de bureau, Aymeric ANSEL,

    maintenant chez AREVA, avec qui jai apprci partager mon bureau pendant un peu plus de

    cinq ans dans la bonne humeur. Plusieurs mots peuvent le dfinir : rigueur, srieux et grande

    capacit intellectuelle. Tous les lments dun grand chercheur. Je lui souhaite bonne

    chance dans sa nouvelle vie professionnelle.

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    Je garde toujours une pense pour lensemble des professeurs qui mont enseign

    lElectrotechnique et plus particulirement:

    -Messieurs Olivier BOUTILLON, Charles DUMONT et Jacques BREBION,

    enseignants au Lyce Prive Saint Charles ARRAS lors de mes tudes en

    baccalaurat professionnel et technologique (1989 1993) ;

    -Messieurs Francis NOTELET, Jacques LESENNE, Pierre BOULET, Daniel ROGER,

    Jean Paul SWAN et Jean Franois BRUDNY lors de mes tudes suprieures

    lIUT et la Facult des Sciences Appliques de Bthune (1993 1997) ;

    -Messieurs AbdelMoumain TOUNZI, Francis PIRIOU, Jean Paul HAUTIER,

    Robert BAUSIERE et Christian ROMBAUT lors de mon DEA en gnie lectrique

    lUSTL en 1998.

    Enfin, je remercie ma famille et plus particulirement mon pouse, sur qui jai d me

    dcharger dune partie de mes responsabilits familiales et que je ne pourrai jamais assez

    remercier, et mes deux fils qui ont d me supporter dans tous les sens du terme pendant cesquatre annes.

    A mes grands parents,

    A mes parents,

    A mon pouse,

    A mes fils.

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    Limagination est plus importante que le savoir .

    La thorie, c'est quand on sait tout et que rien ne

    fonctionne. La pratique, c'est quand tout fonctionne et que

    personne ne sait pourquoi .

    Albert EINSTEIN

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    Table des matires

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    Table des matires

    Avant propos..1

    Introduction gnrale2

    Premire partie : Eolien et rseaux lectriques.

    Introduction de la premire partie...................................................................................5

    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    I.

    Introduction...6

    II.

    Principe de fonctionnement dune olienne..6

    A. Description6

    B. Conversion de lnergie cintique du vent en nergie lectrique.....7

    C. Puissance extraite du vent.7

    III. Les oliennes vitesse fixe...9

    IV. Les oliennes vitesse variable..11

    A. Type Machine Asynchrone Double Alimentation.11

    B. Type Machine Synchrone Aimants Permanents.14

    V. Synthse des diffrentes oliennes15

    VI.

    Conclusion...16

    Chapitre 2. Le systme lectrique.

    I. Introduction.17

    II.

    Le rseau de transport public franais...18

    III. Description du systme..19

    IV.

    Exploitation du systme.20

    A.

    Principe de la conduite du systme...20

    1) Organisation..20

    2) Les causes de dgradation du systme.21

    3) Les parades...29

    B.

    Performances du matriel.30

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    C. Le rglage de la frquence31

    1)

    Introduction31

    2)

    Absence de rglage de la frquence31

    3) Rglage primaire de frquence.32

    4) Rglage secondaire de frquence34

    5) Rglage tertiaire de frquence...36

    D. Le rglage automatique de la tension...37

    1)

    Rglage primaire de tension.38

    2)

    Rglage secondaire de tension..38

    3) Rglage tertiaire de tension..38

    4) Les rgleurs automatiques en charge38

    V. Qualit de lnergie lectrique....38

    A. Dfinition..38

    B. Les niveaux de perturbations admissibles39

    VI. Conclusion..39

    Chapitre 3. Impact de lolien sur les rseaux lectriques et perspectives dune

    meilleure intgration

    I.

    Introduction.40

    II. Problmes induits par lintgration des gnrateurs oliens dans les rseaux40

    A. Effets sur la puissance..40

    B. Effets sur la tension..41

    C. Effets sur le plan de protection....42

    D. Effets sur les puissances de court circuit......42

    E. Capacit daccueil du rseau public de transport....43

    F.

    Prvision de la production44

    G. Dconnexions intempestives45

    H.

    Effets sur la frquence du rseau46

    III.

    Contraintes de raccordement des installations de production aux rseaux

    lectriques..47

    A. Introduction47

    B. Contraintes de raccordement sur le rseau public HTA..48

    1)

    La puissance de court circuit48

    2) Rglage de tension48

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    3) Production ou absorption dnergie ractive...48

    4)

    Signaux tarifaires..49

    5)

    Qualit de londe lectrique..49

    6) Couplage des installations de production au rseau....50

    7) Mise la terre des installations de production.50

    8) Protection du systme lectrique..50

    9) Participation la reconstitution du rseau50

    10)

    Le programme de fonctionnement des installations de

    production.50

    C. Contraintes de raccordement sur le rseau public de transport.51

    1) Rglage de la tension51

    2) Rglage de la frquence52

    3) Couplage et perturbations52

    IV. Perspectives dune meilleure intgration des gnrateurs oliens..........53

    A. Position du problme.53

    B. Possibilit daugmentation du taux de pntration53

    C. Possibilit damlioration de lintgration de lolien.55

    V.

    Conclusion..56

    Conclusion de la premire partie57

    Deuxime partie : Systme de gnration base dolienne et de stockage inertiel dnergie

    pouvant participer aux rglages du rseau.

    Introduction de la deuxime partie58

    Chapitre 4. Le gnrateur olien

    I. Introduction.60

    II.

    Modlisation60

    A.

    Le vent..60

    B.

    La turbine olienne61

    1) Hypothses simplificatrices...61

    2) Equations de la turbine61

    C.

    Larbre mcanique..61

    D. La machine synchrone62

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    vii

    E. Le convertisseur..63

    F.

    Reprsentation Energtique Macroscopique (REM) du gnrateur

    olien..64

    III. Commande du gnrateur olien...64

    A. Structure et principe de la commande64

    B. Commande de la vitesse de la turbine.67

    C. Commande de la machine synchrone...68

    1)

    Principe.68

    2)

    Rgulation des courants68

    3) Dtermination des tensions de rfrence et des signaux de

    commande.70

    IV. Simulation du gnrateur olien...71

    V. Conclusion72

    Chapitre 5. Le systme de stockage inertiel

    I. Introduction.73

    II. Modlisation73

    A.

    Le volant dinertie73

    B.

    La transmission mcanique74

    C. La machine asynchrone75

    D. Le convertisseur...76

    E. REM du systme de stockage...76

    III. Commande..77

    A. Structure et principe de la commande77

    B. Loi de dfluxage: rd-ref= f () 80

    C.

    Rgulation du flux rd82

    D. Rgulation des courants83

    E.

    Dtermination des tensions de rfrence84

    IV.

    Simulation du systme de stockage.85

    V.

    Conclusion86

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    Chapitre 6. Linterface de raccordement au rseau

    I.

    Introduction.87

    II.

    Modlisation87

    A. le bus continu87

    1) Modlisation.87

    2) Calcul de la tension du bus continu..88

    3) Calcul de la capacit.90

    A.

    Le Convertisseur...91

    B.

    Le Filtre LCL92

    1) Modlisation du filtre...92

    2) Calcul du Filtre LfCf.93

    C. Reprsentation Energtique Macroscopique de linterface rseau..96

    D. Le rseau...96

    1) Source frquence constante...96

    2) Source frquence variable.....................................................97

    3) Impdance amont.99

    4) Transformateurs99

    5)

    Jeu de barres100

    6)

    Interrupteur..100

    7) Ligne100

    8) Charge100

    9) Mesures100

    III. Commande de linterface rseau101

    A. Principe.101

    B. Rgulation du bus continu...102

    C.

    Rgulation des tensions aux bornes des condensateurs..106

    D. Dtermination des tensions de rfrence.110

    1)

    Principe dlaboration des tensions de rfrence..110

    2)

    Principe du rglage de puissance active dlivre...112

    3)

    Principe du rglage de la tension au point de connexion ..115

    IV. Simulations116

    A. Sur rseau de puissance infinie....116

    B.

    En rseau spar sur charge quilibre 200 kW 50 kVAR.117

    C. En rseau spar sur charge dsquilibre 200 kW...119

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    V. Conclusion.120

    Conclusion de la deuxime partie121

    Troisime partie : Simulation et Exprimentation du systme de gnration base

    dolienne intgrant du stockage inertiel dnergie.

    Introduction de la troisime partie123

    Chapitre 7. Intgration et stratgies de supervision du systme de gnration dans

    un rseau lectrique

    I. Introduction..124

    II. Superviseurs du systme de gnration..125

    A. Superviseur 1..125

    1) Principes gnraux125

    2) Rseau 1...126

    a) Configuration.126

    b) Simulations.128

    3)

    Rseau 2...133

    a)

    Configuration133

    b) Simulations.134

    4) Rseau 3..135

    a) Configuration.135

    b) Simulations..136

    5) Conclusion...139

    B. Superviseur 2..140

    1)

    Principes gnraux...140

    2) Rseau 1...142

    a)

    Configuration.142

    b)

    Simulations142

    3)

    Conclusion...145

    C. Superviseur 3..145

    1) Principes gnraux145

    2)

    Rseau 1...146

    a) Configuration.146

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    b) Simulations.147

    3)

    Conclusion...150

    III.

    Conclusion 151

    Chapitre 8. Emulateur temps rel dun systme de gnration base dun

    gnrateur olien et dun stockage inertiel dnergie.

    I.

