Soutenance mémoire
Systèmes hybrides sans source d’énergie conventionnelle
Mission des systèmes d’énergie hybrides
Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d’énergie électrique. Le prix du combustible qui augmente avec l’éloignement, et la baisse continue des prix des générateurs basés sur l’énergie renouvelable ont conduit à un couplage entre plusieurs sources, par exemple des éoliennes, des panneaux photovoltaïques et des générateurs. Les systèmes d’énergie hybrides associent au moins deux technologies complémentaires: une ou plusieurs sources d’énergie classiques, généralement des générateurs, et au moins une source d’énergie renouvelable. Les sources d’énergies renouvelables comme l’éolienne et l’énergie photovoltaïque ne délivrent pas une puissance constante. Leur association avec des sources classiques permet d’obtenir une production électrique continue. Le but d’un système hybride est d’assurer l’énergie demandée par la charge et, si possible, de produire le maximum d’énergie à partir des sources d’énergie renouvelable, tout en maintenant la qualité de l’énergie fournie [5] .Les performances d’un système hybride, le rendement et la durée de vie, sont influencées en partie par sa conception, c’est-à-dire le dimensionnement des composants, le type de composants, l’architecture, etc., et d’autre part, le choix de la stratégie de fonctionnement. Quelques paramètres permettant d’évaluer ses performances sont: l’économie de carburant, le coût du kW, le nombre et la durée des pannes, le nombre d’arrêts pour l’entretien, etc
Prévision de la production
Les problèmes que soulève l’intégration de la production intermittente imposent des surcoûts techniques liés au risque de non-disponibilité en période de pointe et aux besoins de réserve supplémentaires pour maintenir l’équilibre instantané entre offre et demande. L’intégration massive de sources non programmables génère des coûts supplémentaires à plusieurs niveaux [31] :
• Des coûts d’ installation de réserves supplémentaires pour faire face à la demande (sécurité du système) du fait d’un accroissement de la proportion des sources intermittentes: les besoins de capacité supplémentaires proviennent de l’ incertitude quant à la contribution des sources intermittentes à la puissance de pointe.
• Des coûts liés au besoin de disposer de réserves plus importantes pour maintenir, en temps réel, l’équilibre entre consommation et production d’électricité: la question de l’équilibre se situe sur une autre échelle temps, le temps réel. TI ne s’agit plus simplement de prévoir des capacités de production en réserve pour alimenter la demande en périodes de pointe en cas de défaillance des sources intermittentes, mais du fait de l’ incertitude de l’ apport éolien, d’assurer en permanence l’équilibre entre offre et demande pour maintenir la qualité de la fourniture.
En temps réel, la demande horaire aussi bien que l’offre horaire est en effet susceptible de subir des aléas entraînant un déséquilibre momentané qui doit être compensé par des variations correspondantes de la production ou de la consommation. Dans un système doté principalement de moyens de production thermique classique, les variations de la demande sont les principales sources de déséquilibre, mais, lorsque s’ajoutent de façon des sources intermittentes au système, les variations imprévues de l’offre des producteurs constituent un aléa de plus en plus important qui doit être compensé. Pour cela, le gestionnaire de réseau doit disposer de réserves immédiatement disponibles dont le coût augmente lorsque le volume des déséquilibres devient important.
Déconnexions intempestives
Les générateurs éoliens, tout comme la majorité des générateurs décentralisés sont très sensibles aux perturbations du réseau et ont tendance à se déconnecter rapidement lors d’un creux de tension, dès que la tension est inférieure de 80 % de la tension nominale, ou lors d’une variation de fréquence. Afm d’éviter un déclenchement simultané d’une partie de la production éolienne sur un défaut normalement éliminé, il est demandé aux éoliennes installées depuis 2003 (RTE Europe) de pouvoir rester connectées au réseau en cas de baisse de tension et de variation de fréquence suite à des contraintes pouvant varier d’un opérateur à l’autre. Par exemple RTE, demande que les éoliennes restent connectées au réseau tant que le creux de tension reste supérieur au gabarit.
Variation de tension et de fréquence dans les réseaux de transport et de distribution
Le réseau électrique a été conçu à l’origine pour transporter l’énergie électrique produite par les centres de production jusqu’aux centres de consommation les plus éloignés. Ainsi les transits de puissances circulent de l’amont depuis les productions d’énergie électrique de type grosses centrales hydrauliques, thermiques ou nucléaires, vers l’aval représenté par les consommateurs. Le réseau électrique comprend des kilomètres de ligne des postes de transformation, ainsi que de nombreux organes de coupure et d’automates. Pour assurer le bon fonctionnement de la fourniture d’électricité aussi des contrôles hiérarchisés assurent la tenue en tension et en fréquence, ceux-ci couplés aux divers automates, ont la charge de garantir la continuité de service du réseau. Cependant, ce dernier peut être soumis à des perturbations qui se propagent très vite sur une partie et qui peuvent avoir un impact critique pour tout le système électrique.
