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PARTICIPATION AUX SERVICES SYSTME DEPARCS OLIENS MIXTES : APPLICATION EN

MILIEU INSULAIREAlexandre Teninge

To cite this version:Alexandre Teninge. PARTICIPATION AUX SERVICES SYSTME DE PARCS OLIENSMIXTES : APPLICATION EN MILIEU INSULAIRE. Sciences de lingnieur [physics]. Institut Na-tional Polytechnique de Grenoble - INPG, 2009. Franais.

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INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LInstitut polytechnique de Grenoble

Spcialit : Gnie lectrique

prpare au laboratoire : Laboratoire de Gnie lectrique de Grenoble

dans le cadre de lEcole Doctorale lectronique, lectrotechnique, Automatique & Traitement du Signal

prsente et soutenue publiquement

par

Alexandre TENINGE

le 4 dcembre 2009

PARTICIPATION AUX SERVICES SYSTME DE PARCS OLIENS MIXTES :

APPLICATION EN MILIEU INSULAIRE

Thse encadre par :

Daniel ROYE Seddik BACHA

JURY

Pr. Brayima DAKYO Prsident et Rapporteur

Pr. Abdellatif MIRAOUI Rapporteur

Pr. Daniel ROYE Directeur

Pr. Saddik BACHA Directeur

M. Haritza CAMBLONG Examinateur

M. Jrme Duval Examinateur

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-

- I -

Table des matiresTable des matires I Table des symboles IV

Introduction gnrale 1

Chapitre 1 : nergie olienne et rseau lectrique 5

1. Lnergie olienne : contexte 5 1.1 olien au 1er janvier 2009 5 1.2 Facteur favorable au dveloppement de lolien 6 1.2.1. Facteur environnemental 7 1.2.2. Stratgie nergtique 7 1.2.3. Volont politique 7 1.3. Bilan 7

2. Intgration de lnergie olienne dans les rseaux lectriques 8 2.1. Systme dnergie lectrique 8 2.1.1. Architecture du rseau lectrique 8 2.1.2. Fonctionnement du systme dnergie lectrique 10 2.1.2.1. Rglage hirarchis de la frquence 10 2.1.2.2. Rglage hirarchis de la tension 14 2.1.2.3. Compensation dnergie ractive 16 2.1.2.4. Maintien du plan de tension sur les rseaux de distribution 18 2.2. Impact de lintgration de GED dans les rseaux lectriques 19 2.2.1. Impacts sur la tension 19 2.2.1.1. Problmes de tension lis linsertion de GED 19 2.2.1.2. Solution pour le rglage de tension dans les rseaux de distribution 21 2.2.2. Impacts sur la frquence 22 2.3. Conclusion 23

3. Les systmes oliens : principes de fonctionnement 23 3.1. Principe de conversion 23 3.2. La turbine 24 3.3. Zones de fonctionnement 25 3.4. oliennes vitesse de rotation fixe 26 3.5. oliennes vitesse de rotation variable 27 3.5.1. olienne base de MASDA 27 3.5.2. oliennes entirement interface base de MS aimants permanents 29 3.6. Conclusion sur les diffrentes structures dolienne 30

4. Aspect conomique : parcs oliens mixtes 30

5. Conclusion 31

Chapitre 2 : Modlisation des systmes oliens 33

1. Turbine 34 1.1. Gnration du couple olien 34 1.2. Modle du coefficient de puissance CP 35 1.3. Contrle de la turbine 36 1.3.1. Contrle en charge partielle 36 1.3.2. Contrle en pleine charge 37 1.3.3. Fonctionnement des oliennes 37 1.4. Modle et contrle de la rotation des pales 38

2. Transmission 39 2.1. Transmission flexible 39 2.2. Transmission rigide 40

3. Gnratrices 41 3.1. Machine ASynchrone Double Alimentation (MASDA) 41 3.2. Machine Asynchrone (MAS) 44 3.3. Machine Synchrone (MS) 45

Table des matires

- II -

4. Modlisation de linterface dlectronique de puissance 46 4.1. Modle topologique de londuleur de tension 47 4.2. Modle moyen et contrle des courants du convertisseur ct machine 48 4.2.1. Structure MS 48 4.2.2. Structure MASDA 49 4.3. Modle moyen et contrle du convertisseur ct rseau 50 4.4. Modlisation des pertes dans un onduleur de tension 51

5. Fonctionnement des structures 53 5.1. olienne base de MAS 53 5.2. olienne base de MASDA 53 5.3. olienne base de MS 55

6. Conclusion 56

Chapitre 3 : tude de la gestion du ractif de parcs olien mixtes : participation au rglage de tension et tenue aux creux de tension 57

1. Contraintes inhrentes la gestion dnergie ractive par les parcs oliens raccords au rseau de distribution 58 1.1. France 58 1.1.1. Rseau de distribution 59 1.1.2. Rseau de transport 59 1.2. Autres pays europens 59 1.2.1. Irlande 59 1.2.2. Allemagne 60 1.2.3. Danemark 60 1.3. Conclusion 60

2. Moyens et capacits de gestion de la puissance ractive des diffrentes technologies doliennes 61 2.1. olienne base de MS 61 2.1.1. Contrle de la puissance ractive 61 2.1.2. Dimensionnement du convertisseur ct rseau 63 2.1.3. Fonctionnement global 63 2.2. olienne base de MASDA 65 2.2.1. Contrle de la puissance ractive 65 2.2.2. Dimensionnement du convertisseur ct rseau 66 2.2.3. Fonctionnement global 68

3. Composition de parc olien mixte sur critre de capacit en ractif 69 3.1. Dtermination des capacits dune olienne base de MASDA 70 3.1.1. Dimensionnement du CCR pour un parc olien mono-technologie de type MASDA 70 3.1.2. Parc olien mixte combinant les technologies MASDA et MAS 71 3.2. Dtermination de la composition dun parc constitu dolienne base de MAS et MS 72 3.2.1. Dimensionnement du CCR pour un parc olien mono-technologie de type MS 72 3.2.2. Parc olien mixte combinant les technologies MS et MAS 73 3.3. Conclusion 73

4. Participation au rglage de tension 74

5. Tenue aux creux de tension 76 5.1. Systme lectrique pour ltude de la tenue aux creux de tension 77 5.2. Tenue aux creux de tension 78 5.2.1. oliennes base de MAS 78 5.2.2. oliennes base de MASDA 81 5.2.3. oliennes base de MS 84 5.2.4. Tenue aux creux de tension dun parc olien mixte 86

6. Conclusion 90

Table des matires

- III -

Chapitre 4 : Analyse sur la tenue aux variation de frquence et sur les moyens de participation au rglage de frquence 91

1. Tenue aux variations de frquence 92 1.1. Enjeux et rglementation 92 1.2. Comportement des diffrentes technologies doliennes 93 1.2.1. olienne base de MAS 93 1.2.2. olienne base de MASDA 94 1.2.3. olienne base de MS 95 1.2.4. Conclusion 96

2. Moyens de participation au rglage de frquence 97 2.1. Conditions techniques sur la gestion de la puissance active 97 2.2. Contrle des oliennes pour la participation au rglage de frquence 99 2.2.1. Contrle de langle de calage 100 2.2.2. Contrle de la vitesse : rserve + stockage inertiel 103 2.2.2.1. Principe du stockage inertiel 103 2.2.2.2. Fonctionnement dcharge constante 105 2.2.2.3. Fonctionnement stockage dnergie cintique constant 109 2.2.3 Conclusion sur les moyens de contrle des oliennes pour la participation au rglage de frquence 113 3. Conclusion 114

Chapitre 5 : tude de linsertion de parcs oliens mixtes en milieu insulaire : application du rglage primaire de frquence 115

1. Les systmes insulaires 116

2. Systme insulaire tudi 117 2.1. Description du systme 117 2.2. Description des modles constituant les lments du systme insulaire 119 2.2.1. Alternateurs 119 2.2.2. Systme dexcitation 119 2.2.3. Systme dentranement 120 2.2.3.1. Groupe diesels 120 2.2.3.2. Centrales Hydrolectrique 121 2.2.3.3. Turbine combustion 121 2.2.4. Modles de charge 122 2.2.5. Systmes oliens 122

3. tude de la participation de parcs oliens mixtes au rglage de frquence 123 3.1. Conditions globales de simulation 124 3.1.1. Groupes de production classique 124 3.1.2. Parcs oliens 125 3.2. Participation des parcs oliens au rglage de frquence 125 3.2.1. Description des scnarios 126 3.2.2. Conditions de simulation 126 3.2.3. Analyse des rsultats 126 3.2.4. Conclusion 129 3.3. Parcs oliens mixtes : comportement des oliennes 129 3.3.1. Analyse des rsultats 129 3.3.2. Conclusion 133 3.4. Parcs oliens mixtes avec contrle de la rserve de puissance par action sur la vitesse de rotation

des oliennes vitesse variable 133 3.4.1. Conditions de simulation 135 3.4.2. Analyse des rsultats 135 3.4.3. Conclusion 136

4. Conclusion 136

Conclusions et perspectives 137

Bibliographie 139

Annexes 145

- IV -

Table des symboles

Symboles spcifiques la turbine :

CP Coefficient de puissance v Vitesse du vent

Angle de calage PT Puissance de la turbine

Densit volumique de lair T Vitesse de rotation de la turbine

Rapport de vitesse T Couple de la turbine

Symboles spcifiques la transmission :

T Couple axe lent

G Couple axe rapide N Rapport de transformation

tors Couple de torsion JT Inertie axe lent

T Angle axe lent JG Inertie axe rapide

G Angle axe rapide DT Attnuation axe lent

tors Angle de torsion DG Attnuation axe rapide

T Vitesse axe lent De Attnuation transmission

G Vitesse axe rapide KT Raideur transmission

Autres symboles lectriques et mcaniques:

v Vecteur de tension

V, v Tension

i Vecteur de courant

I, i Courant

Vecteur de flux , Flux Indices associs : UC Tension bus continu S Grandeur statorique relle

ICond Courant continue ct onduleur 1 Grandeur statorique ramene au rotor

ICred Courant continu ct redresseur R Grandeur rotorique ramene au stator

f Frquence 2 Grandeur rotorique relle

Pulsation m Mutuelle cyclique entre stator et rotor vue du stator

P Puissance active 'm

Mutuelle cyclique entre stator et rotor vue du rotor

Q Puissance ractive

g Glissement d Composante directe (Park)

Vitesse de rotation q Composante quadratique (Park)

Couple

mag Magntisant

R Rsistance elm Electromagntique

L Inductance elec Electrique

C Condensateur mec Mcanique

M Mutuelle inductance pu Per unit

Coefficient de dispersion

m Rapport de transformation

- 1 -

Introduction Gnrale

Le dveloppement grande chelle de lnergie olienne a tout dabord commenc en

Europe la fin des annes 90. Son expansion se poursuit toujours lheure actuelle, en Europe,

mais aussi travers le monde, notamment en Amrique du Nord avec les tats-Unis et en Asie avec

la Chine et lInde. La puissance totale installe atteignait fin 2008 un peu plus de 120 GW, dont

environs 50% situs en Europe, dpassant ainsi les prvisions : en 2005 on esprait voir 60 GW de

puissance installe lhorizon 2010.