    Introduction.152

    II.

    Prsentation de la plate- forme dessais..153

    A. Emulateur de Turbine Eolienne : ETE...153

    B. La Machine Synchrone Aimants Permanents : MSAP.154

    C. Le Systme Inertiel de Stockage dEnergie : SISE154

    D. La connexion au rseau : CAR...154

    III. LEmulateur Eolien.154

    A.

    Modle..154

    B.

    Commande...156

    C. Rsultats exprimentaux..156

    IV. La Machine Synchrone Aimants Permanents.158

    A.

    Modle...158

    B. Commande...158

    C. Rsultats exprimentaux...158

    V. Le Systme Inertiel de Stockage dEnergie.160

    A. Modle160

    B. Commande.160

    C.

    Rsultats exprimentaux.161

    VI.

    La Connexion Au Rseau : CAR.162A. Implantation162

    B. Rsultats exprimentaux.163

    1) Essai en lot, charge quilibre..163

    2) Essai en lot, charge dsquilibre..166

    VII. Conclusion167

    Conclusion de la troisime partie.168

    Conclusion gnrale et perspectives..169

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    Bibliographie.171

    Annexe A : Le Rseau lectrique franais..185

    Annexe B : Donnes du systme de gnration...195

    Annexe C : Modlisation des convertisseurs...200

    Annexe D : La Reprsentation Energtique Macroscopique (REM).207

    Annexe E : Le Graphe Informationnel Causal (GIC)..209

    Annexe F : La logique floue.212

    Annexe G : Donnes de la plateforme exprimentale..215

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    Avant propos

    Le travail prsent dans ce mmoire a t effectu au Laboratoire dElectrotechniqueet dElectronique de Puissance (L2EP) de Lille dans les locaux de lcole des Hautes Etudes

    dIngnieur (HEI) dans le cadre de mes activits de recherche en tant quEnseignant

    Chercheur de cet tablissement denseignement suprieur priv. Il conclut quatre annes de

    recherche au sein de lquipe Rseaux Electriques et Systmes Energtiques (RESE) dont il

    convient de rappeler le contexte.

    Les premiers travaux HEI sur lolien dbutent avec la socit JEUMONT

    INDUSTRIES ds 1998. La mme anne, la socit NORELEC situe Verquin, devenue

    entre temps FORCLUM INGENIERIE, pose le problme de laugmentation du taux de

    pntration des oliennes vitesse fixe dans les sites isols o les gnrateurs oliens sont

    souvent associs des groupes lectrognes. Pour accrotre ce taux de pntration il a tpropos de lisser la puissance gnre par les oliennes par lajout dun systme de stockage

    court terme trs dynamique et par le dveloppement dune stratgie de commande de

    lensemble olienne systme de stockage. Cette problmatique dboucha alors sur un projet

    de recherche, associant Norelec au L2EP, financ par la rgion Nord Pas de Calais dont le

    potentiel olien est consquent. Depuis, plusieurs travaux, visant augmenter le taux de

    pntration des gnrateurs oliens dans les rseaux lectriques ont t lancs et notamment le

    dveloppement dun banc dessais simulant un systme de gnration base dun gnrateur

    olien associ du stockage inertiel dnergie dans le cadre de travaux de recherche raliss

    par des tudiants dHEI ( travers des financements de la part de FORCLUM INGENIERIE

    qui continuent de nos jours), des enseignants chercheurs ainsi que des doctorants,

    permettant dtudier diffrentes commandes de ce systme et les diffrentes connexions au

    rseau (fonctionnement en source de courant travers un filtre inductif L ou fonctionnement

    en source de tension travers un filtre inductif et capacitif LC). Les objectifs de ces derniers

    sont dtudier la possibilit, pour des fermes doliennes, de participer aux rglages du rseau

    comme pourraient le faire les centrales classiques (thermiques classiques et nuclaires ou

    centrales hydrauliques).

    Dans le mme temps sest mis en place dans la rgion Nord Pas de Calais, le Centre

    National de Recherche Technologique (CNRT) en Gnie Electrique ayant comme thmatique

    Les rseaux et les machines lectriques du futur . Dans cette mise en place, le L2EP a pris

    une place significative dans les collaborations avec deux laboratoires rgionaux (LSEE etLME), et plusieurs partenaires industriels : le groupe Suez (Tractebel, Laborelec), EDF,

    Alstom Transport, Valo, Hispano Suiza et dernirement le RTE. Sept projets de recherche

    ont alors vu le jour : de Futurelec 1 7. Ce contexte a amen une restructuration au L2EP par

    la cration de lquipe RESE en mars 2002 dont lun des principaux axes de recherche est

    lintgration de la production dcentralise dans les rseaux lectriques.

    Enfin, le travail de ce mmoire fait suite deux autres travaux au sein du laboratoire :

    - Apport du stockage inertiel associ des oliennes dans un rseau

    lectrique en vue dassurer des services systmes [LEC04a];

    - Systme inertiel de stockage dnergie associ des gnrateurs oliens

    [CIM05].

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    Introduction gnrale

    2

    Introduction gnrale

    Le travail dvelopp dans ce mmoire concerne la production dcentralise

    dlectricit laide de lnergie olienne et plus particulirement lamlioration de linsertionde ce type de source dans le rseau lectrique.

    Il y a 2600 ans, lhomme utilisait dj lnergie olienne pour la transformer en

    nergie mcanique. Cette application tait utilise pour faire avancer les bateaux, pomper de

    leau ou moudre du grain. La transformation en nergie lectrique ne dbute quau 19ime

    sicle. Ce nest vritablement quen 1891 que lon trouve les premiers anctres des oliennes

    actuelles. Pendant la priode 1920 1961, des oliennes de puissance comprise entre 100 kW

    et 1MW montrrent leur fiabilit et eurent un certain succs. A la fin de cette priode leur

    dveloppement fut stopp en raison dune concurrence dloyale avec les nergies primaires

    fossiles : le cot du kWh thermique tait bien meilleur march que celui de lolien. Lhistoire

    des oliennes reprend partir doctobre 1973, lors du premier choc ptrolier [CUN01].A lafin des annes 1990, la production mondiale dlectricit olienne natteint que 10 TWh.

    Lessor des oliennes dbute vritablement de nouveau quen dcembre 1997 lors de la

    confrence de Kyoto qui dbouche sur les accords du mme nom : une partie des pays

    industrialiss sengage rduire leurs missions de gaz effet de serre lhorizon 2010.

    En septembre 2001, dans une directive, lEurope sengage produire 22% de son

    lectricit grce aux nergies renouvelables dici 2010 [DIR01]. Des objectifs atteindre sont

    alors fixs pour chacun des tats membres. La France, quant elle, doit produire 21% de son

    lectricit grce aux nergies renouvelables dici 2010. En 2006, la part de production

    dlectricit en France par Energies renouvelables tait denviron 12% (11% dhydraulique et

    1% autres : olien, solaire, biomasse, gothermie). Pour augmenter la part des nergies

    renouvelables, la France ne pourra plus compter sur lhydraulique puisque son potentiel estdj utilis plus de 90%. Or, la France possde le deuxime gisement olien en Europe avec

    une possibilit de 70 TW onshore et 90 TW offshore. De nos jours, elle ne tire que peu de

    MW du vent (2000 MW de puissance installe prvue fin 2007). Pour participer lobjectif

    de 21%, il faudrait installer en olien 10 000 MW [EDF00]. Par consquent, au niveau

    national, de nombreuses mesures incitatives ont t mises en place :

    - Lobligation faite EDF dacheter llectricit produite par les fermes oliennes

    [DEC00] [SYS06],

    Puissance installe du parc Infrieure ou gale 12 MW Suprieure 12 MW

    Avant le 14/07/05 Bnficient de lobligation

    dachat

    Ne bnficient pas de

    lobligation dachat

    Du 14/07/05 au 14/07/07 Bnficient de lobligation

    dachat

    Bnficient de lobligation

    dachat uniquement dans les

    ZDE

    Aprs le 14/07/07 Bnficient de lobligation dachat uniquement dans les ZDE

    ZDE : Zone de dveloppement de lolien. Territoire dfini par les communes ou

    communauts de communes concernes.

    - Larrt dun tarif olien qui permettra de vendre le kWh un prix attractif

    [ARR01a],

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    Introduction gnrale

    3

    - La libralisation du march de llectricit : EDF nest plus le seul fournisseur

    [LOI00].

    De plus la France va bnficier des derniers modles de turbines oliennes dont la gamme de

    puissance stend de 750 kW 4,5 MW.

    Mais en Janvier 2004, le constat tombe lors dune confrence Europenne Berlin :Lobjectif Europen de 22% en 2010 ne pourra tre atteint et doit tre report en 2020.

    Dclaration conforte quelques semaines plus tard par la France. Les Raisons invoques en

    France : retards administratifs, capacit du rseau [SYS04].. Le 10 janvier 2007, la

    commission Europenne prsente un nouveau plan dactions pour la rduction des gaz effets

    de serre. Nanmoins dans le futur, le rseau Europen est appel vivre avec plusieurs

    milliers de MW dolien.

    Or la prolifration des centrales oliennes en Europe dans les prochaines annes sur le

    rseau lectrique posera des problmes. Ils vont concerner la structure de la centrale olienne

    (commande, configuration) mais galement dici quelques annes la gestion, voire la structure

    des rseaux dnergie. Le problme majeur associ aux centrales oliennes est quelles neparticipent, en gnral, pas aux services systme (rglage de la tension, de la frquence,

    possibilit de fonctionner en lotage).

