Stockage inertiel d'énergie en vue d’améliorer l'intégration des éoliennes dans un réseau électrique

1. Stockage inertiel d'énergie en vue d’améliorer l'intégration des éoliennes dans un réseau électrique Ludovic LECLERCQ Benoît ROBYNS École des Hautes Études Industrielles (HEI),LILLE

2. Stockage inertiel d'énergie en vue d’améliorer l'intégration des éoliennes dans un réseau électrique Plan de l’exposé • Problématique • Éolienne à vitesse constante + Stockage inertiel • Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel • Conclusion et perspectives

3. 1. Problématique Les éoliennes actuelles ne participent pas aux services système Revue REE N°7 juillet 2002 « Le raccordement de la production décentralisée en HTA et BT » Par J.-L. Fraisse EDF-GDF services • production aléatoire et difficilement prévisible • absence de réglage fréquence-puissance • absence de réglage tension • sensibilité aux creux de tension • sensibilité aux variations rapides de la force du vent • …

4.  Limitation du taux de pénétration de l'éolien (EDF limite à 30 %) 1. Problématique Dans le cas d'un réseau insulaire Une trop forte pénétration de la production éolienne fait courir un risque important de délestage • introduction d'aléas dans la programmation des moyens de production • dégradation de la sûreté de fonctionnement du système électrique • sensibilité aux creux de tension • problèmes de tenue de tension et de qualité de fourniture

5. 1. Problématique Dans le cas d'un réseau puissant Limite des 30 % pas atteinte dans l'immédiat mais localement. Concentration d’éoliennes aux mêmes endroits et à l’avenir sur les côtes avec de grosse centrales offshore

6. 1. Problématique Janvier 2003 : 147,23 MW Objectif pour 2010 : 14000 MW Plus que 13852,77 MW… Augmenter le taux de pénétration de l’éolien : Participer plus ou moins aux services système • Lisser la puissance fluctuante, • régler la tension, • régler la fréquence…

7. 1. Problématique Solutions envisagées • Lisser la puissance fluctuante • Éolienne à vitesse fixe + système de stockage • Réglage tension et fréquence • Éolienne à vitesse variable + système de stockage

8. Moteur diesel Moteur diesel Machine Synchrone Éolienne à vitesse fixe Stockage inertiel 2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel 300 kW 600 kVA Charge Charge 90 kW 105 kg.m² 300 kW 120 kVAR

9. t 0 t 0 t 0 2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel But : lisser la puissance éolienne Réseau isolé Turbine éolienne + génératrice asynchrone Stabilisateur cinétique

10. Problème : Nous ne pouvons stocker ou restituer indéfiniment  Nous devons tenir compte de la vitesse du volant d’inertie 2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel Stratégie de commande du système de stockage inertiel « Si la vitesse du volant est petite alors on favorise le stockage » « Si la vitesse du volant est grande alors on favorise la restitution » « Si la vitesse du volant est moyenne : utilisation normale »

11. Pwg Superviseur à logique floue Preg Flywheel rotational speed SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE

12. VS B SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE

13. SIMULATIONS Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site de Dunkerque

14. Superviseur à logique floue

15. SIMULATIONS Puissance active générée par le groupe électrogène Sansle système de stockage en pointillés Avecle système de stockage en trait continu

16. SIMULATIONS Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

17. SIMULATIONS Vitesse de rotation du volant d’inertie

18. Superviseur simplifié

19. SIMULATIONS Puissance active générée par le groupe électrogène Sansle système de stockage en pointillés Avecle système de stockage en trait continu

20. SIMULATIONS Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

21. SIMULATIONS Vitesse de rotation du volant d’inertie

22. Pwg Pwgf = Preg Sans tenir compte de la vitesse de rotation du volant d’inertie Constante de temps du filtre passe-bas = 30 s.

23. SIMULATION Puissance active générée par le groupe électrogène Sansle système de stockage en pointillés Avecle système de stockage en trait continu

24. SIMULATION Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

25. SIMULATION Vitesse de rotation du volant d’inertie

26. 1 Éolienne sur charge isolée 2 Éolienne sur un réseau 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel

27. 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée • Capable de l'îlotage • Capable de redémarrer sans tension sur le réseau • Capable de remettre la tension sur un réseau hors tension • Capable de supporter des échelons de consommation • Maintenir l’équilibre production-consommation • Maintenir une tension d’amplitude et de fréquence fixe • ….

28. 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne à vitesse variable à pales fixes composée d’une machine synchrone à aimants permanents et à attaque directe Machine synchrone Source de tension continue Convertisseur MLI Toutes ressemblances avec une éolienne développée dans le nord de la France est purement fortuite !

29. Charge isolée Puissance consommée par la charge Puissance fournie par l’éolienne Dissipation et/ou stockage 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée

30. Puissance fournie par l’éolienne Puissance consommée par la charge Fourniture auxiliaire et/ou restitution du stockage 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Charge isolée

31. Stockage inertiel 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Charge isolée

32. Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Convertisseur 2 Charge isolée Filtre LC pour la qualité de la forme d’onde de la tension… Le convertisseur 2 va réguler les tensions aux bornes des condensateurs du filtre Source de tension

33. Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Puissance du stockage inertiel Puissance de l’éolienne

34. Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Tensions composées aux bornes des condensateurs Tension du bus continu

35. Réseau Éolienne sur un réseau Convertisseur 2 Filtre LCL pour la qualité de la forme d’onde de la tension… Le convertisseur 2 va réguler le courant dans la deuxième self Source de courant

36. Pour une éolienne fonctionnant sur réseau… 150 kW 100 kVAR

37. 4. Conclusion et perspectives • Pitch control • Stockage inertiel de la turbine • Centrale éolienne • Supervision

38. DS 1104 MCC MAS DS 1104 Stockage inertiel Banc d’essai développé sur le site HEI DS 1103 Réseau MS Filtre Charge isolée Validation modèles, commandes, supervisions Participation aux services systèmes

39. Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI

40. Machine synchrone Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI Onduleurs de tension SEMIKRON DT Machine à courant continu Volant d’inertie Machine Asynchrone + codeur