Un système électrique est un ensemble interconnecté production-transport-consommation.

C’est en fait une immense machine distribuée sur une très large zone géographique qui permet d’assurer l’équilibre entre demande et offre.

Le système production-transport-consommation

Le réseau de transport et d’interconnexions assure la mise en commun et la répartition sur un très vaste territoire de toute l’électricité qui y est produite.

Mutation profonde depuis le début des années 1990

Les réseaux avaient connus des développement liés à des politiques énergétiques nationales « autosuffisance énergétique » => Nucléaire en France, Lignite en Allemagne, Hydraulique en Suisse?

En Europe les systèmes production-transport étaient exploités par des entreprises verticalement intégrées (1 seule compagnie par pays).

Dans ce cadre, l’exploitation et la conduite avait 2 finalités:

- Optimisation générale

- Maintien de la sûreté

Processus de dérégulation:

- Mise en concurrence des centres de production

- L’exploitant du système électrique est en monopole « naturel » et doit assurer à tout moment une circulation aisée et transparente entre les producteurs et leurs clients.

Les grandes centrales sont éloignées des zones de consommation

Effet de taille => Plus économique de construire des centrales de + en + puissantes alors même que la consommation reste très diffuse

L’élévation du niveau de tension

1927 : Première ligne 225 kV : Eguzon Chaingy

1945 : Une double boucle 225 kV amenant l’énergie hydraulique du sud-est vers Paris et le nord, sou-tendu par un réseau 150 kV 110 kV

1946-1955 : Développement du réseau de transport national sur l’ensemble du territoire : 225 kV – 150 kV – 110 kV

1960-1965 : premier développement du réseau 400 kV

1970-1990 programme nucléaire : les centrales proches des sources froides – renforcement rapide du 400 kV en fonction des besoins production– renforcement des interconnexions internationales

1922 : Première loi sur le transport

Les ouvrages de TransportLes ouvrages de Transport Typologie desouvrages de transport & de distribution

Typologie desouvrages de transport & de distribution

grands échanges <--------inter - régionaux

Réseau THT

Réseaux Répartition

Réseaux Distribution

400 kV

225 kV90 kV63 kV

(45 et 150 kV)

20 kV(U < 20 kV)

alimentation <----------régionale

alimentation <---------de la charge

transporter l'énergiegarantir la sécurité

(gds incidents)gestion économique de la production

répartir l'énergiegarantir la sécurité

(incidents régionaux)

distribuer l'énergie

- moyens de base- qqs ther. classiques- qqs hydrauliques- échanges

- ther. classiques- hydraulique- Clients indust.

- consommation

transport et <--------------------------------------------------------->interconnexion

répartition <------------------------------------------------->

distribution <------------------------------------------------>

20 000 km

|60 000 km

25000 km

500 000 km

Les rôles des réseaux et de leur hiérarchisation

Le réseau THT

Le réseau THT

Autoroutes

Le réseau européen

UK

N S FI

F

DB

NL

L

CH A

I

SI

EP

DK

Exemple d’ un transit de 100 MW entre Belgique et ItalieExemple d’ un transit de 100 MW entre Belgique et Italie

5656

4141

66

2020

3333

66

6655

88

1616282833

33CZ

NL

5959

4141

Les particularités de l’électricité : elle ne se stocke pas sa qualité se dégrade durant le transport, sa qualité dépend des usages des autres clients, le besoin d’électricité est en fait le service rendu par les appareils

électriques, délai de commande et de transport nul

Nature de l’Électricité

A chaque instant l’énergie électrique produite dans un système est égale à l’énergie électrique consommée.

Les prévisions: Aides à la décision pour l’aménagement du parc de production et du réseau de transport.

1 => prévisions pluriannuelles et annuelles permettent de :

- planifier les travaux d’entretien ou de rechargement à effectuer sur les groupes REP ;

- planifier les travaux d’entretien à effectuer sur les groupes thermiques classiques ;

- déterminer la valeur de l’eau des réserves, c’est-à-dire l’espérance de gain futur procuré par une unité de stock supplémentaire. Ces valeurs permettent de gérer tout au long de l’année l’utilisation de nos réserves d’eau au moment le plus propice.

2 => prévisions hebdomadaires et journalières.

Les informations sur les variables externes, telles que les conditions climatiques, sont alors plus fiables.

À l’échéance journalière peut être décidée la mise en œuvre de tarifs particuliers, tel le tarif EJP, qui influenceront la demande. L’option tarifaire EJP permet des effacements de puissance appelée par les clients 22 jours par an. Cette réduction de puissance appelée peut être évaluée à 6 500 MW environ. On peut fractionner une journée EJP en deux : HTA environ 4 000 MW, HTB environ 2 500 MW.