    Elles posent notamment un certain nombre de problmes au niveau de leur intgration dans

    les rseaux :

    -

    production alatoire et difficilement prvisible,

    - absence de rglage frquence puissance,

    -

    rglage de tension limit,

    - sensibilit aux creux de tension,

    - sensibilit importante aux variations de la vitesse du vent.

    Le fait de ne pas participer aux services systme amne ce type de source se comporter

    comme des gnrateurs passifs du point de vue lectrique. Le rglage de la tension et de la

    frquence est ds lors report sur les alternateurs classiques. Le taux de pntration de la

    production dcentralise doit alors tre limit ( 20 ou 30% de la puissance consomme

    daprs certains retours dexprience) afin de pouvoir garantir la stabilit du rseau dans des

    conditions acceptables. Augmenter le taux de pntration de lolien sera donc possible si ce

    type de source :

    - participe la gestion du rseau (services systme, dispatchabilit),

    - peut fonctionner en lotage,

    -

    prsente une disponibilit accrue malgr limprvisibilit de la source primaire

    dnergie.Il est actuellement envisageable datteindre ces objectifs :

    - en utilisant les possibilits offertes par llectronique de puissance (oliennes vitesse

    variable),

    -

    en dveloppant de nouvelles stratgies de commande et de supervision,

    - en imaginant des structures adaptes de centrales oliennes,

    - en dveloppant le stockage dnergie court et long termes.

    Dans ce travail, une solution pour que des systmes de gnration, base dolienne

    associe du stockage inertiel dnergie, puissent participer aux rglages du rseau est

    prsente. Il comporte trois parties.

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    Introduction gnrale

    4

    La premire partie traite des gnrateurs oliens et des rseaux lectriques. Elle est divise

    en trois chapitres. Le chapitre 1 prsente un tat de lart des gnrateurs oliens les plus

    couramment connects au rseau lectrique franais. Le chapitre 2 prsente le systme

    lectrique franais et son exploitation. Le chapitre 3 rsume les problmes dintgration de

    lolien dans les rseaux.

    La seconde partie prsente le systme de gnration propos pouvant participer au rglage

    de la tension, contribuer au rglage de la frquence et fonctionner en lotage. Sa modlisation

    et sa commande y sont dveloppes. La structure prsente se compose dun gnrateur olien

    associ un systme de stockage inertiel qui se comporte comme une source de tension

    laide dune rgulation utilisant des correcteurs rsonnants. Cette section est divise en trois

    parties. Le chapitre 4 prsente le gnrateur olien. Le chapitre 5 traite du systme de

    stockage inertiel. Le chapitre 6 dveloppe linterface de raccordement au rseau du systme

    de gnration.

    La troisime partie prsente des rsultats numriques et exprimentaux de la configuration

    retenue pour le systme de gnration. Elle est dcompose en deux chapitres. Le chapitre 7illustre, laide de simulations numriques ralises laide du logiciel Matlab Simulink, le

    comportement du systme de gnration connect diffrentes topologies de rseau.

    Diffrents superviseurs permettant de grer ltat du stockage inertiel en tenant compte de la

    puissance dbite par le gnrateur olien sont proposs. Lobjectif de cette gestion est de

    disposer dune rserve dnergie lors dune sollicitation du rseau (passage dun

    fonctionnement en rseau connect un fonctionnement en lot, participation ventuelle au

    rglage primaire de frquence..). Les actions dun superviseur simplifi, dvelopp dans de

    prcdents travaux [LEC04a], et de superviseurs proposs dans ce travail, utilisant la logique

    floue, sont illustres et compares. Le chapitre 8 prsente des rsultats exprimentaux de la

    configuration retenue, obtenus au moyen dun banc dessais de 3 kW, qui permettront de

    valider le fonctionnement du systme propos en fonctionnement lot sur charge quilibre et

    dsquilibre.

    Enfin le mmoire se termine par une conclusion et des perspectives.

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    5

    Premire Partie

    Eolien et rseaux lectriques

    Introduction - Lobjectif de cette partie est de prsenter les problmes lis aux

    raccordements de fermes doliennes aux rseaux lectriques. Elle permettra de mieux

    comprendre lintrt pour les fermes oliennes de participer aux services systme ainsi que le

    choix de la configuration du systme de gnration qui sera dveloppe dans les prochains

    chapitres. Nous prsenterons tout dabord dans un premier chapitre les oliennes les plus

    souvent raccordes aux rseaux lectriques, leur fonctionnement et capacit participer aux

    services systme. Un type de gnrateur olien sera alors retenu pour notre systme de

    gnration. Ensuite dans un second chapitre seront prsents lorganisation et le

    fonctionnement des rseaux lectriques. On y dveloppera notamment de quelle faon les

    gestionnaires assurent la stabilit du rseau. Il nous permettra de dfinir les services que devra

    apporter le systme qui est la base de ce mmoire. Enfin, le troisime chapitre finalise cette

    premire partie en traitant de limpact de lolien sur les rseaux. Il nous permettra davoir

    une vision des perturbations dues aux gnrateurs oliens dans la gestion des rseaux.

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    6

    Chapitre 1

    Technologies des oliennes de grande puissance

    I. Introduction

    Aujourdhui, on peut recenser deux types doliennes raccordes sur les rseaux

    lectriques : les oliennes vitesse fixe constitues dune machine asynchrone cage

    dcureuil et les oliennes vitesse variable constitues dune machine asynchrone double

    alimentation ou dune machine synchrone aimants permanents. Ces dernires sont

    principalement installes afin daugmenter la puissance extraite du vent ainsi que pour leurs

    capacits de rglage.

    Le principe de fonctionnement de ces oliennes a t largement prsent ces dernires

    annes dans plusieurs travaux [ACK05] [FRA05a] [HEI06] [LAR05] [LAV04] [LEC01]

    [MAN05] [MUL04] [PAL05] [POL05] [RAI02] [ROB06] [ROG04] [SAB06a] [TOU00].

    Dans ce chapitre, nous rappellerons le principe de fonctionnement et les capacits de rglage

    des trois technologies doliennes de grande puissance les plus couramment installes.

    II. Principe de fonctionnement dune olienne

    A. Description

    Fig.1.1. Schma dune olienne.

    De nos jours les oliennes les plus couramment utilises ont un axe horizontal et sont

    constitues [TOU00]:

    - dun mat ;- de trois pales ;- ventuellement, selon le type, dun rducteur de vitesse ;

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    7

    - dune gnratrice lectrique ;- dune interface, gnratrice rseau lectrique, qui diffre selon les modles.

    B. Conversion de lnergie cintique du vent en nergie lectrique [TOU00]

    Lnergie cintique du vent est capte par les pales afin de la transformer en nergie

    mcanique. La transformation de cette dernire en nergie lectrique est assure par ungnrateur lectrique de type synchrone ou asynchrone.

    Fig.1.2. Principe de conversion de lnergie dans une olienne.

    C. Puissance extraite du vent

    La puissance mcanique qui peut tre extraite du vent se dtermine au moyen delexpression suivante [COU02] [ROB06]:

    32 ),(..2

    1vCRP ptt =

    (1.1)

    O est la masse volumique de l'air en kilogrammes par mtre cube (Kg.m-3), Rtest le rayon

    de la turbine (ou longueur dune pale) en mtre (m), vla vitesse du vent en mtre par seconde

    (m.s-1) et Cp, le coefficient de puissance. Ce coefficient, correspondant au rendement

    arodynamique de la turbine, a une volution non linaire en fonction du ratio de vitesse, :

    v

    R tt = (1.2)

    O test la vitesse mcanique de la turbine en radians par seconde (rad.s-1).

    La caractristique du coefficient de puissance varie avec langle dorientation des

    pales () et le ratio de vitesse (). La relation (1.1)montre quune petite variation de la vitesse

    du vent induit () une grande variation de la puissance gnre (Pt).

    Fig. 1.3. Exemple de variation du coefficient de puissance en fonction de langle dorientation des pales et duratio de vitesse [HAU00].

    Energie cintique du ventEnergie

    mcaniqueEnergie lectriqueEnergie cintique du vent

    Energie

    mcaniqueEnergie lectrique

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    8

    On peut remarquer sur la Fig. 1.3 que le coefficient de puissance passe par un maximum pour

    un angle de calage gale -2 et une valeur particulire du rapport de vitesse que lon appelle

    opt. Pour diffrentes valeurs de langle dorientation des pales, il existe une valeur de

    appele opt pour laquelle on a coefficient de puissance Cp maximale, et par voie de

    consquence une puissance capte maximale. Il est alors possible dlaborer des lois de

    commande qui permettent de capter la puissance maximale quelque soit la vitesse du vent

    jusqu la puissance nominale de la gnratrice o la puissance extraite est limite cettevaleur [TOU00].

    Dans la littrature, des expressions approches du coefficient de puissance pour les

    turbines des oliennes vitesse fixe (1.3) et vitesse variable (1.4)sont proposes [SLO03a]:

    ieCi

    p

    5.16

    )94,6125

    (44,0),(

    = (1.3)

    avec

    1

    002,01

    1

    3

    +

    +

    =

    i

    ieCi

    p

    4,18

    14,2 )2,13.002,0.58,0151

    (73,0),(

    = (1.4)

    avec

    1

    003,0

    .02,0

    1

    1

    3+

    +

    =

    i

    Cependant, pour la modlisation des turbines oliennes, il est plus ais dutiliser le coefficientde couple Cmafin davoir un gnrateur de couple mcanique et non plus de puissance qui

    sera coupl un gnrateur lectrique (utilisation de lquation mcanique des couples pour la

    modlisation).