Ces perturbations peuvent être, entre autres, accentuées par des productions locales ajoutées sur le réseau de distribution. Or le réseau de distribution, conçu pour assurer le transit d’énergie du réseau amont vers les consommateurs et pour fonctionner sur la base de flux de puissance unidirectionnels, n’est pas prévu pour accueillir les productions décentralisées à grande échelle. Le nombre de producteurs en croissance sur le réseau, les circu~ations de flux de puissances initiales vont changer et vont être à l’origine de problèmes divers perturbant le bon fonctionnement du réseau d’électricité [27,29]. Dans ce chapitre, nous allons exposer les différentes méthodologies qui nous aideront à résoudre les problèmes cités au chapitre 2 à savoir : la variation de tension, de fréquence et on examinera aussi le problème de protection des réseaux électriques, on décrira les éléments constitutifs du réseau électrique à étudier. Enfin, on étudiera les conséquences d’une insertion à un noeud de tension d’une production décentralisée d’énergie renouvelable.
Le développement à grande échelle des réseaux électriques s’est fait pour des raisons techniques et économiques sous fonne d’un monopole verticalement intégré. L’énergie électrique étant alors et jusque dans les années 1990 produites de manière exclusivement centralisée, et consommée de manière décentralisée. Cela a nécessité la mise en place d’un réseau ‘ capable de transporter l’énergie produite en quelques dizaines de points de production vers les consommateurs. Le réseau de transport est maillé [1], l’énergie électrique produite est directement injectée sur ce dernier à très haute tension (par exemple en France 225 kV, au Canada 735 kV) pour être transportée sur de grandes distances avec un minimum de pertes. Elle descend ensuite sur les réseaux de répartition (63 kV et 90 kV), puis de distribution (20 kV) d’où elle est distribuée aux gros consommateurs et aux réseaux de distribution à basse tension (230/400V).Cette structure verticale Transport-Répartition-Distribution est schématisée sur la Figure 3.1
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Table des matières
Résumé
Remerciements
Table des matières
Liste de figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
Chapitre 2 – État de l’art des systèmes hybrides
2.1 Type de fonctionnement
2.2 Mission des systèmes d’énergie hybrides
2.3 Systèmes hybrides sans source d’énergie conventionnelle
2.3.1 Système photovoltaïque/stockage
2.3.2 Système éolien/stockage
2.3.3 Système hydroélectrique
2.3.4 Système hybride éolienlhydraulique
2.3.5 Système hybride photovoltaïque/éolien/stockage
2.4 Systèmes hybrides avec sources d’énergie conventionnelle
2.4.1 Système photovoltaïque avec source conventionnelle
2.4.2 Système hybride éolien/source conventionnelle
2.4.3 Réseau isolé
2.4.4 Source hybride hydraulique/éolien/diesel
2.5 Problèmes induits par l’intégration des générateurs éoliens dans les réseaux électriques
2.5.1 Effets sur le plan de protection
2.5.2 Effets sur la tension
2.5.3 Effets sur les puissances de court-circuit
2.5.4 Prévision de la production
2.5.5 Déconnexions intempestives
2.5.6 Effet sur la fréquence du réseau
2.6 Objectifs du mémoire
2.7 Conclusion
Chapitre 3 – Variation de tension et de fréquence dans les réseaux de transport et de distribution
3.1 Introduction
3.1.1 Généralités sur les réseaux électriques
3.1.2 Les réseaux de distribution
3.1. 3 Les postes sources HTBIHT A
3.1.4 Exploitation normale des réseaux
3.1.5 Tension et puissance réactive
3.1.6 Les réglages de tension
3.1.7 Réglage de la fréquence et contrôle de la puissance active
3.1.8 Importance de la tenue de tension et de fréquence dans les réseaux électriques
3.1. 9 La tenue de fréquence et ses conséquences
3.2 Système d’énergie hybride
3.2.1 Générateur diesel
3.3 Centrale hydroélectrique
3.3.1 Définition
3.3.2 Équation de Bernoulli
3.3.3 Puissance brute et nette d’une chute
3.4 Générateurs éoliens
3.4.1 Générateur asynchrone à cage d’écureuil (SGIG)
3.4.2 Génératrice asynchrone à rotor bobiné (WRIG)
3.4.3 Générateur asynchrone doublement alimenté (DFIG)
3.4.4 Générateur synchrone (SG)
3.5 Les surtensions induites par la connexion de génération d’énergie décentralisée (GED)
3.6 Conclusion
Chapitre 4 – Dimensionnement et simulation du système hybride
4.1 Introduction
4.2 Réseau multi sources
4.3 Composantes de simulation sous ETAP Power Station 7.5
4.3.1 Transformateurs
4.3.2 Charges
4.3.3 Câble ou ligne dénommés « Impédance »:
4.3.4 Fusible
4.3 .5 Fonctionnement du mode «staf» Create star view
4.4 Réseau hybride: Centrale Diesel, Centrale Hydroélectrique et Parc éolien
4.4.1 Introduction
4.4.2 Scénario 1 : étude la centrale diesel seul
4.4.3 Scénario 3 Centrale hydroélectrique combinée au Parc éolien
4.4.4 Scénario 4 Diesel combiné à l’hydroélectricité
4.4.5 Scénario 5 Diesel combiné au parc éolien
4.4.6 Récapitulation des différents scénarios
4.4.7 Remarques
4.5 Étude de la coordination de protection en présence de source de production décentralisée
4.5.1 Introduction
4.5.2 Réseau de distribution à étudier
4.5.3 Étude du réseau sans source décentralisée
4.5.4 Étude du réseau avec source décentralisé de 500kW
4.6 Conclusion
Chapitre 5 – Conclusions générales
Annexe A- Données du réseau hybride Centrale Diesel-Centrale
Hydroélectriq~e-Parc éolien
Annexe B- Paramètres du réseau hybride
Annexe C- Séquences de fonctionnement
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