Les facteurs tels que la rduction des gaz effet de serre et la drgulation du march de

llectricit en Europe (1996), dans un contexte conomique favorable, ont permis lessor de

lnergie olienne avec comme consquence, lintgration massive de ces moyens de production au

niveau des rseaux de distribution. Du fait de la conception verticale des rseaux lectriques, les

producteurs raccords au rseau de distribution sont considrs comme dcentraliss et souvent

dsigns sous le terme de gnration dnergie disperse ou GED.

Tant que les moyens de production raccords au rseau de distribution restaient marginaux,

en terme de puissance, ils navaient que peu dinfluence sur le fonctionnement des rseaux, cest

pourquoi leurs seules contraintes taient de produire quand cela tait possible et de se dcoupler

du rseau en cas de dfaut sur celui-ci. Laugmentation de leur insertion commence tre ressentie

sur le fonctionnement des systmes lectriques, limitant entre autre la poursuite de leur intgration.

Les moyens et stratgies de rglage employs jusqu prsent ne sont plus adapts pour garantir le

bon fonctionnement du systme. Il est donc ncessaire que ces nouveaux producteurs rendent

service au systme auquel ils sont raccords. Pour cela, les conditions techniques de raccordement

voluent et de nouvelles stratgies de gestion des systmes lectriques sont ltude.

Introduction Gnrale

- 2 -

Dans ce contexte de forte mutation des rseaux de distribution lectrique, le groupement

dintrt conomique Inventer la Distribution lectrique de lAvenir (GIE IDEA regroupant

Scneider Electric, EDF et le G2Elab) a lanc depuis dj quelques annes, en parallle des tudes

menes sur les rseaux de distribution du futur, une activit de recherche sur linsertion de lnergie

olienne dans les rseaux de distribution et en milieu insulaire. Cette activit a dbut avec la thse

de Nicolas Laverdure Sur lintgration des gnrateurs oliens dans les rseaux faibles ou

insulaires [Lav 05]. Cette thse a permis ltude et la modlisation (ainsi que la validation des modles) de trois technologies dolienne reprsentatives de la diversit actuellement prsente sur le

march :

- Une structure vitesse fixe base de machine asynchrone cage dcureuil directement raccorde au rseau.

- Une structure vitesse variable base sur une gnratrice double alimentation dont le rotor est raccord au rseau par une interface dlectronique de puissance de taille rduite ( 30% de la puissance nominale de la machine).

- Une structure base de machine synchrone aimants permanents entirement interface par de llectronique de puissance permettant une grande plage de variation de vitesse.

Les thmes tudis dans ces premiers travaux concernaient essentiellement les aptitudes et

capacits de chaque technologie en terme de qualit dnergie, de tenue aux creux de tension et de

contribution aux services systme. La notion de parc olien mixte a galement t introduite dans le

cadre de ltude sur la qualit dnergie. Ces tudes ont permis de mettre en vidence les difficults,

voir incapacits, rencontres par les oliennes vitesse fixe rpondre diffrentes exigences de

raccordement (du fait du peu de moyens de contrle quoffre cette structure) et de mettre en avant la

flexibilit de contrle quoffre une structure dolienne entirement interface par rapport une

structure double alimentation.

Les travaux prsents dans cette thse prolongent ceux effectus par Nicolas Laverdure. Ils

ont pour objectif dapprofondir le concept de mixit, qui consiste faire cohabiter diffrentes

technologies au sein dun mme parc : une technologie vitesse fixe et une technologie vitesse

variable. Les principales motivations pour ltude dune telle structure de parc olien sont les

suivantes:

- Lventualit de voir stendre ou rnover les parcs oliens existants, bass sur une technologie vitesse fixe, nest pas exclure. Auquel cas, ils devront rpondre aux nouvelles exigences de raccordement. Ladjonction doliennes vitesse variable pour apporter des rponses convenables ces nouvelles contraintes parait tre une bonne solution.

- Il peut tre judicieux de concevoir un projet olien en y intgrant directement une mixit technologique, dans le but de rduire sont cot dinvestissement, les oliennes vitesse fixe tant de par leur simplicit moins onreuses que celles vitesse variable.

Introduction Gnrale

- 3 -

Le premier chapitre de cette thse permet de dfinir et justifier les motivations de ces

travaux de thse, en prsentant plus en dtail le contexte de lnergie olienne et, larchitecture et le

fonctionnement du systme lectrique dans lequel les parcs oliens sont intgrs. Ceci permettra de

mieux comprendre linfluence de leur insertion sur le fonctionnement du systme. Les diffrentes

technologies doliennes existantes et leur principe (de base) de fonctionnement seront galement

prsents.

La modlisation des systmes oliens exploits dans cette activit de recherche ainsi que

leur commande seront prsentes au second chapitre. Ces modles ayant t dvelopps au cours

des travaux de thse de Nicolas Laverdure seuls les lments ncessaires la comprhension des

tudes qui suivront seront dcrits.

Nous pourrons alors nous attacher aux tudes concernant la stabilit en tension et en

frquence. Les simulations permettant de rpondre aux diffrents lments concernant ces aspects

ont t ralises avec le logiciel Matlab/Simulink.

Le Chapitre 3 se focalisera sur les contraintes et capacits de gestion de la puissance

ractive, de la participation au rglage de tension et de la tenue aux creux de tension des parcs

oliens. Un tour dhorizon de quelques rglementations existantes en Europe sera effectu. Nous

traiterons galement la question du dimensionnement de parcs oliens mixtes et apporterons des

solutions de contrle pour la tenue aux creux de tension.

Les contraintes en matires de gestion de la puissance active et de participation au rglage

de frquence feront lobjet du Chapitre 4. Ce chapitre prsentera galement les moyens mis en

uvre pour chaque technologie afin daboutir leur participation au rglage primaire de frquence.

Ltude de lintgration de parcs oliens mixtes en milieu insulaire sera prsente

Chapitre 5. Cette tude ralise laide du logiciel EUROSTAG, se focalisera sur la participation

au rglage de frquence des parcs oliens dans un rseau de type insulaire.

Enfin comme le veulent les us, nous clturerons cette thse par les conclusions de ce travail

et les perspectives qui pourront y faire suite.

- 5 -

Chapitre 1

nergie olienne et rseau lectrique

1. Lnergie olienne : contexte

1.1. olien au 1er janvier 2009

Depuis environ une dcennie le dveloppement de lnergie olienne se poursuit un

rythme soutenu sur lensemble du globe. On comptabilisait fin 2008 pas moins de 120 GW de

puissance olienne installe, contre 17 GW la fin de lanne 2000 [GWE 09]. Les pays comme les Etats-Unis et la Chine, en confirmant leur fort dveloppement, rattrapent le retard quils avaient par

rapport lEurope. Ils ont respectivement install 30,9% et 23,3% des nouvelles capacits en 2008,

permettant ainsi aux tats-Unis de passer devant lAllemagne qui tait jusqualors la 1re nation en

terme de puissance olienne installe. LEurope nen reste pas moins active avec linstallation en

2008 de 8,4 GW sur lensemble des 27 pays constituants lUnion Europenne, atteignant ainsi une

capacit totale de 65 GW. Quant la France, elle poursuit sont dveloppement en se classant au

7me rang mondial avec une capacit de 3,4 GW. La Figure 1.1 illustre lvolution de la capacit

totale installe dans les pays leader en 2008 (Etats-Unis, Allemagne, Espagne et Chine) et en

France, entre les annes 2000 et 2008.

En Europe les capacits de production olienne reprsentaient fin 2008 8,13% de la capacit

totale de production dnergie lectrique, et lnergie olienne a couvert 4,2% de la demande de

consommation dnergie lectrique [EWE 09].

Pour la France, qui en comparaison de ses voisins europens a pris un peu de retard, la

production dnergie olienne a couvert 1,15% de la demande en 2008 [RTE 09]. Notons que les principales causes de ce retard proviennent des lourdeurs administratives, ainsi que des problmes

dacceptation par la population de voir linstallation dune ferme olienne prs de chez eux.

Toutefois le Comit oprationnel du Grenelle de lEnvironnement a tabli un objectif optimiste

pour lolien, avec en vue une capacit totale installe de 25 GW lhorizon 2020 (ce qui reprsente

40% des capacits nuclaires actuelles) [ADE 09]. Pour atteindre cet objectif des mesures sont mises en uvre afin de faciliter le dveloppement des projets de cration de ferme olienne.