    Le couple mcanique produit par la turbine sexprime de la faon suivante [COU02]:

    ),(.....2

    1 23 mtt

    tt CvR

    PT =

    = (1.5)

    On appelle coefficient de couple :

    p

    m

    CC = (1.6)

    Son volution est non linaire comme illustr la Fig. 1.4. Il peut tre explicit partir du

    coefficient de puissance :

    2...2

    1v

    tRS

    tTp

    C

    mC

    == (1.7)

    S : Surface balaye par les pales [m2].

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    9

    MultiplicateurMachine asynchroneA cage

    v

    Turbine

    Transfor

    mateur

    deraccordement

    ac 50 Hz

    Compensation de ractif

    Fig. 1.4. Exemple de variation du coefficient de couple en fonction de langle dorientation des pales et du ratio

    de vitesse [HAU00].

    III. Les Eoliennes vitesse fixe [LEC04a] [POI03]

    Les premires oliennes de grande puissance mises en uvre reposent sur lutilisation

    dune machine asynchrone cage directement couple sur le rseau lectrique (Fig. 1.5).

    Cette machine est entrane par un multiplicateur et sa vitesse est maintenue

    approximativement constante par un systme mcanique dorientation des pales (pitch

    control). La machine fonctionne alors en hypersynchronisme c'est--dire une vitesse s(1-g)

    avec s vitesse de synchronisme (souvent Ns= 1500 trs.min-1) et g le glissement, avec g

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    10

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    0 5 10 15 20 25 30

    Vitesse de vent (m/s)

    Puissance(kW)

    Courbe mesure

    Courbe thorique

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    0 50 100 150 200 250 300temps (s)

    Puissance(kW)

    olienne soumise un vent moyen de 12 m/s. Cet enregistrement, qui illustre le caractre trs

    fluctuant de la puissance gnre par ce type dolienne, montre que cette puissance peut

    subir des variations de plus de 100 kW en 3 secondes et que la puissance nominale peut tre

    dpasse de plus de 10 %. Ce type dolienne noffre donc quasiment pas de possibilit de

    rglage de la puissance gnre, dautant plus que la connexion directe au rseau dune

    gnratrice asynchrone ncessite lajout de bancs de condensateurs afin de limiter la

    puissance ractive appele ce rseau.Certaines oliennes de ce type sont quipes dun systme dcrochage

    arodynamique des pales (stall control). Laugmentation de la vitesse du vent saccompagne

    automatiquement dune diminution de langle de calage afin de permettre le dcrochage

    arodynamique de la turbine aux vitesses du vent plus grandes que la vitesse nominale

    appele Passive Stall . La puissance capte est alors rduite. La structure du rotor de la

    turbine est ainsi plus simple, mais les possibilits de rglage de la puissance sont encore plus

    limites. Une solution intermdiaire appele active stall a galement t dveloppe. Elle

    garde les avantages du systme stall (dcrochage arodynamique des pales) tout en

    intgrant un systme dorientation des pales simplifi. Les possibilits de rglages de la

    puissance gnre par ce type dolienne restent toutefois marginales [ROB06].

    Fig. 1.6. Caractristique de rglage dune olienne vitesse fixe de 300 kW.

    Fig. 1.7. Exemple de puissance gnre par une olienne vitesse fixe de 300kW.

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    11

    IV. Les Eoliennes vitesse variable

    A. Type Machine Asynchrone Double Alimentation (MADA) [CAM03][ELA04] [ELM06] [IOA05]

    Sur la caractristique en puissance dune turbine (Fig. 1.8), le lieu du point

    reprsentant le maximum de la puissance convertie (reprsent par la courbe en pointills)peut tre obtenu et parcouru en adaptant la vitesse de la turbine (courbe paisse). Ainsi, afin

    de maximiser la puissance convertie, la vitesse de la turbine doit donc tre adapte par rapport

    la vitesse du vent. Cest pourquoi les oliennes de forte puissance raccordes aux rseaux

    moyenne et haute tension fonctionnent de plus en plus frquemment vitesse variable. Les

    principaux avantages des oliennes vitesse variable compars aux gnrateurs vitesse fixe

    sont les suivants :

    - Elles augmentent la plage de fonctionnement, notamment pour les faibles vitesses de vent

    o le maximum de puissance est converti. Indirectement la disponibilit et la puissance

    gnre du systme sont augmentes.

    - Elles ncessitent un systme dorientation des pales simplifi. En effet, la possibilit decontrler la vitesse du gnrateur via le couple lectromagntique permet de rduire le rle du

    systme dorientation des pales, qui interviendra essentiellement pour limiter la vitesse de la

    turbine et la puissance gnre en prsence de vitesses de vent leves. En consquence, pour

    de faibles vitesses de vent, langle dorientation des pales devient fixe.

    - Elles rduisent les efforts mcaniques de par le fait que lors de variations du vent, la

    vitesse de la turbine est adapte. L "lasticit" ainsi cre permet damoindrir lincidence des

    rafales de vent sur la puissance gnre pour ce domaine de fonctionnement.

    - Elles rduisent le bruit lors des fonctionnements faible puissance car la vitesse est alors

    lente.

    - Elles permettent une meilleure intgration de lolienne dans le rseau lectrique.

    P

    Pn

    1

    0.5

    0.75

    0.25

    1 5 8

    14m/s

    12m/s

    10m/s

    8m/s

    6m/s

    Lieu des maxima

    Courbe de rglage

    v

    R tt= .

    Fig. 1.8. Exemple de caractristique de rglage de la vitesse.

    Fig. 1.9. Eolienne vitesse variable base sur une machine asynchrone double alimentation.

    BaguesBalais

    Onduleu

    ML

    ac 50 Hz

    Fr

    quence variable (ac)

    Machine Asynchrone

    Double Alimentation

    v

    BaguesBalais

    Onduleu

    MLI

    ac 50 Hz

    Fr

    quence variable (ac)

    OnduleurMLI

    Transformateurde raccordement

    Multiplicateur

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    12

    Pour les gnrateurs base de machine asynchrone, la diffrence entre la vitesse

    mcanique, , et la vitesse dite synchrone (impose par la frquence du rseau), s, est

    dfinie par le glissement :

    s

    sg

    = (1.8)

    Le glissement est fonction de la rsistance que prsente le circuit rotorique. Ainsi,

    pour les machines circuit rotorique bobin, une faon de rendre variable la vitesse

    mcanique de ce gnrateur est de rendre variable le glissement en modifiant la rsistance du

    circuit rotorique. Plutt que de dissiper cette puissance, il est beaucoup plus intressant de la

    renvoyer sur le rseau au moyen de deux convertisseurs dlectroniques de puissance relis

    par un bus continu (Fig. 1.9). Le circuit rotorique est rendu accessible grce un systme de

    balais-bagues. En consquence, la puissance transitant travers le circuit rotorique est rendue

    variable et deux fonctionnements peuvent tre distingus. Si la vitesse mcanique est

    suprieure la vitesse synchrone (g < 0, >s), un fonctionnement hypersynchrone est

    obtenu pour lequel la puissance est extraite du circuit rotorique et est envoye sur le rseau

    travers les convertisseurs de puissance. Sinon (g > 0,

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    13

    0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-200

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    1600simulationmesure

    simulationmesure

    Vitesse mcanique (tr/mn)

    Puissance lectrique (kW)

    Zone 1 :Dmarrage

    zone 2 :MPPT

    Zone 3 :Vitesse constante

    Zone 4 :Puissance constante

    Fig. 1.10. Zones de fonctionnement caractristiques dune olienne vitesse variable base sur une machineasynchrone double alimentation.

    Le contrle de la puissance gnre peut donc tre ralis en agissant sur lorientation

    des pales, mais aussi en contrlant le couple de la gnratrice asynchrone au moyen du

    convertisseur de puissance connect au rotor de celui-ci. Le contrle de la puissance gnre

    est ds lors nettement plus prcis comme illustr sur la caractristique puissance-vitesse du

    vent mesure la Fig. 1.11, comparer aux mesures ralises sur une olienne vitesse fixe

    (Fig. 1.6). La Fig. 1.12 reprsente la puissance gnre par lolienne sur un intervalle de 10h

    alors quelle est soumise un vent variant entre 2 et 16 m/s. On peut remarquer que la

    puissance maximale nest pas dpasse.

    Il existe galement une technologie dolienne base sur une gnratrice asynchrone

    rotor bobin dans laquelle les bobinages rotoriques sont relis une rsistance de dissipation

    via un redresseur thyristor. Cette structure simplifie permet un rglage limit de la vitesse,

    offre peu de possibilit de rglage de la puissance gnre et prsente un rendement moindre

    sur la plage de fonctionnement [ACK05] [LAV04].

    -200

    0

    200

    400

    600

    800

    10001200

    1400

    1600

    1800

    0 5 10 15 20

    vent (m/s)

    Puissance(kW)

    Fig. 1.11. Puissance totale gnre mesure sur une olienne vitesse variable de 1,5 MW en fonction de la

    vitesse du vent.

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    14

    0 2 4 6 8 1 0-200

    0

    20 0

    40 0

    60 0

    80 0

    1 0 0 0

    1 2 0 0

    1 4 0 0

    1 6 0 0 P u i s s anc e l c t r ique ( k W )

    t em ps (heu re )

    Fig. 1.12. Enregistrement de la puissance lectrique gnre par une olienne vitesse variable de 1,5 MW.

