Production éolienne et systèmes électriques faibles

Le contexte politique, économique et énergétique actuel très favorable au développement des énergies renouvelables conduit à une croissance rapide de la filière éolienne à l’échelle mondiale. Cependant, les réseaux électriques ne sont pas conçus a priori pour accueillir les nouvelles technologies intermittentes dont fait partie l’éolien. L’arrivée massive de cette production pose ainsi de nouveaux problèmes scientifiques et techniques aux gestionnaires de réseaux pour maintenir le niveau de sûreté du système électrique. Ces problèmes s’avèrent beaucoup plus significatifs dans les réseaux faibles non-interconnectés à cause de leur robustesse moindre face aux perturbations.

Développement de la filière éolienne

Politique favorable au développement des énergies renouvelables

À l’heure actuelle, 80% de la production énergétique mondiale provient encore d’énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole) [COU12]. Cependant, depuis ces dernières décennies, la prise de conscience par les politiques de l’épuisement prévisible des ressources fossiles et des problèmes environnementaux engendrés par l’exploitation abondante de ces matériaux du sous-sol, entre autres, le réchauffement climatique, la pollution atmosphérique et l’effet de serre, a amené de nombreux pays à promouvoir l’augmentation de la part des énergies renouvelables (EnR) dans leur mix énergétique.

Le protocole de Kyoto, adopté en 1997, dont la période initiale d’engagement s’achève fin 2012, est l’un des plus importants instruments juridiques internationaux visant à lutter contre les changements climatiques. Il contient les engagements pris par les pays industrialisés de réduire leurs émissions de certains gaz à effet de serre responsables du réchauffement planétaire. Dans ce contexte, la directive 2001/77/CE de l’Union Européenne a fixé une part indicative de 21% d’électricité produite à partir de sources d’EnR dans la consommation totale d’électricité de la Communauté Européenne d’ici 2020 [EUR01]. Sur le territoire français, le projet de loi « Grenelle 1 » a été adopté le 10 février 2009. Dans son volet « énergie », il a été demandé de porter à au moins 23% la part des énergies renouvelables dans le total de la consommation d’énergie du pays [MIN12]. Afin de favoriser le développement des EnR, guidé et préconisé par les politiques, de nombreux pays ont mis en place des systèmes de rémunération spécifique pour assurer la rentabilité des investissements dans les secteurs concernés. Concernant l’éolien, plusieurs états dont la France ont mis en place une obligation d’achat à un tarif garanti (avantageux par rapport aux prix d’achat des différentes productions conventionnelles) au moins sur les première années d’exploitation. En profitant de ces mesures, les filières EnR, notamment l’éolien et le photovoltaïque (PV), connaissent une forte croissance dans le monde.

Eolien : énergie en plein essor 

L’éolien est une des filières de nouvelles énergies les plus matures, sa technologie étant désormais bien maîtrisée. L’une des conséquences est la baisse constante de son coût de production, qui est estimé aujourd’hui autour de 80 €/MWh pour les éoliennes terrestres [EWE09] selon l’association européenne de l’énergie éolienne EWEA. L’éolienne devient donc de plus en plus compétitive en comparant à d’autres formes plus développées comme le gaz naturel ou le charbon (dont le coût de production est de 70- 75 €/MWh à l’heure actuelle et éventuellement de 70€ à 100€ le MWh dans le futur avec la hausse du prix du gaz et du CO2 [PRO12]) .

En 2010, la Chine cumule 42,3 GW d’énergie éolienne et devient le premier pays en termes de capacité installée totale, dépassant les États-Unis qui figuraient à la première place depuis 2007. Le pays a installé 16,5 GW en 2010, ce qui constitue un nouveau record par rapport aux 13,8 GW de 2009 [SER12]. En Europe, pour une puissance éolienne installée de 75 GW en début d’année de 2010 et de 84 GW en fin d’année, l’énergie électrique générée par ce parc a atteint 147 TWh selon EurObserv’ER. Ceci correspond à 4,3% de la consommation globale européenne d’électricité. En moyenne, depuis 1997, la capacité de production éolienne installée en Europe croît de 30 % par an. Cette hausse est comparable à celle qu’a connue le nucléaire dans les années 1970. En France, la puissance totale installée en service en fin septembre 2012 est de 7125 MW [ADE12], dont 82 MW installés dans les DOM-TOM. Plus d’1 GW de nouvelles turbines éoliennes ont été raccordées au réseau en 2011 selon les gestionnaires de réseaux de transport RTE et de distribution ERDF.

Pour conclure, en dépit de la crise économique qui touche aujourd’hui la plupart des grandes économies de la planète, le marché de l’éolien continue de s’accroître chaque année grâce à une réelle volonté politique de développer la filière. Et ce, d’autant plus, que cette croissance se fera avec du matériel encore plus performant et un coût du kW installé moindre.

Technologies des systèmes éoliens

Eoliennes à vitesse de rotation fixe

Les premières éoliennes mises en œuvre reposent sur l’utilisation d’une machine asynchrone à cage directement couplée sur le réseau électrique (Figure 1-2). Cette machine est entraînée par un multiplicateur et sa vitesse est maintenue approximativement constante autour de la vitesse de synchronisme imposée par la fréquence du réseau. Le glissement nominal de ce type d’éolienne est souvent de l’ordre de 1-2% [SLO03]. On note également la présence de batterie de condensateur pour compenser la puissance réactive consommée par le maintien de la magnétisation de la machine. Cette compensation locale permet ainsi d’améliorer le facteur de puissance de l’éolienne.