Chapitre 1 : nergie olienne et rseaux lectrique

- 6 -

Capacit totale installe en GW

0

5

10

15

20

25

30

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

tat-Unis

Allemagne

Espagne

Chine

France

Figure 1.1 : volution des puissances oliennes installes

On peut donc constater que la filire olienne se porte bien. Signe de son bon

dveloppement, les premiers scnarii labors pour lEurope en terme de puissance installe et de

couverture nergtique ont t atteints avant lheure. Aujourdhui EWEA (European Wind Energy

Association) prvoit pour lEurope une capacit totale installe de 180 GW et une couverture

nergtique au alentour de 13% lhorizon 2020.

1.2. Facteur favorable au dveloppement de lolien

Lessor qua connu le secteur olien et sa bonne sant actuelle a t rendu possible grce

diffrents facteurs. Ceux-ci sont de natures diverses mais rsultent essentiellement dorientations

politiques dans un contexte conomique jusqualors favorable.

1.2.1. Facteur environnemental

La prise de conscience par les politiques des problmes environnementaux, et plus

particulirement celui du rchauffement climatique, ont amen les pays dvelopps rflchir aux

moyens mettre en uvre dans le but de limiter limpact environnemental de la donne nergtique.

De l, diffrentes initiatives ont vu le jour afin de rduire les missions de gaz effet de

serre (GES). On trouve parmi ces initiatives : le protocole de Kyoto (2005), les objectifs de

lEurope pour 2020 de rduire de 20% les missions de GES (par rapport 1990) et datteindre une

part de 20% dnergies renouvelables dans consommation globale dnergie (2007), Selon lAIE

(Agence Internationale de lnergie) llectricit reprsente environ 16% de la consommation

mondiale dnergie, mais sa production engendre environ 40% des missions de GES [EWE 08]. Cest donc un secteur dans lequel de nombreux efforts peuvent tre mens et o lolien a une place

non marginale prendre.

En effet lnergie olienne ne gnre ni dchet, ni GES dans son processus de production

dlectricit : elle permet donc de rduire les missions de GES. En France daprs le scnario

labor par RTE les missions vites grce lolien sont estimes 300 g de CO2 par kWh. Ce-ci


- 7 -

reste toutefois une estimation, donc dpendante de nombreux paramtres et souvent exempt

dimpartialit. Selon EWEA par exemple, la production de 142 TWh en 2008 aurait permis dviter

lmission de 108 Mt de CO2, soit environ 760 g/kWh [EWE 09].

1.2.2. Stratgie nergtique

Par le pass les stratgies politiques en matire nergtique se portaient principalement sur

les ressources fossiles et le nuclaire pour certains pays. Aujourdhui aprs plusieurs crises lies

ces ressources, la prise de conscience des limites des rserves, des problmes gopolitiques quelles

peuvent engendres et bien entendu des problmes environnementaux que lexploitation abondante

des ressources fossiles entrane, ces stratgies sorientent vers une mixit nergtique. Et pour

cause ! Le fait de multiplier les ressources permet de limiter les crises lies lune delles. De plus

lexploitation des ressources locales contribue lindpendance nergtique. Lolien se situe donc

dans les axes stratgiques actuels de part son abondance sur une grande partie du globe.

1.2.3. Volont politique

Pour promouvoir le dveloppement des nergies renouvelables, de nombreux tats ont mis

en place des systmes de rmunration spcifiques pour assurer la rentabilit des projets, et donc

favoriser les investissements dans les secteurs concerns. Concernant lolien, de nombreux pays

dont la France ont mis en place une obligation dachat un tarif garanti (avantageux) sur les

premires annes dexploitation.

Le secteur de lolien a fortement profit de ces mesures, favoris par le fait que lnergie

olienne est la plus comptitive de toutes les nergies renouvelables productrices dlectricit non

conventionnelles. En effet, le cot de production de lolien est estim autour de

8 c/kWh [EWE 09] ; en comparaison, le cot de production dune centrale photovoltaque de 200 kW est estim au environ de 35 c/kWh [ADE 09]. Cet avantage sexplique entre autre par un taux de disponibilit des machines de plus de 98%, et du fait que les oliennes modernes (fin 80

dbut 90) se soient dveloppes sur la base de technologies matures, rduisant ainsi leur cot de

dveloppement.

1.3. Bilan

Aujourdhui lnergie olienne est donc bien implante dans le paysage des producteurs

dnergie lectrique. Son essor a t permis grce aux orientations politiques guides par diffrents

facteurs (environnemental, stratgique, conomique, ...), mais aussi parce que lolien recle un

potentiel nergtique important et que le cot de production dlectricit partir de cette nergie est

des plus comptitif. Toutefois une telle intgration dans les rseaux lectriques nest pas sans

consquences sur son fonctionnement et son exploitation. Le paragraphe suivant sattache dcrire

le systme dnergie lectrique dans lequel lnergie olienne est intgre, ce qui permettra par la

suite de mieux cerner les problmes lis son insertion et ainsi introduire les objectifs de cette

thse.


- 8 -

2. Intgration de lnergie olienne dans les rseaux lectriques

En Europe, la volont de voir se dvelopper les sources dnergie renouvelable de part ses

engagements en matire denvironnement, lie louverture du march nergtique (1996), a conduit

de nombreux changements sur les rseaux lectriques, avec notamment la possibilit pour les

nouveaux producteurs de se raccorder aux rseaux de distribution et de vendre lnergie produite

aux gestionnaires de ces rseaux. Ce contexte vu lmergence de nouveaux producteurs,

bouleversant ainsi le fonctionnement du systme lectrique lorigine conu sur une architecture et

divers contrles hirarchiss verticalement lnergie lectrique allait des producteurs centraliss

sur le rseau de transport, vers les consommateurs en passant les rseaux de distribution

garantissant le maintien de la tension, de la frquence et la continuit de service.

Ntant pas raccords au rseau de transport ces nouveaux producteurs sont considrs

comme des productions dcentralises, galement connus sous la dnomination de production

ou gnration dnergie disperse (PED ou GED). Linsertion grandissante des GED rduit

leur marginalit, apportant de nouveaux problmes sur les rseaux. Cest pourquoi depuis quelques

annes les contraintes techniques de raccordement des PED voluent, avec pour objectif de garantir

le bon fonctionnement du systme lectrique tout en permettant linsertion de nouveaux

producteurs. Lolien qui met en uvre des capacits de production importantes la moyenne dun

parc olien franais est denviron 10 MW est donc fortement concern par ces modifications, et se

doit de pouvoir y rpondre tout en restant conomiquement viable.

2.1. Systme dnergie lectrique

Un rseau lectrique est un systme dynamique complexe qui met en uvre de nombreux

acteurs et possde bien entendu ses propres limites physiques. Il a pour objectif de satisfaire

lalimentation des consommateurs tout en garantissant une qualit de lnergie lectrique, et la

scurit des biens et des personnes. Pour cela il doit tre correctement dimensionn et contrl.

2.1.1. Architecture du rseau lectrique

La plupart des rseaux lectriques, quils soient continentaux ou insulaires, ont t conus

pour des raisons techniques et conomiques sur une hirarchie descendante (Fig. 1.2) [Pie 84]. La description qui suit prsente le cas du rseau dnergie lectrique franais.

Au sommet de cette hirarchie se trouvent les systmes de production dits classiques. Ces

systmes de forte puissance sont principalement des centrales nuclaires, thermiques et

hydrolectriques. Ces producteurs sont centraliss de par leur connexion au rseau de transport

maill trs haute et haute tension : HTB (de 400 kV 63 kV). Ce rseau a une envergure nationale

et est dimensionn pour transporter de grande quantit dnergie lectrique sur de grande distance

avec un minimum de pertes. Il est connect aux autres rseaux nationaux europens. Lexploitation

de ce rseau sous forme maill accrot la sret de fonctionnement puisquelle permet dassurer la


- 9 -

continuit de service en cas dincident sur une ligne ou sur une unit de production. Les liens entre

les diffrents niveaux de tension sont assurs par lintermdiaire de transformateurs.

Rseau de transportHTB:400, 225, 90, 63 kV

Charge

Rseau de distribution type rural(arborescence)

Rseau de distribution type urbain(coupure dartre)

Charge Sectionneur ferm Sectionneur ouvert

Postes sourcesHTB / HTA

Groupes de production : - Nuclaire # 1000 MW - Thermique # 100n MW - Hydrolectrique 10 - 100 MW

TransformateursRaccordement des groupes de production au rseau de transport

Figure 1.2 : Architecture des rseaux lectriques

Lnergie lectrique est ensuite achemine vers les consommateurs raccords en

basse tension (BT) (400 / 230 V) travers les rseaux de distribution qui fonctionnent gnralement

sous une tension de 20 kV (HTA). Ces rseaux sont raccords au rseau de transport via des postes

sources et sont principalement exploits sous forme radiale en milieu rural (arborescence) et en

coupure dartre en milieu urbain (boucle ouverte).


- 10 -

Avec ce type darchitecture les flux de puissance transitant sur les rseaux de distribution

sont unidirectionnels. Ces rseaux ont donc t dimensionns cet effet et disposaient des moyens

de contrle ncessaires pour assurer une bonne fourniture dnergie lectrique aux consommateurs.

Bien quil existait dj des moyens de production raccords sur ces rseaux, ceux-ci restaient

marginaux et naffectaient pas leur bon fonctionnement mais laugmentation de linsertion de GED

a fait natre de nouveaux problmes. Lexploitation de ces rseaux et les conditions de

raccordement des GED ne peuvent se poursuivre comme alors. Des changements doivent tre

apports pour continuer garantir le bon fonctionnement du systme lectrique et permettre

linsertion de nouveaux producteurs.

Pour mieux comprendre les problmes et les volutions des contraintes de raccordement lis

linsertion de lnergie olienne dans les rseaux lectriques, nous allons maintenant dcrire le

fonctionnement dun systme dnergie lectrique tel quil vient dtre expos, (intgration

verticale) en prsentant les principaux rglages garants de son bon tat de marche.

