Etude de la faisabilité d'un réseau à courant continu à moyenne tension (CCMT)

Introduction

Du fait du développement rapide des sources d'énergie décentralisées (DER), de la multiplication des fortes densités urbaines, de la progression à rythme élevé des charges CC (telles que les éclairages LED, les villes intelligentes, les véhicules électriques, et les centres informatiques, de données et de télécommunication), de l'exigence de plus en plus forte de fiabilité élevée et de qualité de fourniture, les Réseaux de Distribution à Courant Continu à Moyenne Tension (CCMT) attirent toutes les attentions. Dans le domaine des réseaux de transport CCHT et des microgrids CCBT, bien que les études et recherches (R&D) et les démonstrateurs de technologie aient été largement développés au cours de la dernière décennie, l'activité R&D en est toujours à ses premiers pas pour les réseaux de distribution CCMT. Tenant compte des caractéristiques des réseaux CCMT et de leurs applications, qui sont différentes de celles des réseaux CCHT et des microgrids CC, une étude des réseaux CCMT s'est avérée nécessaire et urgente. Le GT C6.31 du CIGRE "Etude de la faisabilité d'un réseau à courant continu à moyenne tension (CCMT)" a été lancé en 2015 dans ce contexte. Au total 35 experts et chercheurs du domaine, représentant des compagnies d'électricité, des universités, des instituts de recherche et des constructeurs, ont participé aux activités du GT.

Le domaine des travaux du GT a été défini pour s'intéresser aux systèmes de distribution CCMT et à leurs applications, dans une plage de tensions allant de 1,5 kV (±750 V) à 100 kV (±50 kV), entre la CCHT du CE B4 du CIGRE et la SyC CCMT de la CEI. La méthodologie suivie par le GT a consisté à procéder, en premier lieu, à une enquête générale sur les raisons d'être et les spécifications des réseaux de distribution CCMT, et à lancer ensuite des études détaillées, selon quatre axes. Ces axes sont, respectivement, les grandes étapes du projet CCMT et le point de la R&D, les raisons du développement des réseaux CCMT et le développement coordonné des réseaux de distribution CCMT et CAMT, les spécifications techniques des réseaux CCMT et les particularités de leur exploitation, et les applications prometteuses des technologies CCMT. La présente Brochure Technique synthétise le travail collaboratif des membres du GT.

Enquête sur les besoins de réseaux CCMT

Le GT a procédé à une enquête exhaustive. Au vu des retours de l'enquête (Figure 1) il a été constaté que la principale justification du développement des réseaux de distribution d'électricité CCMT venait de la croissance des DER et des charges CC, et de l'interconnexion des systèmes CA. Les tensions des réseaux de distribution CCMT envisagés se situent dans la plage 1,5 kV à 100 kV, et la cascade préférée des tensions est 100 kV ± 50 kV - 35 kV ± 10 kV - 1,5 kV. Le réseau de distribution CCMT peut présenter différentes configurations, telles que liaisons CC dos à dos ou point à point, antennes CC radiales ou à deux extrémités, ou systèmes CC multi-terminaux pour différents schémas d'utilisation. Les équipements de protection, dont les disjoncteurs CC et les coupe-circuits CC, sont à développer. Les convertisseurs de puissance à haut rendement, parmi lesquels les convertisseurs CA/CC pour connecter les réseaux CA, et les convertisseurs CC/CC pour connecter les réseaux de distribution CCBT ou les charges CC, sont des équipements vitaux. Le développement des réseaux CCMT de distribution doit faire partie intégrante du processus d'expansion d'une compagnie de distribution d'électricité, dans une vision de construction graduelle d'un réseau de distribution hybride CA-CC, harmonieux et efficace.

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Etapes du développement et état de la R&D des réseaux CCMT

Les projets existants et les études des réseaux concernant des réseaux CC de type compagnie d'électricité sont présentés dans le rapport, et on met en exergue les propriétés de base des projets réalisés ou planifiés. Pour a présente étude on a pris en compte les projets allant jusqu'au début de 2018. La liste qui suit énumère les projets CCMT majeurs réalisés et ceux entrepris récemment, ainsi que les étapes de la recherche :

• 1997 Hällsjön-Grängesberg, Suède : +/-10 kV/3 MW, liaison CCMT
• 2000 Tjaereborg, Danemark : +/-9 kV/7,2 MW, liaison CCMT
• 2003 Siemens, produit SIPLINK
• 2014 Fondation du centre de recherche FEN (pour les réseaux CC, BT et MT
• 2014 Equilibre des réseaux : dos-à-dos, 33 kV/20 MVA, liaison CCMT
• 2015 Université de Nottingham : réseau 6 terminaux 5 kV, 6 x 1 MW, installation de laboratoire
• 2015 Entreprise Ecossaise : Etude de technologie CCMT - Opportunités de marché et conditions économiques
• 2015-2018 Etude ETG : “Courant Continu dans les réseaux de distribution”
• 2015 Début du projet “CC-Direct”
• 2015-2018 Etude CIGRE "Etude de faisabilité d'un réseau à courant continu à moyenne tension (CCMT)"
• 2016 Début du projet “Angle CC”
• 2017 Annonce Siemens : la technologie électrique CCMT au stade de la production commerciale (“MVDC plus”)

Raison d'être et exploitation des réseaux CCMT

Dans la BT on a étudié les caractéristiques, les configurations, les conditions d'expansion et les contraintes d'exploitation des réseaux de distribution CAMT, et les avantages potentiels qu'apportent les réseaux de distribution CCMT, pour différentes cas d'utilisations. En outre les impacts des réseaux CCMT sur les systèmes de distribution CAMT ont été examinés, avec une attention particulière portée à la détection et à l'élimination des défauts, à la mise à la terre, aux questions de qualité de fourniture et de stabilité. Le besoin d'une coordination du développement des réseaux de distribution CAMT et CCMT a ensuite été étudié, et a mis en évidence la nécessité de normaliser les niveaux de tension CC.