La prévision journalière sert de base à l’établissement du plan de production pour le lendemain.

4 types de journées: Samedi, Dimanche et les autres

Les caractéristiques de la courbe de consommation journalière dépendent du type de jour et de la période de l’année.

Un jour ouvrable d’hiver présente les caractéristiques suivantes :

- le matin la pointe centrée sur 9-10h marque un palier d’environ 4h00 (maximum de l’activité économique) ;

- le soir la pointe de 19h00 dure moins longtemps, mais est en général plus forte (très influencée par la température) ;

- le creux de nuit se situe vers 5h00 ;

- pointes relatives aux enclenchements tarifaires : par exemple 1h00, 12h30 et 23h00. (Des aménagements permettent de lisser ces pointes).

Il faut remarquer la pente particulièrement «raide» des prises de charges précédant les pointes de consommation (environ 15 000 MW en 3h00 entre le creux de nuit et la pointe du matin) d’où l’impor-

tance du suivi des programmes de production et de l’ajustement permanent durant ces périodes.

Un jour ouvrable d’été présente les caractéristiques suivantes :

- la pointe du matin se situe vers 11h00 et s’étale sur 6h00 ;

- la pointe du soir a complètement disparu (voir plus loin l’influence du changement d’heure) ;

- on retrouve les enclenchements tarifaires.

L’influence de la nébulosité sur la consommation peut être évaluée à 700 MW/octa. L’échelle de mesure de la nébulosité comporte 8 octas : de 1 temps très clair à 8 couverture nuageuse très dense.

L’effet d’une couverture nuageuse (éclairage, effet de serre, chauffage…) intervient dès le lever du jour pour atteindre un maximum en milieu d’après-midi et s’annuler à la tombée de la nuit.

Le changement d’heure légale fin mars conduit à une diminution sensible de la consommation en soirée de 18h00 à 23h00 (jusqu’à 4 000 MW à la pointe de 19h00) et au phénomène inverse fin octobre.

Puissancesconsommées

Température-seuilde démarrage de lasensibilité auxtempératures froides

Température

Pente de la droite :«  Gradient de températurestrès froides  »

Pente de la droite :« Gradient de températuresfroides »

Température-seuilde démarrage duparc de chauffaged’appoint

Température-seuilde démarrage de lasensibilité auxtempératures chaudes

Pente de la droite :« Gradient de températureschaudes »

Influence de la température sur la consommation

• Influence de la nébulosité :• Sur deux jours ayant une température identique, une forte nébulosité

augmente la consommationJour 1

Jour 2

Jour 1 Jour 2

T°

Nébulosité

Shape: formes des types de jour

12000

17000

22000

27000

32000

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

DT1 DT2 DT3 DT4 DT5 DT6 DT7 DT8 DT9 DT10 DT11

DT Jour_Sem Type_Jourdimanche N

lundi F2 dimanche V3 jeudi F

jeudi Lmardi Ljeudi Nmardi N

mercredi Njeudi Vmardi V

mercredi Vvendredi N

7 samedi Llundi N

mercredi Llundi L

vendredi Lmercredi F

mardi Fsamedi N

vendredi F

9

10

11

1

4

5

6

8

Formes des types de jour

N: jour normal , F: férié, V: veille de jour férié, L: lendemain de jour férié

Signification

La saisonnalité annuelle (ici en énergie)

Source RTE

Construction de la puissance hors chauffage

12000

17000

22000

27000

32000

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

DT1 DT2 DT3 DT4 DT5 DT6 DT7 DT8 DT9 DT10 DT11

Accroissement de la Phc

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

1.01

1.02

1 65 129

193

257

321

385

449

513

577

641

705

769

833

897

961

1025

1089

1153

1217

1281

1345

1409

Jour

Acc

rois

seem

ent

de

la P

hc

Puissance indépendante de la température

33000

38000

43000

48000

53000

1 31 61 91 121 151 181 211 241 271 301 331 361jour

Pu

iss

an

ce

(M

W)

Le consommateur doit pouvoir disposer à tout moment, de sa puissance souscrite sans passer de commande ni fournir de préavis et cela 24h sur 24.

L’énergie électrique ne stocke pas. Il est nécessaire de produire exactement à chaque instant ce qui est consommé.

Les groupes thermiques nucléaires ou à flammes ne peuvent pas être démarrés instantanément, il est donc nécessaire d’établir une prévision de consommation.

