[PDF] Evaluation de la Performance des Réglages de Fréquence des

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1pHmiBQM /2 H S2`7Q`KM+2 /2b _û;H;2b /2 6`û[m2M+2

TTHB+iBQM ¨ mM *b AMbmHB`2

hQ +Bi2 i?Bb p2`bBQM,

ECOLE ENTRALE DE ILLE

THESE

DOCTEUR

Spécialité

par

Ye WANG

DE LILLE

Evaluation de la Performance des Réglages de Fréquence 20

Président

Rapporteur

Jean Paul HAUTIER, Professeur, Arts et Métiers ParisTech Yvon BESANGER, Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble, G2Elab Rapporteur Julio USAOLA GARCIA, Professeur, Universidad Carlos III de Madrid, Espagne

Examinateur

Examinateur

Jacques LOBRY, Professeur, Université de Mons, Faculté Polytechnique, Belgique Georges KARINIOTAKIS, Dr., Ingénieur Chercheur, Mines ParisTech, CEP Examinateur Herman BAYEM, Dr., Ingénieur Chercheur, EDF Recherche et Développement Membre invité Stéphane BISCAGLIA, Dr., Expert Réseaux Intelligents et Stockage, ADEME Directeur de thèse Bruno FRANCOIS, Professeur, Ecole Centrale de Lille, L2EP Co-directeur de thèse Xavier GUILLAUD, Professeur, Ecole Centrale de Lille, L2EP I

Remerciements

ont contribué qui suit ont été réalisés en étroite collaboration département Économie, Fonctionnement et Études des Systèmes Énergétiques

éseaux

Fonctionnement des Systèmes Electriques et Raccordement » (R12) à EDF R&D, pour leur

1DWLRQDOH6XSpULHXUHG

présider le jury de ma thèse. Georges KARINIOTAKIS, Ingénieur Chercheur de Mines ParisTech, pour avoir bien voulu J

Mes chaleureux remerciements vont également à Messieurs Frédéric COLAS et Rijaniaina

démarr remerciements. mais touet ce cordiale qui règne

Table des matières

Table des matières

Liste de

Liste des tableaux

Introduction générale

Chapitre 1.

1.1. Introduction

1.2. Développement de la filière éolienne

1.2.1. Politique favorable au développement des énergies renouvelables

1.2.2. Eolien

1.3. Technologies des systèmes éoliens

1.3.1. Eoliennes à vitesse de rotation fixe

1.3.2. Eoliennes à vitesse de rotation variable

1.3.3.

1.4. Spécificités des réseaux insulaires et intégration des éoliennes dans le système électrique

1.4.1. Principales caractéristiques des réseaux non

1.4.2. Défi des gestionnaires de réseaux face à la croissance des éoliennes

1.4.3. Exigence de

1.5. Réglage de fréquence et comportement dynamique du système électriqu

1.5.1. Principe du réglage de fréquence et nécessité

1.5.2. Réglage primaire de fréquence

1.5.3. Caractérisation des régimes transitoires de fréquence pendant le réglage primaire

1.5.4. Rég

1.5.5. Performance du réglage de fréquence et spécificités en milieu insulaire

1.6. Conclusion

Chapitre 2.

renouvelable passive en milieu insulaire

2.1. Introduction

2.2. Impact statique sur le placement de la réserve

2.2.1. Règles générales pour définir un plan de production

2.2.2. de la production renouvelable passive

2.3.

2.3.1. Positionnement du problème

2.3.2.

2.4.

2.4.1. Présentation du modèle du réseau de Guadeloupe

2.4.2.

2.4.3. Résultats de simulation

2.4.4.

2.5.

2.5.1. Dimensionnement de la réserve primaire

2.5.2. Variabilité de la production éolienne Guadeloupéenne

2.5.3. Impact sur la réserve primaire minimale requise

2.5.4. Remarques sur la variabilité de la charge nette

2.6. Conclusion

Chapitre 3.

3.1. Introduction

3.2.

3.2.1. Modélisation du système aérodynamique

3.2.2. Modélisation du système mécanique

3.2.3.

3.2.4. Modélisation du système électrique

3.2.5. Bilan de la modélisation

3.3. Objectifs de la commande des éoliennes à vitesse variable

3.4. Principe du fonctionnement en mode "

3.4.1. Rappel sur les zones de fonctionnement

3.4.2. Points de fonctionnement en mode "

3.5. Organisation du dispositif de la commande

3.6. Commande de la vitesse de la turbine par orientation des pales

3.6.1. Commande linéarisée class

3.6.2. Commande par inversion du modèle

3.6.3. Evaluation des performances de la commande

3.7. Conclusion

Chapitre 4.

4.1. Introduction

4.2.