    B. Type Machine Synchrone Aimants Permanents (MSAP) [ELM06] [LEC04a]

    Les oliennes bases sur une gnratrice asynchrone rotor bobin prsentent

    linconvnient de ncessiter un systme de bagues et de balais et un multiplicateur, induisantdes cots significatifs de maintenance en particulier pour les projets off-shore situs en

    milieu salin. Pour limiter ces inconvnients, certains constructeurs ont dvelopp des

    oliennes bases sur des machines synchrones grand nombre de paires de ples et couples

    directement la turbine, vitant ainsi le multiplicateur. Si de plus la gnratrice est quipe

    daimants permanents, le systme de bagues et de balais est limin. Linconvnient de cette

    structure, reprsente la Fig. 1.13, est quelle ncessite pour sa connexion au rseau de

    convertisseurs de puissance dimensionns pour la puissance nominale de la gnratrice. Cet

    inconvnient est cependant un avantage du point de vue du contrle de lolienne. En effet,

    linterfaage avec le rseau peut tre entirement contrl via le convertisseur connect ce

    rseau, tandis que le convertisseur connect la gnratrice permet de contrler la puissancegnre par celle-ci en limitant le pitch control une fonction de scurit par grand vent. La

    courbe de rglage de ce type dolienne est gnralement proche de celle prsente la Fig.

    1.11. De plus ce type de configuration permet dassurer un dcouplage entre le comportement

    du gnrateur olien (turbine + machine synchrone) et le comportement du rseau.

    Fig. 1.13. Eolienne vitesse variable base sur une machine synchrone grand nombre de paires de ples.

    Machine Synchrone

    Onduleur

    MLI

    Transformateurde raccordement

    ac 50 Hz

    Frquence

    variable (ac)

    Onduleur

    MLI

    v

    Turbine

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    15

    V. Synthse des diffrentes oliennes [LAV04] [POL05][SAB06a]

    Les tableaux 1.1 et 1.2 rappellent les diffrentes caractristiques des diffrentes oliennes.

    Type dolienne Avantages Inconvnients

    MAS

    Vitesse Fixe

    . Machine robuste

    . Faible cot

    . Pas dlectronique de puissance

    . Puissance extraite non optimise

    . Maintenance bote de vitesse

    . Pas de contrle de lnergie ractive

    . Magntisation de la machine impose

    par le rseau

    MADA

    Vitesse Variable

    . Fonctionnement vitesse variable

    . Puissance extraite optimise

    . Electronique de puissance

    dimensionne 30% de la puissance

    nominale

    . Machine standard

    . Connexion de la machine plus facile grer

    . Une magntisation de la machine

    gre en cas de dfaut sur le rseau

    . Maintenance boite de vitesse

    . Prix de llectronique de puissance.

    . Contrle commande complexe

    . Contact glissant bagues - balais

    MSAP

    Vitesse Variable

    . Fonctionnement vitesse variable sur

    toute la plage de vitesse

    . Puissance extraite optimise pour les

    vents faibles.

    . Connexion de la machine facile grer

    . Possibilit dabsence de boite de

    vitesse

    . Prix de llectronique de puissance

    . Machine spcifique

    . Grand diamtre de machine

    . Electronique de puissance

    dimensionne pour la puissance

    nominale de la gnratrice

    Tableau 1.1 Avantages et inconvnients des diffrentes oliennes.

    Type dolienne Interface rseau Moyen de

    contrle

    Fonctionnement

    possible

    Services systme

    MAS

    Vitesse Fixe

    . (Facultatif)

    . Gradateur

    . Bancs de

    condensateurs

    . Pitch control . Contrle P

    approximatif

    . Contrle Q

    approximatif si

    Condensateur

    NON

    MADA

    Vitesse Variable

    . Convertisseur

    lectronique AC /

    AC au rotor

    (AC/DC puisDC/AC)

    . Pitch control

    . Couple

    gnratrice

    . Contrle de P

    . Contrle de Q

    Participation limite

    au :

    . Rglage de la

    frquence. Rglage de la

    tension

    tant quil y a du vent

    MSAP

    Vitesse Variable

    . Convertisseur

    lectronique

    AC/AC au stator

    (AC/DC puis

    DC/AC)

    . Pitch control (ou

    stall)

    . Couple

    gnratrice

    . Contrle de P

    Contrle de Q

    . Fonctionnement

    en isol

    . Rglage de la

    frquence

    . Rglage de la

    tension

    . Ilotage

    tant quil y a du vent.

    Tableau 1.2 Capacits de rglage des diffrentes oliennes.

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    Chapitre 1. Technologies des oliennes de grande puissance

    16

    VI. Conclusion

    Dans ce chapitre, il a t prsent une synthse des diffrents types doliennes de

    grande puissance raccordes au rseau ainsi que leurs capacits de rglage. Les oliennes

    vitesse fixe permettent peu de rglage et fonctionnent comme des gnrateurs passifs. Les

    oliennes vitesse variable offrent plus de possibilits de rglage, mais ont un cot plus lev.

    Lolienne base dune machine synchrone aimants permanents offre des capacits quipourraient lui permettre de participer aux rglages du rseau dans certaines conditions de

    vent ; Ces capacits tant accrues en lassociant des systmes de stockage dnergie

    (supercondensateurs, stockage inertiel, systme multi sources..). Ce type dolienne est la

    base de ce travail et sera introduit dans la seconde partie. Dans le prochain chapitre sera dcrit

    le systme lectrique franais et son exploitation. Nous verrons pourquoi il est essentiel que

    des installations de production puissent participer aux rglages du rseau.

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    17

    Chapitre 2

    Le systme lectrique

    I. Introduction

    Pour bien estimer les enjeux lis linsertion des gnrateurs oliens dans les rseaux, il

    est important de comprendre les contraintes de fonctionnement de ces derniers. Ce travail

    sintressant aux fermes doliennes de plusieurs MW et leur participation aux services

    systme, seront seulement dvelopps, dans ce chapitre, les rgles de fonctionnement et le

    rglage du systme lectrique.

    En France, de la production la consommation, le rseau lectrique est organis en

    diffrents niveaux de tension (Fig. 2.1). En sortie des centrales de production (centrales

    thermiques classiques, nuclaires et hydrauliques) on trouve gnralement une tension qui se

    situe autour de 20 kV. Ds la sortie ce niveau est augment 400 kV laide dun

    transformateur lvateur. La raison de cette amplification rside dans le fait que pour transiter

    une puissance donne, si lon lve le niveau de tension, le courant en ligne est diminu. Cette

    consquence a pour effet de diminuer les pertes par effet Joule dans les lignes lectriques mais

    galement de minimiser la taille des ouvrages (section des lignes, supports). Ensuite

    lorsque lon se rapproche des lieux de consommation la tension est abaisse laide de

    transformateurs des niveaux de 225 kV puis 63 ou 90 kV. Cette partie du rseau lectrique

    constitue le rseau de transport dont les tensions font partie du domaine HTB (Un > 50 kV)

    (Cf. Annexe A). Quelques clients y sont raccords (P > 10 MW). Les rseaux de transport de

    chaque rgion sont interconnects formant ainsi le rseau dinterconnexion nationale (gr par

    le RTE : Rseau de Transport de lElectricit [RTE00] qui est lui mme interconnect aurseau lectrique Europen (gr par lUCTE : Union pour la Coordination du Transport de

    l'Electricit [UCT00]. Cest au niveau du rseau dinterconnexion que sont grs les flux

    dEnergie.

    Ensuite, au stade suivant de lacheminement de llectricit, on trouve le rseau de

    distribution publique (gr par EDF : Electricit De France [EDF00]) qui est compos du

    rseau lectrique HTA (1000 V < Un 50 kV) et du rseau lectrique BTA (50 V < U 500

    V) (Cf. Annexe A). Le rseau HTA, qui est un niveau de tension de 20 kV, alimente des

    postes privs dans une gamme de puissance de 250 kW 10 MW et des postes de distribution

    publique dans une gamme 160 kVA 1 MVA. Le rseau BTA, qui est un niveau de tension

    de 400 V, est ltape finale de lacheminent de llectricit. Il alimente les consommateurs de

    faibles puissances (< 250 kW).

    II. Le rseau de transport public franais

    Le rseau de transport de llectricit est organis en deux niveaux [RTE00]:

    - Le rseau grand transport : transport de llectricit sur de longues distances lchelle

    nationale ou europenne sous une tension de 400 kV (Fig. 2.2). Ses principales fonctions sont

    dassurer :

    . Lquilibre entre la production et la consommation lchelle du territoire

    national et de compenser les dsquilibres intra, interrgionaux et internationaux ;

    . Le secours mutuel entre pays interconnects ds que lun deux enregistre un

    dficit de production ou une consommation accrue, afin de limiter les risques de

    panne lectrique gnralise ;

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    18

    . Les changes dnergie sur lensemble du territoire franais et avec les pays

    voisins dans le cadre du march europen de llectricit.

    - Le rseau de rpartition : transport lchelle rgionale ou locale sous des tensions de 225

    kV (Fig. 2.2), 90 kV ou 63 kV pour les alimentations de postes sources ou des industriels.

    Le rseau de transport est fortement maill. Il est principalement constitu de lignes

    ariennes et de postes HTB qui permettent dabaisser la tension des niveaux infrieurs. On

    peut trouver quelques fois des cbles souterrains, des compensateurs statiques (compensation

    dnergie ractive) ou des transformateurs dphaseurs (pour permettre de grer le sens de la

    puissance active).