Heureusement il y a de grandes tendances cycliques: les variations annuelles, hebdomadaires et journalières de l’activité humaine.

Mais il y a aussi les particularités ou aléas auxquels il faut faire face (conditions météorologiques, conjonctures économiques, vacances, jours fériés…)

Ce qu’il faut retenir

Problématique du fonctionnement des réseaux.

maintenir en permanence les conditions nécessaires d’un équilibre entre production et consommation. => Conduite

maintenir les caractéristiques du produit (tension et fréquence) dans les plages contractuelles. => Réglage

tenir compte du fort couplage dynamique entre production et consommation. => Stabilité

Assurer l’intégrité des ouvrages et du système dans son ensemble. => Protection et stabilité

Le système électrique doit :

Notion de fréquence puissance

L’électricité ne se stocke pas P = C + pertes actives

Pgénérées= Pconsommées+ 3.RI²

Sur le réseau électrique, l’équilibre est toujours réalisé

Cm - Ce = J.dΩ/dt

Le déséquilibre éventuel production-consommation se produit sur l’arbre de l’alternateur entre la puissance mécanique délivrée par la turbine et la puissance électrique appelée par le réseau.L’inertie des alternateurs sert de réservoir d’énergie tampon

Équilibre production / consommation sur le réseau

La fréquence du réseau dépend de l’équilibre entre production et consommation

Loi des masses tournantes pour un groupe de production

La vitesse rotor dépend de la Puissance mécanique produite par le groupe et de la Puissance électrique appelée par le réseau

dt

dJ. = P - P

rr.em

P - P = J . .d

dtprod cons res res

res

En cas de déséquilibre production / consommation : adaptation de la production, et éventuellement de la consommation (délestage fréquencemétrique)

Notion de fréquence puissance

Notion de fréquence puissance

En conclusion :

Un déséquilibre entre la production de l’ensemble des turbines et la consommation du réseau se traduira par une variation de fréquence.

L’équilibre est réalisé si la fréquence est constante…mais pas forcement égale à 50 Hz !

Notion de fréquence puissance

3 minutes de silence en France en mémoire aux

victimes de l’attentat du 11 septembre 2001

Puissance

Fréquence

Notion de fréquence puissance

Perte du réseau France-Suisse-Italie

et black out en Italie

La fréquence

Pour le consommateur- conception des appareils électriques- efficacité des moteurs- contraintes mécaniques

• Pour le système électrique- conception des matériels- saturation des circuits magnétiques- décrochage des auxiliaires de centrales

Régler la fréquence est nécessaire:

Le réglage de la fréquence

Le Rég. primaire sert à rétablir l’équilibre production consommation instantanément

Le Rég. Secondaire sert à rétablir la fréquence et les échanges

Le Rég. Tertiaire sert à réadapter le plan de production

REGLAGE PRIMAIRE

REGLAGE SECONDAIRE

REGLAGE TERTIAIRE

Automatique, il agit localement sur chaque groupe. => Il aboutit à un nouvel équilibre sur l’ensemble du réseau interconnecté mais à f différente de f réf

Automatique, il est centralisé (par pays) et agit après le réglage primaire sur plusieurs groupes. => Il a pour fonction de rétablir f réf et les échanges contractuels entre réseaux.

Il est centralisé (par pays) et permet un réajustement des programmes de fonctionnement des centrales. Il est caractérisé par la réserve de production mobilisable à tout moment pour :fournir une capacité de substitution (indisponibilité, pertes d’ouvrage de transport…)

La tension

Eviter les tensions trop hautes- tenue diélectrique des matériels- saturation des circuits magnétiques- contraintes mécaniques

• Eviter les tensions trop basses- surcharge des réseaux- décrochage des moteurs- problèmes de stabilité- ne pas augmenter les pertes

Régler la tension est nécessaire pour des raisons techniques:

Le réglage de la tension

Le Rég. primaire permet de maintenir la tension aux bornes du groupe, contribue au maintien de la stabilité, maintien le groupe dans son domaine de fonctionnement.

Le Rég. Secondaire permet de répartir les efforts des groupes à l’échelle régionale et de maintenir le plan de tension de la région.