4.2.1. Potentiel de fourniture en énergie cinétique

4.2.2.

4.3. 4.4.

4.4.1. Description des scénarii de

4.4.2. Comportement dynamique pour différents points de fonctionnement

4.5.

4.5.1. Analyse théorique

4.5.2.

4.5.3. Impact de la limitation de la variation temporelle de puissance électrique

4.6. Principe de fonctionnement et implantation du réglage primaire

4.7. Analyse de la contribution des éoliennes au réglage de fréquence par simulations

4.7.1. Application du réglage primaire des éoliennes au réseau de Guadeloupe

4.7.2. Bilan de contribution et potentiel du réglage combiné

4.8. Conclusion

Chapitre 5. l du réglage

5.1. Introduction

5.2. Potentiel

5.2.1. Définition des stratégies du placement

5.2.2. Mesure de la réserve instantanée disponible pour le gestionnaire

5.2.3. Application aux fermes éoliennes sur le réseau de Guadeloupe

5.3. Comparaison des stratégies de placement

5.3.1. Quantification de la réserve sur une

5.3.2. Potentiel de réserve sur le temps "

5.3.3. Intérêts de la combinaison des stratégies

5.4.

5.4.1. Méthodologie retenue pour le placement de la réserve

5.4.2.

5.4.3. Résultats et discussions

5.5.

5.5.1.

5.5.2. Détermination du statisme éolien

5.6. Conclusion

Conclusion générale

Références bibliographiques

Anne

Annexe 2

A2.1. Notations et définitions

A2.4. Linéarisation du système à com

Annexe 3Cp

Annexe 4

Annexe 5

Annexe 6

Liste des figures

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 1

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 2

Figure 3Cp et

Figure 3

variable

Figure 3

vitesse

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

Figure 3

par inversion du modèle (vent faible)

Figure 3

du vent commandée par inversion du modèle

Figure 3

Figure 4

Figure 4

charge et (d), (e), (f) en charge partielle)

Figure 4

Figure 4

Figure 4

Figure 4

Figur

Figure 4(dP/dt)max

Figure 4

Figure 4

Figure 4

Figure 4

Figure 4

partielle) Fig

Figure 5

des fermes raccordées

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figur

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figure 5

Figure 5

proportionnelle

Figure A3Cp Cp =i. (b) Inversion de la

Si,j() pour une valeur de Cp (Cp,) et tranche

Cp.) ion

Figure A5ȍT_pu_acc>ȍT_pu_max

Figure A6

Liste des

Tableau 2

fréquence du réseau irlandais

Tableau 2

Tableau 2Pinst

Tableau 2

Tableau 4

Tableau 4

Tableau 5

Tableau 5

temps retenu

Tableau 5

Tableau 5

de fonctionnement des éoliennes)

Tableau 5

Tableau 5

Tableau 5

Tableau 5

Table

Tableau 5

INTRODUCTION GE

Introduction générale

général de la lutte contre le changement climatique dont une des conséquences pour

photovoltaïque), qui présentent des caractéristiques très différentes de celles des groupes

réglage de fréquence. sûreté. cette que les éoliennes implan installations de product production , même si elle est techniquement possible, soulève des questions quant aux performances garanties ue celles définies dans les L

INTRODUCTION GE

performances exigibles de la part de la production éo fourniture de services système doit ê performance fiabilité productible variable. des éléments de réflexion pour aider à répondre aux questions suivantes

¾ fonctionnement du

de la production éolienne au réglage de fréquence

¾ Q

conventionnels avec leurs propres caractéristiques de réglage). s inscrit dans le programme 6 " programme de recherche MEDEE 10 "

¾ Le chapitre 1 production éolienne et .

sont ¾ Le chapitre 2 caractéris impact sur le réglage primaire de fréquence de

INTRODUCTION GE

¾ Le chapitre 3 adaptation de la commande des éoliennes est sont ¾ Le c études des performances dynamiques du réglage de de fonctionnement des éoliennes et des paramètres du contrôleur sur la et la contribution du réglage primaire d ¾ Pour compléter les études dynamiques présentées au chapitre 4 et réglage primaire des éoliennes nt.

éolienne est ensuite caractérisé en comparant le volume de réserve instantané

est

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

Production éolienne et

1.1. Introduction

e contexte politique, économique et énergétique actuel très favorable au a priori po techniques aux gestionnaires de réseaux pour maintenir le niveau de sûreté du système non ation

raccordées aux réseaux seront présentés. Le fonctionnement, les avantages et les

réglage primaire de fréquence sera alors mise en évidence.