Spécifications techniques et caractéristiques des réseaux CCMT

En général, pour les réseaux de distribution CC à moyenne tension, le niveau de tension est déterminé pour être adapté ou pour être supérieur à la capacité de fourniture du réseau de distribution CA à moyenne tension correspondant ; pour les réseaux de distribution CC à basse tension la tension doit correspondre au niveau de tension des charges CC. Les plages de tension CC faisables et les cascades des niveaux de tension préférentiels sont recommandés en regard des contraintes de connexion du réseau CA, aux contraintes d'isolement et aux capacités de fourniture souhaitées. On discute différentes topologies de réseau CCMT et les caractéristiques correspondantes, dont la topologie radiale, la topologie en anneau, la topologie maillée, ainsi que les différentes configurations d'exploitation. Il est anticipé que les réseaux de distribution CCMT seront configurés pour être interconnectés aux réseaux CAMT et CCBT (Figure 2), et que dans le futur les systèmes CA et CC fonctionneront ensemble et se supporteront mutuellement.

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Dans l'étude on analyse ensuite les capacités de fourniture des circuits CCMT. Les résultats montrent que la capacité d'un circuit CCMT est 1,63 fois celle du circuit CAMT correspondant, dans les mêmes conditions d''installation et avec la même section de conducteur. Pour la qualité de fourniture et le rendement, les résultats sont aussi en faveur du réseau de distribution CCMT. Les stratégies d'intégration des sources renouvelables d'énergie, telles que l'éolien et le PV, les stratégies d'exploitation et de contrôle des réseaux CC, l'analyse des défauts CC et des protections, etc. sont exposées. Une présentation générale des principaux problèmes en rapport avec les points mentionnés précédemment et le point du développement sont donnés dans la Brochure. La topologie et le principe de fonctionnement des disjoncteurs CC, les limiteurs de courant de défaut CC et les convertisseurs CC/CC ont été examinés ; le concept du contrôle décentralisé autonome est expliqué ; les courants de court-circuit pour les défauts pôle-pôle et pôle-terre sont analysés pour différentes configurations de mise à la terre et des stratégies de protection sont suggérées.

Applications des réseaux CCMT

On escompte que les réseaux de distribution CCMT joueront un rôle important dans les futurs systèmes électriques. Les applications actuelles et celles, prometteuses, du proche futur portent sur l'alimentation CCMT des chemins de fer, les réseaux de distribution CCMT dans les zones urbaines de forte charge, les réseaux de raccordement CCMT des productions renouvelables, le réseau CCMT de distribution des grands navires et l'alimentation en électricité des sites industriels et des bâtiments.  

Conclusions  

Par rapport aux réseaux CA les réseaux CCMT présentent de grands avantages pour le raccordement des énergies renouvelables, l'alimentation des charges CC, et d'autres aspects, et ils intéressent de nombreux experts internationaux. Par conséquent, les réseaux CCMT sont la technologie attendue pour développer les réseaux de distribution de l'électricité et apporter une fiabilité plus élevée, plus de flexibilité et d'efficacité, mais la recherche concernant les réseaux CCMT est encore à ses débuts. Il reste encore des problèmes techniques et des difficultés auxquelles il faut répondre, par des activités de recherche et des études détaillées. Les principales conclusions du Groupe de Travail sur l'étude de la faisabilité des réseaux CCMT peuvent se résumer comme suit :

1. <le r=""></le>Les fondamentaux et les technologies clés des réseaux CCMT appellent la poursuite d'études en profondeur et détaillées. En particulier les études nouvelles doivent porter sur les tensions CC de distribution à recommander et à normaliser, sur la topologie et la configuration des réseaux, sur les méthodes et les outils de simulation utilisés pour la planification des systèmes de distribution CC, ou hybrides CA-CC, sur le développement de dispositifs de conversion de puissance et de protection économiques, sur les problèmes de mise à la terre, etc.
2. Il faut stimuler les percées technologiques, pour développer des matériaux semi-conducteurs nouveaux, des applications novatrices des sciences de l'information et de l'intelligence artificielle (AI) dans les réseaux de distribution, CC ou hybrides CA-CC, et des démonstrateurs à grande échelle des applications des technologies CCMT dans les compagnies d'électricité, dans les réseaux de distribution industriels et pour le raccordement des productions renouvelables.
3. Bien qu'il existe quelques projets de réseaux CCMT, les technologies des réseaux CCMT restent spécifiques à ces projets, sans qu'il y ait des normes unifiées et crédibles les couvrant. Aussi il est proposé que soit développée une série de normes sur les réseaux CCMT.