    Fig. 2.1. Organisation du rseau lectrique franais.

    Centrales de

    production

    20 kV

    400 kV 225 kV 90 kV

    20 kV 400 V / 230 V

    Clients Clients

    Clients Clients

    Interconnexionsavec les autres

    pays

    Productiondcentralise

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    19

    Fig. 2.2. Les rseaux 400 kV et 225 kV [RTE00].

    III. Description du systme [MEM04] [RTE00]

    Le systme lectrique regroupe lensemble des matriels dun rseau lectrique depuis

    les appareils de production jusquaux consommateurs (Fig. 2.3).

    Il est exploit par Rseau de Transport dElectricit (RTE), filiale du groupe Electricit De

    France (EDF), qui est le Gestionnaire du Rseau de Transport (GRT) franais. Cette entit a

    diffrentes missions [LOI00]. Les principales sont :

    - Garantir la sret de fonctionnement c'est--dire assurer le fonctionnementnormal du systme, limiter le nombre dincidents et viter les grands incidents

    ainsi que leurs consquences ;

    - Favoriser la performance conomique et louverture du march lectrique ;

    - Satisfaire les engagements contractuels.

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    20

    Fig. 2.3. Le systme lectrique.

    IV. Exploitation du systme

    A. Principes de la conduite du systme [PUR91]

    1)

    Organisation

    La taille et la complexit du systme lectrique justifient une organisation hirarchise

    des fonctions de surveillance et de commande qui implique quatre niveaux de conduite de

    RTE (Fig. 2.4).

    Des interlocuteurs extrieurs RTE, utilisateurs du rseau de transport, communiquent

    avec le dispatching afin de faire remonter des informations ou de raliser des actions

    permettant daider lexploitation du rseau : les consommateurs, les producteurs, les

    distributeurs et le dispatching des GRT des pays frontaliers. Les installations des utilisateurs

    du Rseau de Transport : producteurs (EDF, CNR, SNET, ...), consommateurs (SNCF, RATP,

    industriels, ...), distributeurs (EDF, ELD) communiquent avec les centres de conduite de RTE

    soit directement au niveau du site soit via des points de commande centralise.

    Par ailleurs, la ncessaire coordination entre les GRT europens pour grer les flux

    dnergie sur les lignes transfrontalires conduit au renforcement des communications en

    Interactions

    Centrales de production Matriels

    Les installations

    de consommation Les centres de conduite

    [RTE00]

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    21

    temps rel entre les dispatchings et lchange de tlinformations concernant les ouvrages

    de chaque pays impact par les volutions des flux sur les interconnexions.

    Lobjectif de cette organisation est de surveiller le fonctionnement du systme afin

    dannuler ou de limiter une dgradation majeure de celui ci.

    Niveau national

    Dispatching national : Le Centre National dExploitation du

    Systme (CNES)

    . Equilibre production consommation

    . Gestion du plan de tension

    . Gestion des changes aux frontires

    . Matrise des transits sur le rseau 400 kV

    Niveau rgional

    Sept Units Rgionales du Systme Electrique (URSE)

    . Surveillance des transits sur les rseaux 63kV, 90 kV et 225 kV

    et en appui du CNES sur le 400 kV

    . Matrise de la topologie du rseau HTB

    . Pilotage de la tension par zones

    . Surveillance des injections aux nuds lectriques du rseau

    Niveau intermdiaire

    Les groupements de postes

    . Surveillance et conduite des installations de transport

    . Fonctions de conduite la demande du dispatching rgional

    Niveau local

    Tout poste de transport

    . Surveillance et conduite en ultime recours ou pendant des travaux

    Fig. 2.4. Organisation de la conduite du systme [RTE00].

    2) Les causes de dgradation du systme [BOR00] [CLE00]

    [MEM04] [VAN07]

    Ils existent plusieurs facteurs lorigine du fonctionnement du systme en rgime

    dgrad :

    - Les carts de consommation par rapport la prvision de la veille en raison par exemple

    dun phnomne mtorologique non prvu (en hiver une chute de 1C entrane une hausse de

    la consommation de 1600 MW, en t une hausse de temprature de 1C au dessus de 25C

    peut entraner une augmentation de consommation de 600 MW) ;

    - Les phnomnes mtorologiques : Foudre, tempte, givre qui peuvent endommager les

    matriels ou perturber leur fonctionnement ;

    - Les pannes et agressions extrieures : dfaillances imprvisibles dun quipement ou

    matriel endommag par une action extrieure (pelleteuse, chute daronef..) ;

    - Les dysfonctionnements lis au facteur humain : par exemple une erreur de conduite du

    rseau (ouverture commande dappareils de coupure).

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    22

    Ces facteurs peuvent tre lorigine des vnements suivants [MEM04]:

    . Les surcharges en cascade

    Une ligne arienne est conue pour fonctionner en rgime normal avec des intensits

    bien plus faibles que les intensits maximales admissibles thermiquement ou

    gomtriquement par les conducteurs et ceci pour contenir les pertes par effet Joule unniveau conomiquement acceptable. Cet chauffement est donc en rgime normal au plus de

    lordre de quelques dizaines de degrs. Le courant de transit dans les ouvrages a t fix un

    seuil limite appel IMAP : Intensit Maximale Admissible en Permanence. Le transit de

    courant suprieur lIMAP de longue dure dans les conducteurs occasionne des

    chauffements, pouvant porter prjudice leur dure de vie, mais galement des allongements

    rduisant les distances disolement et occasionnant alors des risques pour les personnes et les

    biens (risques damorages) (Fig. 2.5) [ARR01b]. Pour viter de telle situation des

    protections dites de surcharge sont utilises sur le rseau de transport Franais. Avec ce type

    de protection louvrage concern ne dclenche pas instantanment. Il sera en fait dconnect

    aprs un temps donn qui est dpendant du niveau de surintensit (de 20 minutes quelques

    secondes). Dans une situation o le dispatcher (agent qui conduit le rseau) na pu trouverune parade pour diminuer la charge dun ouvrage au bout de cette dure, celui ci va

    dclencher et sa charge va se rpercuter sur dautres ouvrages (Fig. 2.6) qui pourront alors se

    retrouver en surcharge avec des temps impartis au niveau du dclenchement plus faible. La

    situation peut alors se dgrader en dautres dclenchements, de nouveaux reports de charge,

    de nouveaux ouvrages en surcharge : Cest le phnomne de surcharge en cascade. Un tel cas

    peut arriver lors de dclenchement brutal de ligne de transport, de groupe de production ou

    une volution de consommation qui entraine une charge trop leve au niveau des lignes.

    Flche

    Garde au sol oudistance d'isolement

    Fig. 2.5. Distance disolement.

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

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    Pays A Pays B

    Z

    Z

    Z

    Z

    P1

    P2

    P3

    P4

    Pays A Pays B

    Z

    Z

    Z

    P1+P4/3

    P2+P4/3

    P3+P4/3

    2

    3

    4

    1

    2

    3

    1

    Dclenchement de la ligne 4

    Fig. 2.6. Rpartition des puissances lors de la perte dun ouvrage.

    . Lcroulement de tension

    Les conducteurs utiliss pour le transport dnergie peuvent tre modliss de la faon

    la plus simple par une rsistance en srie avec une inductance (Fig. 2.7) :

    r xP, Q

    V1 V2 Zch~

    Fig. 2.7. Schma quivalent simplifi dune ligne.

    La circulation dun courant dans ce conducteur va crer une chute de tension V. Cette chute

    de tension peut tre exprime en fonction des puissances active et ractive qui transitent dans

    le conducteur soit :

    21

    2

    VVV

    xQrPV =

    + (2.1)

    On peut donc constater que la tension est dpendante des fluctuations de puissances et des

    valeurs dimpdances mises en jeu en fonction de lendroit o lon se trouve sur le rseau. La

    tension est donc une grandeur locale car elle diffre en tout point du rseau. Cette grandeur est

    donc rgle localement, souvent par zone sur le rseau, en produisant (groupes de production,

    condensateurs, FACTS) ou en absorbant lnergie ractive (inductances, FACTS) :

    Sur le rseau de transport x > > r, alors :

    21

    2

    VVV

    xQV = (2.2)

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    24

    Par consquent pour avoir un rglage optimal de la tension, il est ncessaire de

    produire suffisamment dnergie ractive dans chacune des zones de rglage. Un dficit

    dnergie dans une zone conduirait une circulation dnergie ractive avec les zones

    voisines et crer des chutes de tensions supplmentaires. Dans le cas o les zones voisines

    ne peuvent fournir ce surplus de puissance, la demande va stendre dautres zones,

    induisant ainsi dautres chutes de tensions supplmentaires et se propager sur lensemble du

    territoire (Fig. 2.8).

    Zone A Zone B

    Zone A Zone B

    QZB

    = QCB

    QZB

    > QCB

    QCB

    QCB

    PQ = 0

    PQ 0

    R X

    R X

    U1

    U2

    U1

    U2>

    Fig. 2.8. Circulation de lnergie ractive entre zones.

    QZB: Puissance ractive consomme dans la zone B ;

    QCB: Puissance ractive produite dans la zone B ;

    Ce phnomne peut tre accentu par les rgleurs en charge automatique des

    transformateurs qui modifient les prises de ces derniers pour garder la tension dans une plage

    contractuelle. Cela a pour effet de diminuer limpdance vue du rseau amont et donc

    daugmenter le courant absorb sur le rseau et de crer une augmentation de la chute de

    tension (Fig. 2.9) (2.3).