2.1.2. Fonctionnement du systme dnergie lectrique

Un systme dnergie lectrique peut tre caractris par sa frquence et ces diffrents

niveaux de tension. La stabilit de ces grandeurs lintrieur de valeurs contractualises assure la

stabilit du systme dans son intgralit. Pour cela les producteurs centraliss se doivent de

rpondre ce que lon appelle les services systme, c'est--dire quils participent entre autres au

rglage de tension et de frquence en des termes dfinis par les gestionnaires du rseau de transport

auquel ils sont raccords. Il existe galement diffrents dispositifs mis en uvre sur lensemble du

rseau, et plus particulirement sur les rseaux de distribution, qui permettent de maintenir la

tension dans sa plage contractuelle. De plus un rseau lectrique nest pas exempt dalas, quils

soient dorigine naturelle, matrielle ou humaine, le systme lectrique doit pouvoir y faire face en

retrouvant rapidement un fonctionnement normal, et ce avec le minimum de dsagrments pour le

consommateur.

2.1.2.1. Rglage hirarchis de la frquence

En fonctionnement normal la frquence dun systme dnergie lectrique est identique un

instant donn sur lensemble du rseau, elle reprsente la vitesse des groupes de production

synchrones tous les alternateurs tournent la mme vitesse lectrique. La stabilit de la frquence

est assure par lquilibre entre la production et la consommation. En consquence, une variation de

charge ou de production a donc pour effet de modifier la frquence du systme : une production

suprieure la consommation entranera une augmentation de frquence et inversement. Les

groupes de productions sont donc rguls pour garantir la stabilit de la frquence et son maintien

une valeur nominale de rfrence (50 Hz en Europe). Ce-ci est rendu possible grce la constitution

de rserves de puissance rparties sur diffrents groupes de production et aux diffrents rglages

hirarchiss, intervenant successivement, qui leurs sont associs : les rglages primaire, secondaire

et tertiaire (Fig. 1.5).


- 11 -

Rglage primaire de frquence : RPF

Le rglage primaire de frquence est une correction automatique qui intervient rapidement

pour rtablir lquilibre production / consommation et maintenir la frquence proche de sa valeur de

rfrence. Ce rglage agit directement sur la vitesse des alternateurs par lintermdiaire des boucles

de rgulation (Fig. 1.3) : rappelons que la vitesse dun groupe synchrone est une image directe de la

frquence. la fin de ce rglage la frquence est diffrente de la frquence de rfrence.

TurbineAlter-nateur

Vanne

G_ref : vitesse de rfrence1/P

Correcteur+

- +-

P 0 : consigne de puissance

Y : commande

P G : Puissancedu gnrateur

Fluidemoteur

Statisme

Figure 1.3 : Intgration dun statisme dans une boucle de rgulation de vitesse (en pu)

Tous les groupes de production classiques raccords au rseau de transport ont lobligation

de participer ce rglage. Le rgulateur de vitesse impose une variation linaire entre la frquence

et la puissance active du groupe (Fig. 1.4), ce qui donne ce rglage une caractristique statique.

Cette loi de rglage statique est dfinie par :

N

0

N

0

f

)ff(1

P

)PP( =

(1.1)

Ou :

)ff(K)PP( 00 = (1.2)

Avec : P0 : puissance active fournie la frquence nominale, MW

P : puissance fournie par le groupe en mode quasi stationnaire, MW

PN : puissance nominale du groupe, MW

f : frquence du rseau, Hz

fN : frquence nominale du rseau, Hz

K : nergie rglante du groupe, MW/Hz

: statisme du groupe, %


- 12 -

PP NP 0

f

f N

fmin

fmax

0

Figure 1.4 : Statisme

Cette stratgie de rglage fait apparatre deux notions, celle de rserve primaire et celle

d nergie rglante primaire.

La premire correspond la capacit du systme rtablir lquilibre

production / consommation lorsque la consommation se trouve excdentaire. Pour cela le systme

doit disposer dune rserve de puissance suffisante. La rserve primaire dun groupe correspond

donc la diffrence entre la puissance active fournit la frquence nominale : P0, et sa puissance

de limitation (si un groupe participe diffrents rglages, sa puissance de limitation est infrieure

sa puissance nominale afin quil dispose dune rserve ncessaire pour participer aux autres

rglages). LUCTE prconise pour le rseau europen une rserve primaire de 3000 MW, ce qui

permet de compenser la perte de deux des plus gros groupes (trois tranches nuclaires).

Lnergie rglante, K, correspond la variation de puissance par rapport la variation de

frquence. Plus cette nergie est grande moins la dviation de frquence aprs le rglage

primaire sera important. Lnergie rglante dun groupe de production est inversement

proportionnelle son statisme comme le montre lquation (1.3). Pour un rseau cette nergie

correspond la somme des nergies rglantes de chaque groupe de production. En Europe cette

valeur est priodiquement rvise par lUCTE : depuis 2005 elle est fixe pour lensemble du

systme europen 21000 MW/Hz.

N

N

f

P1K

= (1.3)

Rglage secondaire de frquence : RSF

Lobjectif du rglage secondaire est de ramener la frquence sa valeur nominale tout en

rtablissant les changes de puissance entre les partenaires leur valeur contractuelle. Pour cela un

rglage automatique centralis dans les centres nationaux de dispatching envoie de nouvelles

consignes de puissance aux groupes participants au RSF. Ces groupes sont choisis selon leurs

capacits dynamiques moduler leur production et leur cot. Les RSF est plus lents que le rglage

primaire (quelques minutes) et il intervient une dizaine de seconde aprs la stabilisation de la


- 13 -

frquence par le rglage primaire. Il permet galement aux groupes ne participant pas ce rglage

de reconstituer leur rserve primaire en se replaant leur point de fonctionnement initial (Fig. 1.5).

t0 t1 t2

49.5

49.75

50

t0 t1 t20

Rserve primaireRserve secondaireRserve tertiaire

Frquence du rseau (Hz)

Utilisation de larserve primaire(qqs secondes)

Utilisation de la rserve secondaire(qqs minutes)

Utilisation de larserve tertiaire

(qqs 10n minutes)

Puissance utilisesur les rserves

Figure 1.5 : Rglage hirarchis de frquence : emploi des diffrentes rserves suite un dfaut

Rglage tertiaire de frquence : RTF

Le rglage tertiaire est manuel : il est effectu par les oprateurs du rseau depuis le centre

de dispatching. Cette rserve tertiaire permet dune part de complter le RSF si cette rserve sest

trouv insuffisante pour ramener la frquence sa valeur nominale, mais galement de compenser

la diffrence entre production et consommation lors de variation lente de cet cart. Cette rserve

doit tre mobilisable dans un dlai de 15 minutes.

En somme, les rserves secondaire et tertiaire doivent tre dimensionnes pour faire face

aux pointes de consommations, alors que la rserve primaire doit faire face aux variations rapides

de frquence.

Situation critique : dlestage de charge

Lors de situations critiques engendres par la perte brutale dune partie consquente de la

production, il se peut que le rglage primaire ne soit pas suffisant pour limiter la chute de frquence.

Dans ce cas certaines charges sont dlestes dans le but de stabiliser le systme le plus rapidement

possible. Ce dlestage est effectu de manire automatique par des automates programms en

consquence. Le rglage de ces automates dpend de la sensibilit des charges alimentes : les

administrations et centre hospitaliers ne seront affects quen dernier recours, alors quun quartier

rsidentielle sera vis en priorit. En milieu insulaire o de telles situations surviennent plus

frquemment, le rglage des automates est rgulirement revisit afin de ne pas affecter les mmes

consommateurs chaque dfaut.


- 14 -

2.1.2.2. Rglage hirarchis de la tension : rseau de transport

Les charges prsentes sur le rseau lectrique consomment dune part une certaine quantit

de puissance active et gnralement une quantit plus ou moins importante de puissance ractive

selon leurs types.

Cette puissance ractive consomme est en partie fournie par les groupes de productions

essentiellement connects au rseau de transport, et en partie par des dispositifs de compensations

dnergie ractive gnralement placs au plus prs de la consommation pour viter les transits

levs de puissance ractive dans le rseau de transport vers le rseau de distribution. En effet, en

HTB, les lignes ont un caractre plus inductif que rsistif et le transit de puissance ractive induit de

forte chute de tension. De plus, le fait de faire transiter de la puissance ractive dans une ligne

diminue la puissance active maximale transmissible par celle-ci [RTE 04].

Du fait de ltendue du rseau HTB les contrles en tensions seffectuent de manire

hirarchise dans le temps et de manire distribue dans lespace (Fig. 1.6).

Rglage primaire de tension : RPT

Le rglage primaire agit au niveau local avec une constante de temps de l'ordre de 100 ms

sur la tension aux bornes des groupes pour faire face des variations rapides de la tension qui

peuvent tre induites par des variations de demande de puissance ractive, par des dfauts ou par

des manuvres sur le rseau. Le RPT est le premier intervenir suite une perturbation. Il se

caractrise par une action base sur des critres locaux en asservissant la tension aux bornes du

groupe une valeur de rfrence. Grce cet asservissement les gnrateurs actuels,

essentiellement des alternateurs, fixent la tension une valeur de consigne sur leur point de

raccordement. Le principe est dagir sur lexcitation de ces machines pour garder le niveau de

tension dsire. Ceci est ralisable dans les limites propres de chaque alternateur. Le RPT permet

donc, dans la limite des rserves primaires des groupes (en ractif), de maintenir l'quilibre local

entre la production et la consommation de puissance ractive et de rpondre rapidement aux

fluctuations alatoires de la tension. [Cra.1 03].

Rglage secondaire de tension : RST

Le rglage secondaire de tension a pour but de faire face de manire coordonne de fortes,

mais lentes fluctuations de la tension l'chelle rgionale, ce que le rglage primaire ne peut assurer

seul. Le RST est automatis et centralis par rgions (dites zones de rglage). Ces zones de rglages

doivent tre indpendantes du point de vue de la tension. Cela signifie que chaque zone est en

thorie insensible toute variation de tension pouvant survenir dans une zone voisine. Il a pour

objet de limiter les transits de puissance ractive sur les lignes d'interconnexion, et de maintenir la

tension en certains nuds reprsentatifs de la tension de chaque zone sa valeur de consigne. Ces

nuds spcifiques sont appels nuds pilotes (il y en a un par zone de rglage).