REGLAGE PRIMAIRE

REGLAGE SECONDAIRE

Régulation primaire des groupes turbo alternateurs (GTA)

• Les régulations primaires :– utilisent des mesures locales– ont une action rapide

un rôle primordial pour la sûreté du système

Groupe Turbo-alternateur

RéseauRégulations

Primaires

Réglage primaire qq dizaines de ms qq secondes

DispatchingRéglage secondaire (quelques minutes)

Réglage tertiaire («manuel», quelques dizaines de minutes)

Réglage primaire, secondaire, tertiaire

• Variable à régler = vitesse rotor f et puissance électrique Pe• Actionneur = soupape d’admission vapeur (thermique), vanne

d’admission d’eau (hydraulique), injecteurs de carburant (diesel)• Process = turbine et alternateur• Régulateur : loi de commande ouverture = F (P0, f )

TurbineRégulateurde vitesse

Po Soupapesou Vannes-

+

f = fo– f

Alternateur P - P = J.

d

dtm e r.

r

fCapteur

de vitesse

Pe

Réglage primaire de vitesse

Les actionneurs de contrôle de chaque étape

• Pour l’amont turbine :- grappes de combustible

-brûleurs

• Pour la turbine :- vannes d’admission vapeur- vanne de débit de fluide pour l’hydraulique

• Pour l‘alternateur :- tension d’excitation

L’énergie réglante

La principale caractéristique de cette régulation est la pente de la droite sur laquelle va se déplacer le point de fonctionnement du groupe. On appelle cette pente le statisme de la régulation. Cette valeur est fixée à 4% pour l’ensemble des groupes thermiques. La valeur moyenne de 5% est retenue pour les groupes hydrauliques (elle peut varier de 4 à 12%).

Avec un statisme de 4%, le gain statique de la régulation appelé souvent énergie réglante est :

K = P nominale/ 2 et s’exprime en MW/Hz.

Par exemple, un groupe de P nominale = 900 MW aura une énergie réglante de 450 MW Hz.

Ce qui signifie que :

Pour un groupe de P nominale = 900 MW couplé à un réseau dont la fréquence varierait de 1 Hz, sa régulation primaire le ferait varier de 450 MW.

L’énergie réglante

Un mini réseau composé de 4 groupes de 250 MW ayant un statisme de 4% débitant sur une consommation de 900 MW

A partir d’une situation d’équilibre à 50 Hz où chaque groupe est à une puissance égale à sa puissance de consigne :

Il s’agit de calculer la fréquence d’équilibre après l’arrivée de l’aléa et le fonctionnement du réglage primaire.

Cas 1: Déclenchement du Groupe 5

Énergie réglante restante de ce réseau ?ΔP ?

Δf ?

f d’équilibre ?

Cas 2: Perte de 200MW

de consommation

Cas 3: Déclenchement du groupe 5

1er cas : déclenchement du Gr 5

Energie réglante restante : K=4*250/2=500 MW/Hz

DP = 200 MW Df = 200/500 = 0,4 Hz

f d’équilibre = 50 - 0,4 = 49,6 Hz

2ème cas : perte de 200 MW de consommation

Energie réglante : K= 5*250/2=625 MW/Hz

DC = 200 MW Df = 200/625 = 0,32 Hz

f d’équilibre = 50 + 0,32 = 50,32 Hz

3ème cas : déclenchement du Gr 5

Energie réglante restante : K=2*250/2=250 MW/Hz

DP = 200 MW Df = 200/250 = 0,8 Hz

f d’équilibre = 50 - 0,8 = 49,2 Hz

Baisse de la consommation => Augmentation de la fréquence

Baisse de la production => Diminution de la fréquence

Ce qu’il faut retenir…

• La consommation dépend de nombreux paramètres comme l’heure, le jour, la saison, la température, la nébulosité, les habitudes culturelles, les événements de société.

• Sa prévision est cruciale à court terme pour le respect de l’équilibre production-consommation

• Le réseau et les groupes de production sont interdépendants en matière de fiabilité d’alimentation et continuité de fourniture vis-à-vis des clients, mais également pour le respect des conditions de sécurité des centrales elles-mêmes.

• La sûreté du système électrique dépend en particulier • de la capacité des tranches :

• à ajuster le bilan production consommation (modulation, réglage fréquence-puissance)• à fournir autre chose que de l ’énergie (services de réglage de la tension)• à «tenir» en régime perturbé• à réussir leurs îlotages.

Ce qu’il faut retenir…

• Un groupe de production produit de l’électricité, délivre une tension, maintient une fréquence (50 Hz en France).

• Les équilibres tension et fréquence sont vitaux et les régulations en tension et en fréquence des groupes permettent de maintenir cet équilibre en permanence.

• La fréquence est une parfaite image de l’équilibre production consommation en tout point du réseau.

Ce qu’il faut retenir…