Les éoliennes à vitesse fixe sont généralement équipées d’un système de régulation par décrochage aérodynamique (« stall control »). La forme des pales conduit à une perte de portance au-delà d’une certaine vitesse de vent. Cela empêche le rotor d’accélérer quand le vent est violent et la puissance captée est alors réduite (Figure 1-3). Il s’agit donc d’une solution passive qui présente l’avantage d’être simple et robuste, mais les possibilités de réglage de la puissance sont très limitées. Une solution intermédiaire appelée « active stall » a été également développée. Elle garde les avantages du système « stall » tout en intégrant un système d’orientation des pales simplifié. Les possibilités de réglage de la puissance avec cette solution restent toutefois marginales [ROB06]. Les éoliennes à vitesse fixe sont utilisées principalement pour de faibles puissances (généralement inférieures à 1 MW). Elles sont appréciées pour leur robustesse et leur simplicité mécanique facilitant la maintenance. Par contre la puissance extraite n’est pas optimisée (vitesse fixe), le coût de maintenance essentiellement imputé au multiplicateur est élevé et la puissance réactive n’est pas contrôlée (uniquement compensée). Par ailleurs la connexion directe de la génératrice au réseau entraîne une très forte sensibilité lors de la présence de défaut sur celui-ci [TEN09].

Eolienne à base de machine synchrone
Les éoliennes basées sur une génératrice asynchrone à rotor bobiné présentent l’inconvénient de nécessiter un système de bagues et de balais et un multiplicateur, induisant des coûts significatifs de maintenance en particulier pour les projets off-shore situés en milieu salin [COU08]. Certains constructeurs ont développé des éoliennes basées sur des machines synchrones à grand nombre de paires de pôles et couplées directement à la turbine, évitant ainsi le multiplicateur (Figure 1-5). Le système de bagues et de balais peut aussi être éliminé si la génératrice est équipée d’aimants permanents.

Cette structure d’éolienne comporte une génératrice entièrement découplée du réseau par les convertisseurs électroniques de puissance et permet ainsi une variation de vitesse de 0% à 100% de la vitesse nominale de rotation [TEN09]. Un défaut sur le réseau ne perturbe ainsi que très peu le fonctionnement de la génératrice. En ce qui concerne le contrôle de ces convertisseurs, le principe est très similaire à celui appliqué pour commander les convertisseurs d’une éolienne à base de machine asynchrone à double alimentation. Cette technologie présente de nombreux avantages : optimisation de la production grâce à une grande plage de la variation de vitesse, découplage entre réseau et génératrice, souplesse de contrôle, gestion du réactif. Le principal inconvénient de cette structure est la nécessité d’une interface d’électronique de puissance dimensionnée à 100% de la puissance nominale de la machine, ce qui entraîne donc un coût plus élevé.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Production éolienne et systèmes électriques faibles
1.1. Introduction
1.2. Développement de la filière éolienne
1.2.1. Politique favorable au développement des énergies renouvelables
1.2.2. Eolien : énergie en plein essor
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. Conclusion sur les différentes structures d’éolienne
1.4. Spécificités des réseaux insulaires et intégration des éoliennes dans le système électrique
1.4.1. Principales caractéristiques des réseaux non-interconnectés
1.4.2. Défi des gestionnaires de réseaux face à la croissance des éoliennes
1.4.3. Exigence de la participation des éoliennes au réglage de fréquence
1.5. Réglage de fréquence et comportement dynamique du système électrique
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. Réglage secondaire et tertiaire de fréquence
1.5.5. Performance du réglage de fréquence et spécificités en milieu insulaire
1.6. Conclusion
Chapitre 2. Impact sur le réglage primaire de fréquence de l’intégration de la production 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. Problématiques liées à l’insertion massive de la production renouvelable passive
2.3. Impact dynamique sur l’inertie du système électrique
2.3.1. Positionnement du problème
2.3.2. Retours d’expérience sur les réseaux à fort taux de pénétration des éoliennes
2.4. Présentation de l’étude de cas
2.4.1. Présentation du modèle du réseau de Guadeloupe
2.4.2. Description des scénarii et des hypothèses d’étude
2.4.3. Résultats de simulation
2.4.4. Limites de l’extension de l’étude aux grands systèmes électriques
2.5. Impact de la variabilité de l’éolien sur le minimum requis théorique de réserve primaire
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. Adaptation de la commande des éoliennes à vitesse variable en vue de la participation au réglage de fréquence
3.1. Introduction
3.2. Modélisation d’une éolienne à vitesse variable
3.2.1. Modélisation du système aérodynamique
3.2.2. Modélisation du système mécanique
3.2.3. Modélisation du système d’orientation des pales
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 « réserve »
3.4.1. Rappel sur les zones de fonctionnement classiques
3.4.2. Points de fonctionnement en mode « réserve »
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 classique adaptée pour une puissance réduite
3.6.2. Commande par inversion du modèle
3.6.3. Evaluation des performances de la commande
3.7. Conclusion
Conclusion générale

Télécharger le rapport complet