- 15 -

Cette action est ralise en laborant une correction des valeurs de consigne de chaque

groupe participant au RST. Le correcteur du rglage secondaire labore un niveau de participation

partir de l'cart entre la consigne de tension du nud pilote et la tension mesure en ce mme nud.

Ce niveau est ensuite utilis par la boucle de ractif de chaque alternateur pour dterminer la

correction apporter sur la consigne de tension de ce dernier. Afin de protger le rseau contre

d'ventuelles oscillations dues des actions contradictoires des rglages primaire et secondaire, ce

dernier a un temps de rponse nettement plus long que le prcdent : il est de l'ordre de la minute.

[Cra.1 03].

Donnes rseau + producteurs RTT

Autres zones de rglage

RST V

Rglage secondaire (qqs min) Rglage primaire

(100n ms)

RPT V Rgulation

Ractif

Q

RPT V Rgulation

Ractif

Q

Autres groupes

Zone de rglage : point pilote

Rglage tertiaire (15n min)

Figure 1.6 : Rglage hirarchis de tension

Rglage tertiaire de tension : RTT

Le rglage tertiaire, manuel, effectu en France par le dispatching national, consiste

rvaluer, intervalles de quinze minutes, les consignes de tension des nuds pilotes de chaque

zone de rglage selon des critres technico-conomiques dont les principaux sont les suivants

[RTE 04]:

- Exploiter le rseau en assurant au mieux sa sret; - Respecter les contraintes de fonctionnement des matriels; - Minimiser les pertes et les cots de production; - Utiliser au mieux la capacit des ouvrages de transport.

Il a pour but d'assurer une bonne tenue globale du plan de tension, et d'viter des situations

engendrant des surcots ou des risques pour le systme lectrique. Les consignes de tension des

nuds pilotes sont calcules par un optimal power flow , ou OPF, en tenant compte des critres

prcdemment cits. [Cra.1 03].


- 16 -

2.1.2.3. Compensation locale dnergie ractive

Il existe sur le rseau lectrique franais des organes de rglage de la tension rpartis depuis

les groupes de productions jusquaux consommations. Ces installations sont :

- des dispositifs de compensation de lnergie ractive - des dispositifs de tenue en tension capable de fournir ou dabsorber de la puissance ractive

pour un contrle local de la tension.

Ces dispositifs permettent de soulager le contrle des productions et limite ainsi le transit de

puissance ractive indsirable sur les rseaux en amont. Ces systmes ne sont pas coordonns, se

sont des automates dont les ractions sont calibres en fonction de contraintes sur londe en tension.

Moyens de compensation classiques

Les inductances

Les inductances sont souvent utilises pour absorber la puissance ractive produite par de

longue ligne dans le rseau de transport. Elles peuvent tre raccordes en direct ou via le tertiaire de

transformateurs. Leur puissance peut aller de 50 400 MVar.

Les condensateurs

Ces bancs de condensateurs peuvent atteindre quelques MVar. Ils sont utiliss pour corriger

le facteur de puissance dans le cas de fortes charges inductives. Le but est de compenser la somme

de puissance ractive absorbe par le rseau et par le transformateur HTB/HTA en mettant en

service le bon nombre dlments pour une compensation optimale toutes les 10min. En rgle

gnrale une batterie de condensateur est compose de 3 gradins, chaque gradin tant lui-mme

compos de 6 lments [Koc 97].

Les compensateurs synchrones

Cette solution utilise des gnrateurs du rseau pour produire ou absorber du ractif. En

effet, une machine synchrone peut tre commande de manire prserver la tension via la

puissance ractive quelle produit. Le principe du contrle est le mme que celui des machines

soumises au rglage primaire avec un rgulateur en charge du maintien de la tension. Aujourdhui

ce type de compensation nest plus dusage, ils sont remplacs par des systmes base

dlectronique de puissance de type SVC et autres SVG, SVC LIGHT, (voir plus loin).

Les transformateurs avec prises rglables en charge

Un rgleur en charge est un transformateur capable dadapter son rapport de transformation

dans une plage dfinie. Ceci permet de rgler, en fonction du transit de puissance et/ou de la tension

mesure, la tension du secondaire du transformateur. Un rgleur en charge peut tre avec ou sans

compoundage [Can 00]. Le rgleur en charge sans compoundage change de prise lorsque la tension mesure au secondaire du transformateur est suprieure ou infrieure un cart de tension par

rapport une consigne donne pendant un temps donn. Le rgleur en charge avec compoundage


- 17 -

effectue en plus une mesure de courant. La tension compare aux tensions limites est une somme

vectorielle de la tension au secondaire et de la chute de tension dans la rsistance de compoundage.

Ceci permet davoir une image de la puissance transit via le transformateur et donc de ltat de

charge du rseau aval. Lintroduction de cette rsistance permet destimer la chute de tension en un

point du rseau.

Systmes FACTS (Flexible alternative Current Transmission Systems)

Les systmes FACTS (ou D-FACTS en rseau de distribution : Distribution FACTS) ont t

dvelopps pour maintenir la tension dans les limites admissibles et limiter les transits de puissance

ractive. Ces systmes base dlectronique de puissance utilisent les performances de contrle

offertes par lutilisation de cette technologie.

Une liste non exhaustive des moyens de rglages par compensation dnergie ractive va

tre donne. On sintresse ici uniquement aux compensateurs les plus connus. Le fonctionnement

de ces systmes ne sera pas dvelopp, le lecteur pourra cependant trouver plus dinformations dans

les ouvrages suivants [Cra.2 03], [Gom 05].

Les moyens de compensation par compensateur statique

Llectronique de puissance a permis la ralisation de compensateurs statiques composs de

capacits et dinductances commandes.

Le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) ainsi que le SVC (Static Var

Compensator) sont des systmes bass sur ce principe (Fig. 1.7). Ces compensateurs fournissent ou

consomment de lnergie ractive grce une commande de thyristor. Les applications de ces

systmes sont diverses, ils servent notamment amliorer le maintien de la tension, rduire les

oscillations de puissance ou encore augmenter le transfert de puissance [Cra.2 03].

SVC TCSC

Figure 1.7 : structure de compensateurs statiques : SVC et TCSC

Les moyens de compensations utilisant un convertisseur

Ces systmes comme le SVG (Static Var Generator) ou STATCOM ou le UPFC (Unified

Power Flow Controller) utilisent des convertisseurs AC\DC ou DC\AC pour raliser une source de

tension commandable (Fig. 1.8).

Le SVG met en oeuvre un convertisseur DC\AC avec un lment de stockage, gnralement

une capacit sur le bus continu. Cet onduleur est connect en parallle (connexion shunt) sur le


- 18 -

rseau. Le contrle de londuleur permet de faire fonctionner ce systme soit en rcepteur, soit en

gnrateur de puissance ractive.

AC

DC

AC

DC

DC

AC

STATCOM UPFC

Figure 1.8 : Structure de FACTS avec convertisseurs : STATCOM et UPFC

LUPFC lui est compos de deux convertisseurs avec un bus continu en commun. Le

premier convertisseur est un convertisseur AC\DC reli au rseau par une connexion shunt. Le

deuxime est un convertisseur DC\AC reli au rseau avec une connexion srie. Grce ce type de

systme il va tre possible dutiliser un des deux convertisseurs pour intervenir sur la tension du

rseau en se servant du deuxime pour alimenter le bus continu. La connexion shunt permet de se

servir de lUPFC comme dun SVG et donc de grer linjection ou labsorption de puissance

ractive et galement la charge du bus continu. La connexion srie permet de grer indirectement

les puissances active et ractive transmises par la ligne via linjection dune tension en srie.

2.1.2.4. Maintien du plan de tension sur les rseaux de distribution

Les gestionnaires des rseaux de distribution doivent garantir le maintien de la tension dans

sa plage contractuelle. En France ces rseaux fonctionnent sous une tension de 20 kV qui doit tre

en tous points maintenue 5%. Avec une exploitation normale de ces rseaux, flux de

puissances unidirectionnels, la tension dcrot du poste source son extrmit. Pour pouvoir

garantir le plan de tension, ces rseaux sont gnralement quips dun poste source avec

transformateur rgleur en charge auquel peut tre associ une ou plusieurs batteries de

condensateurs. La connaissance de larchitecture du rseau et des charges qui y sont raccordes

permet aux gestionnaires de rgler les automates des diffrents dispositifs de contrle de tension

pour garantir le plan de tension, mais galement de prvoir le renforcement de ce dernier quand

celui-ci est exploit proche de ces limites. De plus, pour limiter les transits de puissance ractive,

donc les chutes de tension, les consommateurs raccords en aval du poste source (HTA et BT) sont

contraints ce que leur installation lectrique ne fonctionne pas en dessous dun certain facteur de

puissance (en gnrale tan < 0,4).

Avec une architecture de rseau lectrique intgr verticalement, du producteur vers le

consommateur, ces moyens de contrle permettent de garantir la stabilit du systme en tension et

en frquence, et assurent une bonne fourniture dnergie lectrique aux consommateurs.

Louverture des marchs nergtiques a fait natre lmergence de producteurs sintgrants au

niveau des rseaux de distribution, la base non prvus pour les recevoir. Nous allons maintenant

prsenter les principaux problmes lis lintgration de la GED, ce qui expliquera la nature et le

sens des volutions des contraintes de raccordement de ces producteurs.


- 19 -

2.2. Impacts de lintgration de GED dans les rseaux lectriques

Nous nous intressons ici lintgration de lnergie olienne en tant que GED, c'est--dire

raccord au rseau de distribution. Ces rseaux la base non conus pour recevoir des producteurs

voient donc leur fonctionnement se modifier et laisse apparatre des problmes lis la tension. De

plus ces nouveaux producteurs considrs comme marginaux par rapport aux moyens de production

classique possdent des critres de connexion particuliers qui peuvent, partir dun certain taux de

pntration, impacter la stabilit en frquence du systme lectrique.