    I1 I2

    V1 V2Z

    ch2

    m

    X

    V20

    Fig. 2.9. Principe du rgleur en charge.

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    25

    Pour simplifier, si lon considre x = 0, alors :

    2

    1

    2

    2

    12

    2

    11 )(

    n

    n

    Z

    Vm

    Z

    VI

    chch

    == (2.3)

    Si la tension V1 chute alors pour garder la tension V2constante, il faut modifier le rapport de

    transformation1

    2

    n

    nm= . Comme 12 mVV = , il faut augmenter m et donc diminuer le nombre de

    spires primaires n1. Si m augmente alors I1augmente.

    Lorsque la tension atteint une valeur infrieure une tension appele tension

    critique (Vc) (Fig. 2.10), des problmes de limite de puissance transmissible peuvent

    conduire lcroulement de tension caus par les rgleurs en charge qui doivent alors tre

    bloqus une valeur limite ou revenir une prise adquate.

    Tension aux bornes dela charge

    Puissance active

    Vc

    V

    V

    A

    B

    Fig. 2.10. Puissance transmissible par une ligne.

    Pour la Fig. 2.10, si le changement de prise augmente la tension la valeur V (en sortie du

    transformateur) :

    - pour le point A : la tension aux bornes de la charge augmente ;- pour le point B : la tension aux bornes de la charge diminue chaque

    changement de prise, cest lcroulement de tension (Fig. 2.11).

    Le maintien de la tension dans une plage donne est donc primordial sur le rseau de

    transport pour trois raisons :

    - Pour respecter les valeurs contractuelles dfinies par les arrts pour le bonfonctionnement des installations des producteurs, des rseaux de distribution et

    les appareillages des consommateurs ;

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

    26

    - Pour la scurit du systme :. Une tension haute permet de rduire les courants en ligne et donc les

    pertes ;

    . Pour prvenir un croulement de tension.

    - Pour viter la dtrioration (disjoncteurs, lignes, sectionneurs..) et laperturbation des lments du rseau (protections, rgleurs en charge..).

    5 minutes

    Fig. 2.11. Exemple dcroulement de tension [MEM04].

    . Lcroulement de frquence

    Le maintien de la frquence dans une plage donne (50 Hz 0.5 Hz) est ncessaire

    pour le bon fonctionnement des appareils chez les consommateurs mais galement pour les

    matriels permettant dassurer lexploitation du rseau de transport. Pour maintenir la

    frquence une valeur donne sur un rseau il faut assurer lquilibre entre la puissance

    produite et la puissance consomme. Au niveau mcanique cela se traduit par une galit

    entre les couples moteurs des turbines et les couples rsistants des alternateurs.

    RMt CC

    dtdJ = (2.4)

    J : inertie de larbre de la turbine [kg.m2] ;

    t: Vitesse angulaire de la turbine [rad.s-1] ;

    CM: Couple moteur [Nm] ;

    CR: Couple rsistant [Nm] ;

    CMtRtM

    t PPCCdt

    dJ ==

    2

    2

    1 (2.5)

    PM: Puissance produite [MW] ;

    PC: Puissance consomme [MW] ;

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

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    02

    >

    >dt

    dPPSi t

    CM: La turbine acclre, la vitesse de rotation augmente donc la

    frquence augmente (Fig. 2.12.a),

    0

    2

    PC)b) Dsquilibre Production consommation (PM< PC)c) Equilibre Production consommation (PM=PC)

    Fig. 2.12. Evolution de la frquence en fonction du niveau de production / consommation.

    Comme la puissance consomme varie en permanence sur le rseau, il faut adapter

    tout instant la production pour garder la frquence 50 Hz. Nanmoins le rglage nest pas

    instantan et la frquence fluctue lgrement, dans des conditions normales de

    fonctionnement, autour de 50 Hz (Fig. 2.13). Les faibles variations sont compenses par

    lnergie stocke dans les arbres en rotation de grande inertie des groupes de production.

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    Chapitre 2. Le systme lectrique

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    Fig. 2.13. Evolution de la frquence sur le rseau [MAR06].

    Fig. 2.14. Evolution de la frquence lors du Blackout Italien du 29/09/03 [MEM04].

    Lorsque la frquence sort de cette plage dans des proportions trop importantes, les

    groupes peuvent se sparer du rseau (par action de leur protection minimum de frquence)

    entrainant ainsi lcroulement de frquence (par exemple en France en 1978 : 3 Hz/s) par

    manque de production (Fig. 2.14). Pour viter leffondrement de la frquence, il a t mis en

    place des dlestages automatiques de consommation sur les rseaux de distribution publique diffrents seuils de frquence (Tableau 2.1).

    Volume de charge dlest sur

    le rseau du centre de

    distribution

    Seuil de frquence

    1erchelon 20 % < 49 Hz

    2mechelon 20 % < 48.5 Hz

    3me chelon 20 % < 48 Hz

    4mechelon 20 % < 47.5 HzTableau 2.1. Seuils de dlestage frquencemtrique [DAU07].

    Le dernier chelon est prserv car il contient des usagers classs prioritaires.

    Chute de frquence

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    29

    . La rupture de synchronisme

    En fonctionnement normal tous les rotors des alternateurs raccords au rseau tournent

    la mme vitesse. La frquence des tensions dlivres par chacun deux est donc identique :

    Cest le synchronisme. Il y a donc rupture de synchronisme lorsquun ou plusieurs groupe(s)

    fonctionne(nt) durablement (quelques secondes) une frquence diffrente de celle des autres

    groupes. Une telle situation peut se produire lorsquun court circuit se produit prs dun ouplusieurs groupes. La puissance active dbite prenant une valeur trs faible, le(s) groupe(s)

    acclre(ent) et la frquence augmente localement. Normalement les rgulateurs des centrales

    permettent de re synchroniser ces groupes. Nanmoins, il arrive dans certains cas que ces

    derniers narrivent pas se rgler sur la frquence du rseau, il y a alors rupture de

    synchronisme. Les zones de frquence diffrentes se sparent et le risque de dsquilibre

    production consommation peut conduire un Blackout. Pour viter le phnomne de rupture

    de synchronisme, il faut avoir un lien synchronisant. Le lien synchronisant est lensemble des

    mailles du rseau reliant les centrales lectriques leur permettant de rester synchrones. La

    qualit du lien dpend de la valeur de limpdance du rseau entre gnrateurs, plus elle est

    faible (faible longueur de rseau, rseau fortement maill, nombre de lignes en parallle

    leves), meilleur est le lien. La qualit du lien doit tre dautant meilleure que la puissancetransporte est importante pour viter une perte de synchronisme.

    3) Les parades [CLE00] [DAU07] [MEM04]

    Pour assurer le bon fonctionnement du rseau, diffrentes procdures ont t mises en

    place :

    - Les marges au niveau du dimensionnement des matriels en fonction des caspossibles de dgradation du systme ;

    - La prvention / La prparation :. Fiabilit du matriel ;

    . Maintenance prventive ;

    . Disponibilit ;

    . Redondance ;

    . Prvoir les schmas dexploitation possibles : groupes disponibles, la

    puissance ractive disponible ;

    . Prvoir la courbe de charge :

    Fig. 2.15. Courbe de charge sur 24h [RTE00].

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    - La surveillance. Surveillance des grandeurs caractristiques : tension, frquence ;

    . Actions automatiques : rglage primaire ;

    . Actions manuelles ;

    - Les parades ultimes : actions de conduites exceptionnelles relatives un risque

    dcroulement total du rseau ou pour le placer dans un tat facilitant lareconstitution. Un plan de dfense a donc t mis en place. Il comprend les

    actions suivantes :

    . La sparation automatique des rgions ayant perdu le synchronisme ;

    . Le dlestage automatique de consommations sur baisse de frquence ;

    . Le blocage automatique des rgleurs en charge des transformateurs

    HTB/HTB et HTB/HTA sur baisse de tension ;

    . Llotage automatique des groupes thermiques nuclaires et flamme

    sur leurs auxiliaires. Cet ensemble dactions de sauvegarde et de plan de

    dfense est complt par le plan de reconstitution du rseau dont

    lobjectif est de favoriser une reconstitution maitrise et rapide des

    zones hors tension.

    - Plusieurs dispositions, appeles lignes de dfense , ont t mises en placepour assurer la dfense en profondeur du systme pour chaque type de dfaut

    (surcharge..).

    B.

    Performances du matriel [BOR00] [MEM04]

    Les quipements participent galement la sret du systme. Les matriels doivent

    avoir des dispositions qui permettent de garantir la sret du systme. On peut citer les

    quipements suivants : les postes, la structure du rseau, les ouvrages de production. Seules

    les installations de production seront dveloppes dans cette section. Les principales

    performances spcifies vis--vis du systme lectrique des moyens de production peuvent

    tre analyses suivant deux axes :

    - Le comportement en rgime normal ;

    - Le comportement en rgime perturb.

    . En rgime normal :

    - Dimensionnement gnral de linstallation (puissance unitaire, domaines de

    fonctionnement en frquence et en tension, apport maximal de puissance decourt circuit, capacits de surcharge temporaire en actif et ractif, ses

    possibilits au minimum technique) ;

    - Ladaptation de la production la consommation en actif (rglages primaire etsecondaire frquence puissance, capacit de modulation des groupes,

    comportement vis vis des gradients de variation de charge) ;

    - Ladaptation de la production la consommation en ractif (capacit defourniture ou dabsorption de puissance ractive, possibilit dexcursion de la

    tension leurs bornes).