Chapitre 1

L

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

1.2. Développement de la filière éolienne

1.2.1. Politique favorable au développement des énergies

renouvelables (EnR) dans leur mix énergétique. 2012,
[EUR01]. Sur le territoire français, le projet de loi "

1.2.2. Eolien

production, 80 Wh donc de plus en plus compétitive le gaz naturel70 actue

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

2 1 lière

Figure 1

Figure 1

termes de capacité installée totale, dépassant les États 1

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

année grâce à une réelle volonté politique de développe,

1.3. Technologies des systèmes éoliens

1.3.1. Eoliennes à vitesse de rotation

asynchrone à cage directement couplée sur le réseau électrique ( améliorer le facteur de puissance

Multiplicateur

g T v

Turbine

Réseau 50 Hz

Generatrice

asynchrone

Compensation de la

puissance réactive P n v n

Vitesse du vent

Figure 1-2. Eolienne basée sur une

machine asynchrone directement couplée au réseau

Figure 1-3. Caractéristique d'une

éolienne à vitesse fixe avec

décrochage aérodynamique décrochage aérodynamique . Cela solution passive, mais les possibilités de fié. Les possibilités de réglage de la

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

optimisée (vitesse fixe), le coût de maintenance essentiellement imputé au multiplicateur trôlée (uniquement compensée). Par ailleurs

1.3.2. Eoliennes à vitesse de rotation variable

Les éoliennes à vitesse variable s

la conversion énergétique en adaptant la vitesse de la turbine à la vitesse du vent. On variation de vitesse q

1.3.2.1. Eolienne à base de machine asynchrone à double alimentation

g) [ACK05]. Ceci va engendrer une limitation de la puissance circulant g.P|). Par conséquent, la

Machine asynchrone à

double alimentation T v

Fréquence variable

AC AC

DC DC

Filtre

Réseau

50 Hz

Multiplicateur

g

Bagues

Balais

Turbine

de façon indépendante grâce aux convertisseurs connectés sur le circuit électrique du rotor

générée [AHM10].

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

1.3.2.2. Eolienne à base de machine synchrone

Les éoliennes basées sur une génératrice asynchrone à induisant des coûts significatifs de maintenance en particulier pour les projets off

Machine synchrone

T v

Fréquence variable

AC AC

DC DC

Filtre

Réseau

50 Hz

Turbine

les convertisseurs électroniques de puissance et permet ainsi une variation de vitesse de 0% e de machine asynchrone à double alimentation. puissance nominale de la machine, ce qui entraîne donc un coût plus élevé.

1.3.3. Conclusion sur les différentes structures

Dans les réseaux continentaux interconnectés, les éoliennes à vitesse variable représentent

éoliennes

aire de

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

aérodynamique sur toute la plage de fonctionnement. De surcroît, contrairement aux actuellement à se rapprocher des conditions actuelles des

1.4. Spécificités des réseaux insulaires

Le potentiel éolien important ainsi que

énergétique

n permettrait de

1.4.1. Principales caractéristiques des réseaux non

Les systèmes insulaires ont généralement une étendue géographique très limit

caractéristiques spéciales. Par opposition aux systèmes interconnectés, les différences

¾ Une puissance de court

limité de groupes de production de faible pui

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

¾ Une grande sensibilité aux variations de la prod masses tournantes sur les réseaux insulaires est faible. En plus, la taille unitaire des oscillations interzones, voire un risque de rupture de synchronisme [SEI08

¾ Une occurrence du défaut plus élevée : le réseau de distribution et de transport subit

agressions végétales ou animales, ce qui aboutit à une corrosion des matériels et don insulaires qui conduit en conséquence à un de prévisions pour le même horizon de temps sont gé

¾ Des coûts de production supérieurs

variations du cours du pétrole, la petite taille des installations et une maintenance oignement rendent très chers les coûts de production Selon le gestionnaire des systèmes insulaires EDF SEI2 3 donc intéressant et présente un fort dynamisme dans ces zones. 2 ces territoires en intégrant l'ensemble des métiers de l'électri 3

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

¾ La possibilité d'employer des centrales de production plus grandes et moins chères. ¾ Le foisonnement de la charge dû à une demande différente de multiples régions. Cela

1.4.2. Défi des gestionnaires de réseaux face à la

La production éolienne dépend fortement de la disponibilité de la ressource prim

important peut être atteint très rapidement sur ces réseaux en raison de leur faible taille.

1.4.2.1. Impacts sur les réseaux de distribution

distribution, qui ne sont initialement pas conçus pour recevoir des producteurs

Sens du transit de puissance

Les réseaux électriques ont été dimensionnés pour transiter des flux de puissance flux. Cela peut entraîner un dysfonctionnement de protections unidirectionnelles et des

CHAPITRE 1 PRODUCTION EOLIENNE E

Profil de tension

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