2.2.1. Impacts sur la tension

Les rseaux de distribution avaient pour rle de fournir lnergie lectrique puise sur le

rseau de transport et de lacheminer vers les consommateurs ; les flux de puissance taient alors

unidirectionnels. Les moyens de contrle mis en uvre permettaient de maintenir la tension dans sa

plage contractuelle de fonctionnement sur lensemble du rseau. Bien quil existt dj des moyens

de production raccords sur ces rseaux, ceux-ci restaient marginaux et naffectaient pas le bon

fonctionnement de ce systme. Linsertion de GED grandissant celle-ci est lorigine de divers

problmes impactant le fonctionnement de ces rseaux ; les flux de puissance deviennent

bidirectionnels, les systmes de contrle existants ne sont plus mme de pouvoir garantir le plan

de tension tout instant et les systmes de protection sont affects par la modification du courant de

court-circuit [Can 00].

2.2.1.1. Problmes de tension lis linsertion de GED

Pour illustrer les problmes de tension dus linsertion de GED nous prsentons en

Figure 1.9 un modle quivalent monophas dune ligne triphas. Ce modle est valable pour des

lignes courtes et moyennes ou les phnomnes de propagation peuvent tre ngligs mais aussi bien

sr en faisant lhypothse dun rgime quilibr, ce qui est notre cas dans cette tude.

A partir du diagramme de Fresnel associ cette ligne on peut dterminer lexpression de la

chute de tension en fonction complexe (V) de la tension, du courant et des paramtres de la ligne

comme suit :

I)LjR(VVres += (1.4)

V

LPRQ

3

1V

V

LQRP

3

1V

+=

+=

(1.5)

Avec : R et L : rsistance et inductance totale de la ligne

V et I : la tension au nud considr et le courant transitant dans le ligne

P et Q : les puissances active et ractive au nud considr


- 20 -

V

V

IRI

jXI

V

VresR X = L

Vres V

IP, Q

Figure 1.9 : Modle dune ligne

Les expressions de V illustrent un des principaux problmes li la connexion de GED sur

un rseau : linjection de puissance, active ou ractive, va induire une lvation de la tension au

noeud de connexion. Dans les rseaux de distribution la valeur de la ractance est proche de celle de

la rsistance L R : cela explique pourquoi la puissance active injecte par les GED a autant

dimpact sur la modification de tension. Donc selon la structure du rseau, les caractristiques du

poste source, le point de raccordement et la puissance injecte par la GED, la tension peut tre

leve au point de raccordement, pouvant mme dpasser la limite admissible.

On peut remarquer ici que ce phnomne ne se retrouve pas sur le rseau de transport

puisque dans ce cas la ractance est trs suprieure la rsistance : L >> R. En tenant compte de

cette caractristique les expressions de chute de tension peuvent tre simplifies et se ramener au

systme dquation (1.6). La puissance active a donc une influence ngligeable sur la tension. Ce

dcouplage entre puissance active et puissance ractive facilite ainsi le contrle et la gestion des

producteurs.

V

LP

3

1V

V

LQ

3

1V

(1.6)

De plus la prsence de GED sur les rseaux HTA peut galement induire des problmes de

fonctionnement des rgleurs en charge. Dans le cas de rgleurs en charge avec compoundage, une

forte production de GED entrane une mesure de courant moins importante dans la rsistance et une

chute de tension ses bornes mois leve. Ceci est interprt comme un tat de charge faible,

provoquant un changement de prise dans le but de baisser la tension du transformateur, [Can 00]. Ce changement de configuration peut tre critique pour les dparts adjacents sans GED qui peuvent

se voir imposes des tensions trop basses.

Les problmes de tension se compliquent dans le cas o la source dnergie primaire des

GED est de nature renouvelable et intermittente (cas de lolien) : la production des GED est non

permanente ce qui peut provoquer une fluctuation imprvue de la tension.


- 21 -

2.2.1.2. Solutions pour le rglage de tension dans les rseaux de distribution

Concernant les problmes de surtension, il est possible dutiliser les GED pour absorber ou

produire de la puissance ractive afin de participer au rglage de tension. De nombreuses tudes ont

t menes pour faire face aux problmes de tension dans les rseaux de distribution dus

lintgration de GED. Des contrles de GED en puissance et en tension existent dj : le principe de

ceux-ci diffre en fonction du type de GED utilise savoir le raccordement direct dune machine

synchrone ou la prsence dune interfaage dlectronique de puissance [Las 98].

La participation au rglage de tension ainsi que la proposition de solutions pour les

problmes lies lintroduction des GED sont des sujets de recherche trs prsents dans la

littrature, que se soit pour la rorganisation du systme de protection, pour une meilleure gestion

de lnergie ou pour des rglages de frquence et de tension. Gnralement ces rcentes tudes se

placent dans un contexte futur de forte intgration de GED et proposent des solutions innovantes

ces problmes.

Dans la problmatique du contrle de tension sur les rseaux BT et HTA, deux axes de

recherche se dgagent :

- le premier axe envisage un contrle de tension grce une coordination des GED. - le deuxime envisage un contrle de tension sans coordination et ralis par une adaptation des

productions de puissances autonome et locale de chacune des GED.

La premire solution envisage donc une coordination des GED. Chaque GED est contrle

en puissance ou en tension. Dans ce cas, chaque GED doit tre capables de communiquer avec un

centre de dispatching centralisant les informations et, en fonction de celles-ci, mme de fournir les

consignes en puissance ou en tension optimales pour chaque GED. Ces systmes de coordination

optimale de production peuvent avoir des objectifs divers comme la rduction de pertes sur le

rseau tout en conservant la tension dans les limites contractuelle [Cai 04] ou encore la conservation du plan de tension [Cal 05] [Ric 06] [Ber 09]. Ce concept de gestion est plus communment appel : centrales virtuelles ou smart grid. Ces solutions bien que trs innovantes

sont galement trs futuristes puisque quelles considrent un systme dvelopp de mesures et de

communication.

Le deuxime axe de recherche consiste intgrer chaque GED un systme de contrle

intelligent et autonome pour une gestion locale de la rgulation tension. Aujourdhui cette solution

est plus facilement ralisable puisquelle ne ncessite pas de moyens de mesure et de

communication avancs. Le principe de ce contrle est de rguler la GED en puissance ou en

tension en fonction du niveau de contraintes mesures au point de connexion de la GED [Kip 03]. De plus ce type de contrle est indpendant des configurations du rseau.


- 22 -

2.2.2. Impacts sur la frquence

Lincident survenu le 4 novembre 2006 sur le rseau europen (UCTE) [UCT 07] illustre bien limpact que peut avoir la production olienne sur la frquence.

Suite une succession de dfaillances, le rseau europen cest retrouv scind en trois

zones (Figure 1.10). cette poque les parcs oliennes ntaient pas tenus de rester connects suite

des variations de frquence. En France par exemple leur domaine de fonctionnement en frquence

tait compris entre 49,5 Hz et 50,5 Hz : au-del de cette plage de frquence les oliennes pouvaient

se dcoupler du rseau [Arr 03]. En plus de cela la majorit de la production olienne ntait pas visible par les oprateurs de rseaux et ces derniers navaient aucun moyen de contrler directement

leur couplage ou dcouplage.

Figure 1.10 : Sparation du rseau UCTE le 4 novembre 2006

La zone Sud-Est a t peu affecte par cette sparation : la frquence chutera denviron 200

mHz ( 49,8 Hz), due une sous-production denviron 770 MW. La situation a vite t rtablie par

lutilisation des rserves disponibles et la mise en service, automatique, de plusieurs centrales

hydrolectrique. La stabilisation du systme na pas sollicite lintervention des oprateurs (plan de

dfense non activ). De plus le rtablissement de la frquence a t favoris par une dcroissance

rapide de la consommation lors de lvnement.

La zone Ouest sest retrouve avec un dsquilibre de sous-production de 8940 MW. La

frquence est passe en dessous des 49,5 Hz et de nombreuses units de production ont t

dcouples du rseau (olienne et co-gnration) augmentant ainsi le dsquilibre ; la frquence a

fini par se stabiliser 49Hz 8s aprs la sparation (-125mHz/s). Dans ces conditions, un dlestage

de charges a t effectu par les automates (activation du plan de dfense) et au total ce sont

18290 MW de charge qui seront dconnectes. La perte totale de production est de 10910 MW dont

45% en provenance de production olienne 75% de la production olienne de cette zone t

dcouple. Malgr ces pertes de production, le retour de la frquence sest fait assez rapidement


- 23 -

( 15min) par la mise en service de 16800 MW de rserves (centrales hydrolectrique

principalement). Mme si la situation a t vite rtablie, la perte des petites units de production a

tout de mme engendr un grand nombre de dlestage de charge : 12% en France, 10% en Espagne,

18% dans louest de lAutriche.

Pour la zone Nord-Est, le problme li la production olienne a t diffrent. Cette zone

cest retrouve avec un surplus de production de 10000 MW, soit environ 17% de la production

totale au moment des faits. Ce surplus a entran une augmentation rapide de la frquence : 51,4 Hz.

Cette dernire est rapidement retombe 50,3 Hz grce diffrentes actions automatiques (rglage

primaire standard ou durgence, activation du contrle de vitesse de certaines units de production),

et par le dclenchement automatique des gnrateurs sensible aux sur-frquences. Le dcouplage de

la production olienne a t estim 6200 MW. Cette perte de production a jou un rle important

dans les premires secondes aprs la sparation, et a permis la dcroissance rapide de la frquence.

A ce stade des vnements le rtablissement de la frquence tait en bonne voie mais ntait

toujours pas acceptable (en fonctionnement normal un dpassement de 180 mHz est autoris). Or

certains parcs oliens se sont reconnects automatiquement au rseau entranant une faible

augmentation de la frquence. Ce comportement des parcs oliens est contraire la situation mais

les oprateurs nont aucun moyen daction sur ces derniers. Par consquent ils doivent agir

manuellement sur les autres centrales pour rtablir lquilibre. Le comportement des parcs oliens

ainsi que dautres facteurs ont considrablement compliqu le retour un fonctionnement normal

( 45 min).