    . En rgime perturb :

    - Tenue des groupes en prsence de perturbations (capacit rester coupls encas de perturbations) ;

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    - Aptitude llotage (capacit de fonctionner lot sur lui mme),- Fonctionnement en rseau spar ;- Comportement lors dune reconstitution de rseau.

    C. Le rglage de la frquence [BAS96] [BOR05] [DAU07] [KUN94]

    [MAR06] [RTE01]

    1) Introduction

    Au niveau du systme, des actions permettent de corriger la puissance produite afin

    dassurer lquilibre production- consommation et donc de garder la frquence proche de sa

    valeur de rfrence. Elles doivent agir afin que la frquence natteigne pas les seuils

    frquencemtriques de dlestage. Lamplitude des variations de frquence dpend de leur

    origine : variation de consommation, variation de production, dfauts

    Les variations de frquence autour de sa valeur de rfrence sont compenses par linertie des

    masses tournantes couples au rseau. Pour les grandes variations cela nest plus suffisant et il

    a fallu mettre en place plusieurs paliers de rglage :

    - Le rglage primaire ;

    - Le rglage secondaire ;

    - Le rglage tertiaire.

    2) Absence de rglage de la frquence

    Les simulations suivantes illustrent lvolution de la frquence des tensions en sortie

    dun groupe de production sans rglage de la frquence lors dune hausse ou dune baisse de

    la puissance consomme.

    a) b)Fig. 2.16. Evolution de la frquence lors dune hausse (a) ou dune baisse (b) de la puissance consomme.

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    3) Rglage primaire de frquence

    Il permet une correction automatique rapide (en quelques secondes) et dcentralise de

    la production pour retrouver un quilibre production consommation aprs perturbation (si la

    rserve primaire le permet). Pour un groupe donn, le rgulateur de vitesse agit sur les

    organes dadmission du fluide moteur la turbine et cherche imposer, lquilibre, une

    relation linaire (pente dcroissante) entre la vitesse (ou la frquence) et la puissance (Fig.2.17).

    P

    Pmax

    PL

    P0

    f0

    f

    Rserve

    primaire

    a) Principe.

    P

    Pmax

    PL

    P0

    f0 f

    Rserve

    primaire

    f1

    P0-P

    f2

    P0+P

    PP

    max

    P0 = PL

    f0 ff1

    b) Avec rserve primaire. c) Sans rserve primaire.

    Fig. 2.17. Courbe de rglage primaire dun groupe.

    Pmax: Puissance maximale constructive du moyen de production (MW) ;

    PL: Puissance affiche au limiteur (puissance maximale autorise au moment considr :

    permet de garder une rserve secondaire) (MW) ;

    P0: consigne de puissance (MW) ;

    f0: Frquence de consigne (Hz).

    La droite dcroissante de cette courbe de rglage sappelle droite de statisme et scrit

    sous la forme :

    )( 00 ffKPPP == (2.6)

    P : Puissance dlivre par le groupe (MW) ;

    K : Energie rglante (MW/Hz) ;

    f : Frquence sur le rseau (Hz).

    Au niveau du systme, une variation de puissance Ptotale est rpartie sur lensemble

    des groupes participant au rglage primaire. En fin de rglage on a donc pour n groupes :

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    ntotale PPPPP ++++= ....321 (2.7)

    soit : )(....)()()( 01013012011 ffKffKffKffKP ntotale ++++= (2.8)

    Donc ))(....( 01321 ffKKKKP ntotale ++++=

    (2.9)

    )( 011

    ffKPn

    j

    jtotale = =

    (2.10)

    =

    n

    j

    jK1

    : Energie rglante du rseau (MW/Hz).

    f1: Frquence atteinte en fin daction du rglage (Hz).

    Les groupes peuvent participer au rglage primaire seulement si leur rserve primaireest suffisante (sinon K = 0 pour le groupe ayant puis sa rserve primaire). Au niveau du

    systme, la rserve primaire totale disponible est la somme des rserves des groupes

    participants. La rgle au niveau de lUCTE est que la rserve primaire minimale est gale au

    minimum la perte des deux plus importants groupes de production raccords au systme

    (Pour lEurope : 2*1500 MW = 3000 MW (groupes Franais)).

    La relation peut sexprimer galement sous une autre forme en posant :

    1

    0f

    PK n= (2.11)

    Do :

    0

    00 )(1

    f

    ff

    P

    PP

    n

    =

    (2.12)

    Pn: Puissance nominale du groupe en MW

    1=G : gain statique (2.13)

    : Statisme de la rgulation (de lordre de 0,04 en France).

    Exemples de chute de frquence :

    . Pour une nergie rglante du groupe de 5000 MW/Hz, un statisme de 0,04 et une perte de

    groupe de 1300 MW, la chute de frquence serait de (1300/5000)*1000 = 260 mHz et en

    utilisant lexpression (2.12), on trouve :

    MWPsoitP nn 0001004,0.50.5000 ==

    Donc une augmentation de puissance dbite de %13100.00010

    1300=

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    . Pour une nergie rglante de 20000 MW/Hz, un statisme de 0,04 et une perte de groupe de

    1300 MW, la chute de frquence serait de (1300/20000)*1000 = 65 mHz et en utilisant

    lexpression (2.12), on trouve :

    MWPsoitP nn 4000004,0.50.200000 ==

    Donc une augmentation de puissance dbite de %25,3100.40000

    1300 =

    Linterconnexion permet tous les partenaires de mutualiser les participations au

    rglage primaire de frquence (K plus important) et chacun de rduire le dimensionnement

    de sa rserve primaire aussi bien au niveau des dispositions constructives des nouvelles units

    de production quen exploitation.

    Les courbes suivantes illustrent lvolution de la frquence des tensions en sortie dun groupe

    de production avec rglage primaire de la frquence lors dune hausse (Fig. 2.18a) ou dune

    baisse de la puissance consomme (Fig. 2.18.b). La dernire figure illustre la rponse du

    systme avec diffrentes valeurs de statisme(de 5 0.5 %) (Fig. 2.18.c).

    a) Hausse de la puissance consomme. b) Baisse de la puissance consomme.

    5 %

    0.5 %

    c) Rponse pour diffrentes valeurs de .Fig. 2.18. Evolution de la frquence lors du rglage primaire.

    4) Rglage secondaire de frquence

    En fin daction le rglage primaire ne permet pas de revenir la frquence de

    rfrence et il existe un cart f. De plus, lors de la variation de puissance, les pays voisins

    ont galement particip au rglage primaire en injectant une puissance Pi. Les changes depuissance contractuels ne sont plus respects. Un second rglage automatique,

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    appel rglage secondaire , a t mis en place. Il permet de ramener (dans un temps > la

    minute) :

    - la frquence sa valeur de rfrence (Fig. 2.19),- les changes entre partenaires leurs valeurs contractuelles.

    Fig. 2.19. Evolution de la frquence lors dun rglage primaire puis secondaire.

    La loi de Rglage Secondaire Frquence Puissance (RSFP) scrit :

    iPfe += (2.14)

    : Energie rglante secondaire (MW / Hz)

    e : Erreur de rglage (Hz)

    Lobjectif du rglage va tre dannuler lquation prcdente ou encore dannuler lcart de

    puissance : f + Pi.

    Pour atteindre cette condition, un signal N (t), appel niveau de tlrglage, est labor au

    niveau du dispatching national. Il permet de modifier la puissance de rfrence des groupes de

    production participant au RSFP.

    dtPfP

    tNt

    i

    R

    )()(0

    +=

    (2.15)

    Avec :

    . -1 N(t) 1 : variation limite en pente normale de -1 +1 en 800 s et rapide de -1 +1 en

    133 s ;

    . : gain intgral (ou pente) du rglage (MW/tour) (de lordre de 50 70 MW/tour) ;

    . Pr: demi-bande de rglage (MW) (de lordre de 500 700 MW/tour) (Tableau 2.2) ;

    Groupes nuclaires 5% de Pn

    Groupes thermiques flamme 10% de Pn

    Groupes hydrauliques 25 % de PnTableau 2.2. Participation la demi bande de rglage

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    . ; nergie rglante secondaire (MW/Hz) (de lordre de 10 000 MW/Hz) ;

    . Pn: Puissance nominale du groupe (MW).

    Le gestionnaire communique aux producteurs dont les groupes doivent participer au

    RSFP leur contribution en MW.

    Seul le rglage secondaire du pays perturbateur doit assurer la correction de la perturbation

    (cela est ralis condition que pour chaque pays interconnect, lnergie rglante secondairedu pays est gale lnergie rglante primaire du mme pays : Loi de DARRIEUS

    [MEM04]).

    La puissance de rfrence varie alors selon la loi suivante (Fig. 2.20) :

    rref PNPP .'

    0+= (2.16)

    Avec P0: Puissance de rfrence f 0 (aprs rglage primaire) : 0'

    0 PfKP +=

    Laction du rglage secondaire de frquence consiste alors translater la droite de statisme

    des groupes en rglage.

    0

    +1

    -1

    N

    t

    Niveau

    +1

    -1

    Pref

    t

    Niveau

    P0

    P0+Pr

    P0-Pr

    Pr Rserve puise

    0

    Fig. 2.20. Evolution du signal N(t) [MEM04].

    5) Rglage tertiaire de frquence

    Cest un rglage manuel dirig par le dispatching national. Il permet de reconstituer les

    rserves primaires et secondaires entames ou puises, de recaler les programmes de

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    production des groupes en puisant dans une r