2.3. Conclusion

Le systme lectrique tel quil a t conu nest pas adapt pour recevoir un grand nombre

de production dcentralise. Mme si aujourdhui la situation est encore acceptable, il nest plus

possible de continuer lintgration comme elle se faisait jusqualors. Cest pourquoi les contraintes

techniques de raccordement des fermes oliennes voluent et quil est ncessaire dvaluer les

capacits des diffrentes technologies dolienne rpondre ces contraintes. Ceci fait lobjet des

proccupations de cette thse. Lvolution des contraintes lies la tension sera dtaille au cours

du Chapitre 3 et celle des contraintes lie la frquence lors du Chapitre 4.

3. Les Systmes oliens : principes de fonctionnement

3.1. Principe de conversion

Un systme olien, quelque soit sa technologie convertit lnergie cintique du vent en

nergie lectrique. Cette conversion se fait en deux tapes :

- la conversion dune partie de lnergie cintique du vent en nergie mcanique ; cette conversion se fait au niveau de la turbine

- la conversion de lnergie mcanique en nergie lectrique au niveau de la gnratrice


- 24 -

Suivant la technologie utilise la connexion de la gnratrice au rseau se fait soit

directement, soit par lintermdiaire total ou partiel dune interface dlectronique de puissance.

Une transmission mcanique assure la liaison entre la turbine et le rotor des la gnratrice.

Ce principe gnral de conversion est illustr sur la Figure 1.11.

Rseau Turbine

Connexionau

rseau

Transmissionmcanique

Energie cintique

Energie Energie Energie Energiemcanique mcanique lectrique lectrique

GnrateurVent

Energiecintique

Figure 1.11 : Principe de la conversion dnergie dune olienne

3.2. La Turbine

La majorit des oliennes ont une turbine gnralement constitue de trois pales (parfois

deux pour les oliennes de petite taille [VER]). Ces pales ont un profil arodynamique identique celui des ailes davion (Fig. 1.12). Elles exploitent donc la diffrence de pression qui cr une force

de portance pour mettre en rotation la turbine et ainsi extraire une partie de lnergie cintique du

vent.

angle de calage:

sens de rotation

direction du vent

coupe

Rotation de la turbine

Rotation des pales sur leur axe : variation de

langle de calage

angle de calage:

sens de rotation

direction du vent

coupe

Rotation de la turbine

Rotation des pales sur leur axe : variation de

langle de calage Figure 1.12 : Profil arodynamique dune pale

La puissance disponible sur une surface S sexprime par la drivation de lnergie cintique

de la masse dair traversant cette surface:

3dispo vS2

1P = (1.7)


- 25 -

La turbine ne rcupre quune fraction de cette puissance. Cette fraction est dfinie par la

surface balaye par les pales S = 2RT2, le coefficient de puissance CP qui caractrise chaque

turbine et qui dpend la fois de la position angulaire de laxe de la pale caractrise par son angle

de calage et du rapport de vitesse .

v

R TT = (1.8)

La puissance capte par la turbine scrit donc :

),(CpvS2

1P 3T = (1.9)

Le contrle de la conversion effectue au niveau de la turbine peut se faire par celui de

langle de calage (Pitch Control en anglais). Cette technologie autorise une variation de de 0

20 ou 30. Il permet en fonction de sa position de rduire ou daugmenter la puissance capte par

la turbine. Le principe de fonctionnement de cette technologie sera abord plus en dtail dans le

chapitre concernant la modlisation des systmes oliens (Chapitre 2).

Toutes les oliennes ne sont pas quipes du pitch control. Il existe dautres solutions

technologiques telles que lactive stall qui utilise galement langle de calage mais sur de plus

petites variations dangle (3 5) ou le passive stall utilis essentiellement avec les oliennes

vitesse fixe [Lav 05]. Ces deux solutions font usage de profils de pale spcifiques, qui permet un dcrochage arodynamique (effacement de la force de portance) passif et progressif avec

laugmentation de la vitesse du vent. Ces technologies ne sont pas considres dans ces travaux.

3.3. Zones de fonctionnement

la vue de la conversion ralise par la turbine on va distinguer deux zones principales de

fonctionnement en fonction de la vitesse du vent (Fig. 1.13).

v 1 v 2 v 3

v

P T

CP

PC

Figure 1.13 : Zones de fonctionnement des oliennes


- 26 -

La zone de fonctionnement Charge Partielle (CP) est une zone o la puissance disponible est suffisamment leve pour que lolienne soit en fonctionnement. La vitesse de vent de

dmarrage v1 est situe suivant les technologies entre 2,5 m/s et 4 m/s. Le fait quune technologie

puisse faire varier sa vitesse de rotation permet doptimiser la puissance extraite pour cette zone de

fonctionnement. Cette fonctionnalit sera aborde plus en dtail au Chapitre 2.

La zone de fonctionnement Pleine Charge (PC) correspond aux vitesses de vent pour lesquelles la puissance capte par la turbine est maximale. Dans ce cas, la puissance disponible est

leve, il est donc ncessaire de limiter la puissance capte par la turbine. Cette action est ralise

par le contrle de langle de calage comme nous le verrons Chapitre 2.

Pour des vitesses de vent suprieures v3 ( 25 m/s), lolienne est stoppe pour des raison

defforts mcaniques sur les pales. En de de la vitesse de vent de dmarrage, lolienne peut se

mettre en rotation mais la puissance disponible nest pas assez importante pour permettre la

production dnergie lectrique.

3.4. oliennes vitesse de rotation fixe

Ces systmes oliens (Figure 1.14) sont constitus dune turbine ventuellement quipe

dun systme de contrle de langle de calage des pales, dun multiplicateur de vitesse et dun

gnrateur. Ce gnrateur est principalement une machine asynchrone cage directement couple

au rseau et fonctionnant en hyper synchronisme la vitesse Sync(1-g), o g est le glissement de la

machine (g < 0 dans ce cas). La machine tant couple directement au rseau, la vitesse de

synchronisme tant impose par ce dernier, la vitesse de rotation est par consquent quasiment

constante titre dexemple le glissement nominal dune machine de 1,5 MW est de lordre de 1%.

MASMultiplicateur

PT

Pmec

T , T G , G

PS

AC

AC

Turbine

Contrle

angle de calage

Banc de compensation Contrle du

couplage

Figure 1.14 : Structure dune olienne vitesse fixe

On peu noter dans certains cas la prsence dun convertisseur statique de type gradateur

entre le rseau et la gnratrice. Ce convertisseur sert uniquement limiter le fort appel de courant

d la magntisation au moment du couplage sur le rseau. Une fois le couplage effectu ce

convertisseur est court-circuit. La machine est alors directement raccorde au rseau. On note


- 27 -

galement la prsence de batterie de condensateur pour compenser la puissance ractive

consomme par le maintien de la magntisation de la machine.

Les principaux avantages de cette technologie sont sa robustesse et son faible cot

notamment d lutilisation de machines standards. Par contre la puissance capte nest pas

optimise (pas de contrle du gnrateur), le cot de maintenance essentiellement imput au

multiplicateur est lev et on ne peut pas contrler lnergie ractive. Par ailleurs la connexion

directe de lenroulement statorique de la gnratrice au rseau entrane une trs forte sensibilit lors

de la prsence de dfaut sur celui-ci.

On retrouve encore cette technologie chez certains constructeurs tels que VESTAS [VES], VERGNET [VER], SUZLON [SUZ] ou encore MITSUBISHI [MIT].

3.5. oliennes vitesse de rotation variable

On distingue diffrents types doliennes vitesse variable, classs en fonction de la plage

de variation de vitesse quelles sautorisent. Une technologie base sur une machine asynchrone

rotor bobin auquel est raccord un dispositif de contrle de dissipation dnergie permet une

variation de vitesse de +10% +16% (Fig. 1.15) (VESTAS, SUZLON).

QMASReMultiplicateur

PT

Pmec

T , T G , G

PS

AC

AC

Turbine

Contrle

angle de calage Banc de compensation

Contrle ducouplage

AC

AC

PR

R

Contrleglissement

Figure 1.15 : Structure dune olienne vitesse variable (+10%) par rsistance rotorique variable

NORDEX [NOR] et SUZLON mettent en uvre une structure vitesse variable avec machine asynchrone constituer de deux et trois pair de ples.

Ces technologies considres comme intermdiaires ne seront pas retenues dans ces travaux.

Seuls le seront les structures base de machine asynchrone double alimentation et les structures

direct drive entirement interfaces.


- 28 -

3.5.1. olienne base de machine asynchrone double alimentation

Une machine asynchrone double alimentation est une machine asynchrone dont le rotor

(bobin) est raccord au rseau par lintermdiaire dune interface dlectronique de puissance.

Cette interface adapte lamplitude et la frquence des courants rotoriques en contrlant la tension

aux bornes du rotor en fonction du point de fonctionnement de la machine. On sautorise ainsi une

variation de vitesse de 30% autour de la vitesse de synchronisme. Le stator est lui directement

connect au rseau.

Linterface dlectronique de puissance est constitue de deux convertisseurs (onduleurs

rversibles base de composants semiconducteurs commandables IGBT ou IGCT contrls par

Modulation de Largeur dimpulsions (MLI ou PWM en anglais)), lun connect au rotor et lautre

connect au rseau. Ils sont relis entre eux par un bus continu . Le convertisseur connect au

rotor de la gnratrice permet de contrler la conversion lectromcanique en contrlant le couple

donc la vitesse de la machine. Il permet galement de matriser ltat magntique de la gnratrice,

il est donc possible de contrler la puissance ractive change entre le stator et le rseau.

Le rle principal du convertisseur connect au rseau est de rguler la tension du bus

continu. Cette rgulation assure les changes de puissance active entre le rotor et le rseau. Il est

possible galement demployer ce convertisseur pour fournir ou absorber de la puissance ractive

au rseau.

La structure des cette technologie et les moyens de contrle associs sont prsents sur

la Figure 1.16.

ContrleCouple

MagntisationQStator

Contrle

Uc et Qond

AC

DC

MASDAMultiplicateur

Turbine

PT

Uc

DC

AC

Convetrtisseursbus continu

Pmec

T , T G , G

PSQS POnd

QOnd

Contrleangle de calage

Figure 1.16 : Structure dune olienne base de MASDA ( 20-30% de variation de vitesse)

Cette structure largement rpandue chez les constructeurs (VESTAS, GAMESA [GAM], GE [GE], REPOWER [RE], NORDEX) a lavantage dutiliser des machines standard mais qui demandent un certain entretien (prsence de contacts glissants balais/bagues pour assurer

lalimentation du bobinage rotorique). Le dimensionnement de linterface dlectronique de

puissance se situe entre 20% et 30% de la puissance de la machine. Il dpend en fait du glissement


- 29 -

maximal autoris. Ces oliennes sont galement capables de grer la puissance ractive : elles

peuvent par consquent participer au rglage de la tension. Cependant la mise en uvre de

lensemble du contrle/commande est complexe.

3.5.2. olienne entirement interface base de machine synchrone aimants permanents (MS)

On sintresse ici une structure dolienne entirement interface par un dispositif

dlectronique de puissance constitus de deux convertisseurs (gnralement maintenant des

onduleurs rversibles base de composants semiconducteurs commandables IGBT ou IGCT

contrls par MLI (PWM), lun connect au stator et lautre connect au rseau. La gnratrice de

rfrence considre ici est une machine synchrone aimants permanents possdant un grand

nombre de paires de ple (Fig. 1.17) ce qui permet la rduction ou la suppression du multiplicateur

de vitesse. Cette structure permet une variation de vitesse de 0% 100% de la vitesse nominale de

rotation.

ContrleCouple

Contrle

Uc et Qond

AC

DC

MS aimants

permanents

Turbine

PT

Uc

DC

AC

Convetrtisseursbus continu

T , T

G , G

POnd

QOnd

Contrleangle de calage

Figure 1.17 : Structure dune olienne base de MS aimants permanents

Le convertisseur connect au stator de la machine contrle le couple de la machine et donc

sa vitesse de rotation. Celui connect au rseau assure le transfert de puissance entre la gnratrice

et le rseau ainsi que lchange de puissance ractive avec ce dernier. Cette interface offre un

dcouplage presque total entre le rseau et la gnratrice : un dfaut sur le rseau ne viendra pas (ou

trs peu) perturber le fonctionnement de la gnratrice.

Cette technologie offre de nombreux avantages : souplesse de contrle, dcouplage entre

rseau et gnratrice, optimisation de la production grce une grande plage de vitesse, gestion

possible du ractif. Tout ceci entrane un cot plus lev : linterface dimensionne 100% de la

puissance nominale de la machine et la machine synchrone est spcialement conue pour cette

utilisation.


- 30 -

Remarque : Les structures entirement interface ne sont pas encore forcment aimants

permanents ou grand nombre de paires de ple. De mme il existe diffrentes solutions

technologiques concernant le convertisseur connect la gnratrice. ENERCON par exemple

utilise depuis plusieurs annes des gnrateurs synchrones en anneau multipolaires avec

inducteurs bobins aliments indpendamment et un redresseur diodes plus hacheur pour sa

connexion au bus continu. VESTAS et GE commence proposer une technologie avec

multiplicateur de vitesse et machine synchrone aimants. SIEMENS [SIE] propose actuellement une structure entirement interface avec machine asynchrone cage et multiplicateur de vitesse.

Des gnrateurs aimants sont annoncs chez GAMESA.

3.6. Conclusion sur les diffrentes structures dolienne

Aujourdhui la tendance va vers des structures entirement interfaces avec ou sans

multiplicateur de vitesse suivant le type de machine. Cette solution a lavantage de pouvoir

optimiser au mieux la production dnergie et offre grce son interface une grande souplesse

dadaptation aux conditions techniques de raccordement. Les machines aimants permanents vont

certainement se gnraliser. Si lon considre une vision plus lointaine, le multiplicateur de vitesse

qui est source de nombreux incidents tendra disparatre ou tre fortement rduit : cest dj le cas

chez deux constructeurs, ENERCON [ENE], WINWIND [WIN] et MULTIBRID [MUL].

Avec les grandes avances technologiques en matire dlectronique de puissance et le prix

en constante diminution, les solutions base de MASDA seront progressivement remplaces par

des solutions entirement interfaces.

Les technologies base de MAS noffrant pas de moyen pour rpondre aux contraintes de

raccordement tendront disparatre (mme si certain producteur les proposent encore). Toutefois

cette technologie reste encore avantageuse lheure actuelle pour leur simplicit de mise en uvre,

leur robustesse et le prix qui en dcoule.

Les trois technologies, quipes du Pitch Control, retenues dans ces travaux sont :

- Une structure vitesse fixe donc base sur une MAS

- Une structure base sur la technologie MASDA

- Une structure avec MS aimants permanents sans multiplicateur de vitesse

4. Aspect conomique : parcs oliens mixtes

Ltude des aspects conomiques dun projet olien est complexe. Elle repose sur de

nombreux paramtres qui diffrent suivant le type et le lieu du projet. Pour tre fiable et raliste il

est ncessaire davoir une bonne connaissance des prix dachat des quipements, des conditions de

rmunration, du taux dintrt de lemprunt, du potentiel nergtique du site dimplantation,


- 31 -

Des logiciels ou applications comme celle propos par RETScreen [RET] permettent lanalyse de projets oliens. Cette application tient compte :

- des caractristiques oliennes dun site, des paramtres dune technologie dolienne pour le calcul du productible

- lanalyse des cots partie des cots dinvestissement (tude de faisabilit, dveloppement, ingnierie, quipements nergtiques, infrastructures connexes, ), des frais annuels (exploitation et entretient) et des cots priodiques (remplacement de pice)

- des paramtres financiers : rmunration, taux et dure demprunt, taux dindexation de lnergie dinflation et dactualisation,

Tout ceci permet dvaluer diffrents critres dterminant la validit du projet : valeur

actualise net, taux de rentabilit interne, retour sur investissement,

Ces travaux nont pas pour objectif de rentrer dans une telle analyse. On se propose ici

dtudier une solution technologique qui permettrait de rduire le cot dinvestissement li lachat

des oliennes, savoir : mixer diffrentes technologies au sein dun mme parc olien.

Les parcs oliens mixtes seraient donc constitus doliennes vitesse fixe (peu onreuses)

et doliennes vitesse variable qui sont plus chre mais permettraient de garantir les conditions

techniques de raccordement, ce quoi, de par leur manque de contrlabilit, les oliennes vitesse

fixe ne sont pas capables de rpondre.

De plus cette solution pourrait tre envisage dans le cadre damlioration de parcs

existants. En effet, les premiers parcs oliens installs repose essentiellement sur des technologies

vitesse fixe, il serait donc possible damliorer leur intgration en y ajoutant de nouvelles oliennes

ou en en substituant danciennes.

5. Conclusion

Lnergie olienne fait aujourdhui partie du paysage des producteurs dlectricit. Cest une

nergie propre utilisant des ressources locales et qui a atteint un cot dexploitation lui permettant

dtre comptitive. Cependant sont intgration des les systmes lectriques nest pas sans

consquence sur leur fonctionnement. Cest pourquoi, pour garantir la sret du systme et

permettre la poursuite de lintgration cette nergie (et dautres), les conditions techniques de

raccordement voluent.

Ce travail se focalise sur la faisabilit de parcs mixtes capable de rpondre aux services

exigs par le rseau. Les capacits de chaque technologie en matire de rglage de tension et de

frquence, et tenue aux creux de tension et variations de frquence, devront tre values. Ceci

devrait permettre de mieux cerner les faiblesses des oliennes vitesse fixe et dterminer quelle

technologie vitesse variable serait la plus adapte dans le cadre de parc mixte.

Avant dentrer directement dans cette tude les modles des systmes oliens considrs

vont tre prsent dans le Chapitre 2.

- 33 -

Chapitre 2

Modlisation des systmes oliens

La modlisation dun systme va dpendre de lusage pour lequel il est envisag

(simulation, commande, dimensionnement), de lobjet (phnomnes tudis), de la prcision

souhaite et de la complexit accepte. Les travaux prsents ici font suite ceux effectus par

Nicolas Laverdure [LAV 05], o les modlisations des trois structures oliennes considres ont t

dveloppes pour ltude de lintgration de lnergie olienne dans les rseaux lectriques. Les

mmes modles sont utiliss et principalement exploits avec le logiciel Matlab/Simulink.

Ce chapitre prsente donc, de manire pure, la modlisation des diffrents lments

constituants les trois structures doliennes tudies et des commandes qui leur sont associes. Il a

pour objectif de fournir les lments ncessaires la comprhension des travaux qui feront suites.

Chapitre 2 : Modlisation des systmes oliens

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1. La Turbine

Le modle de la turbine permet de dterminer la puissance extraite par la turbine en fonction

de la vitesse (incidente) du vent, de sa vitesse rotation et de la position de langle de calage des

pales. Il sera ainsi possible de dduire le couple appliqu par la turbine sur larbre lent de lolienne.

Il sattache donc dcrire le coefficient de puissance de la turbine CP (ou son rendement

nergtique dans le cas dune olienne sans carne).

Le modle dvelopp dans [Lav 05] est paramtrable ; il peut donc tre adapt diffrentes turbines partir de donnes bibliographiques ou fournies par les constructeurs. Dans cette tude la

mme turbine, dune puissance nominale de 660 kW, est utilise pour les trois technologies

doliennes considres.

1.1. Gnration du couple olien

Le principe de conversion de lnergie cintique du vent en nergie m

participation aux services systÈme de … · cp coefficient de puissance v vitesse du vent β...

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