Définition des capacités fonctionnelles et des spécifications des technologies à base d'électronique de puissance pour une exploitation et une conduite efficientes et sûres du système électrique

Convenor (NL)
J. VAN PUTTEN

J. ANTOLIN MORALES (ES), V. SEWDIEN (NL), N. KIRBY (US), P. MAIBACH (CH), R CHATTERJEE (US), O. DESPOUYS (FR), A. HERNANDEZ MANCHOLA (DE), C. SMITH (UK), J. KJÆRGAARD (DK), F. PARMA (IT), R. DE GRAAFF (NL), D. GLAISE (FR), A. JANSSON (NO), O. BRONCKART (BE), Y. GU (UK), J. PEIRÓ (ES), L. YANG (BE)

Corresponding Members: M. VAL ESCUDERO (IE), S. KYNEV (US), A. LUKASCHIK (DE)

En premier lieu, les générateurs synchrones conventionnels raccordés au réseau de transport sont remplacés à cadence rapide par des sources d'énergie renouvelables (RES) intermittentes, telles que les productions éoliennes et solaires, connectées aux réseaux de distribution et de transport par le biais de convertisseurs à électronique de puissance (PE). Du fait de leurs caractères intermittent et aléatoire, ces RES contribuent à créer un mix de production présentant un profil variable, conduisant à une très large variété de conditions d'exploitation, allant d'une production synchrone conventionnelle pratiquement nulle, dans le cas d'une production RES élevée, à la situation extrême opposée, sans aucune production RES.

Le second point se rapporte au cadre réglementaire, qui influence la conception, la planification et l'exploitation du système électrique. Les codes de réseau et les autres exigences réglementaires doivent en permanence fournir un cadre adapté, qui facilitera la transition en cours. Ce cadre de réglementation harmonisé est indispensable non seulement pour le réseau de transport, mais aussi pour celui de la distribution, alors même que l'évolution du cadre de réglementation est généralement moins rapide que la transition en cours dans la production.

En dernier lieu, l'opposition du public envers les nouvelles lignes aériennes, combinée aux coûts élevés et à une expérience encore limitée en matière de liaisons par câbles souterrains, se traduit par de très longs délais de réalisation des nouvelles installations de transport. Ces délais exceptionnellement longs requis pour mettre en place des capacités additionnelles de transport augmentent la probabilité d'avoir à exploiter le système électrique avec des schémas de gestion de congestion, et plus près des limites de sécurité.

Compte tenu de ces considérations, la transition énergétique représente un défi important pour les Opérateurs de Système Electrique: comment faudrait-il exploiter le système électrique du futur, qui ne sera plus basé totalement sur des productions synchrones, dans des conditions économiques acceptables tout en garantissant une fiabilité opérationnelle d'un niveau au moins égal à celui d'aujourd'hui?

Objectifs du Groupe de Travail Commun

Le Groupe de Travail Commun (GTC) avait pour objectif de répondre à cette question, en étudiant les meilleures pratiques, les possibilités offertes par la technologie, et les exigences relatives à l'intégration des technologies à base d'électronique de puissance dans les systèmes électriques, et plus particulièrement à leurs applications dans l'exploitation et la conduite des systèmes électriques. Pour préparer le proche avenir le GTC a cherché à réduire la distance qui existe entre les experts des technologies et les experts de l'exploitation des systèmes électriques, et à donner un aperçu des possibilités techniques des dispositifs à électronique de puissance et des pratiques d'exploitation des systèmes électriques. Ceci permet à chacun des deux groupes d'experts de mieux comprendre la réalité de l'autre et, ainsi, de faciliter la mise en œuvre de l'électronique de puissance dans l'exploitation et la conduite des réseaux.

Tout ceci permet de fournir un éclairage sur les manières dont on peut exploiter les systèmes électriques dans un environnement de dispositifs connectés par l'intermédiaire d'électroniques de puissance, tout en assurant la fiabilité opérationnelle actuelle.

Dégager un aperçu des problèmes d'exploitation du système électrique du futur est une des questions fondamentales demandant à être traitées en premier. Ceci a été obtenu au moyen d'une analyse approfondie de la littérature, complétée par deux enquêtes. Une vue d'ensemble des problèmes identifiés est donnée sur la Figure 1, où il a été retenu de regrouper ces problèmes en trois grandes catégories, comme suit, tout en étant conscient du fait que certains des problèmes relèvent de plus d'une catégorie:

Problème 1: Manque de soutien de la tension et de la fréquence

Les stabilités transitoire et statique vont demeurer cruciales, c. à d. que les besoins de support de fréquence et de tension du réseau devront être maintenus. Les problèmes de cette catégorie sont induits par le comportement spécifique des productions connectées au moyen d'électronique de puissance (PEIG), qui est différent de celui des générateurs synchrones conventionnels existants.

Problème 2: Exploitation nouvelle du système électrique

Dans cette catégorie de problèmes on retrouve les domaines dans lesquels il est nécessaire de changer la manière d'exploiter le système électrique. Elle couvre des sujets comme le personnel, les processus et les outils d'exploitation du système, qui permettent d'observer le système électrique principal, et qui exécutent les actions requises pour le maintien de la fiabilité.

Problème 3: Comportement nouveau du système électrique

Avec la pénétration de plus en plus forte des dispositifs à interface à électronique de puissance (PEID), le comportement et la réponse du système électrique vont forcément changer. Dans cette catégorie de problèmes identifiés, on s'intéresse aux comportements nouveaux qui sont, ou vont être, observés dans les systèmes électriques.

Figure 1 – Vue d'ensemble des problèmes d'exploitation résultant de la transition énergétique

Contenu de la Brochure Technique

Les problèmes identifiés, auxquels s'ajoutent ceux issus de l'expérience des experts, sont présentés en détail dans la Brochure Technique (BT).

On trouve, dans la BT, une description des différentes possibilités fonctionnelles offertes par les dispositifs à interface à électronique de puissance. Les dispositifs à électronique de puissance considérés sont en particulier les convertisseurs CCHT, les contrôleurs FACTS, et les productions connectées via une interface à électronique de puissance, telles que les générateurs à turbine éolienne et les systèmes de stockage par batterie. Les capabilités fonctionnelles qui sont analysées sont classées en capacité de tenue physique (surcharge, par ex.), en capacité à fonctionner en réseau séparé (par ex. réponse inertielle), en capacité d'amortissement, et en une dernière classe regroupant les autres capacités (par ex. compensation de déséquilibre de phase).

Une des contributions importantes de la BT est la mise au point d'un tableau qui cartographie ces capacités identifiées des dispositifs, qui peut aider à répondre aux problèmes d'exploitation présentés sur la Figure 1. Il faut préciser que le tableau n'indique pas, par défaut, que les technologies disposent de ces capacités, mais il indique plutôt là où des modifications ou des équipements additionnels peuvent être utilisés pour apporter ces capacités. Dans la BT on donne aussi des exemples, pratiques et académiques, de mise en œuvre effective de ces capacités pour répondre à certains des problèmes.

Plus avant dans la BT on examine rapidement des aspects de conception qui permettraient l'intégration de plus en plus de dispositifs interfacés par électronique de puissance dans les réseaux existants. On s'intéresse plus spécialement aux phases initiales de conception, d'ingénierie et de mise en service, phases dans lesquelles les opérateurs de systèmes et les fournisseurs travaillent en étroite coopération.

Conclusion

Les travaux qui font l'objet de la BT non seulement mettent en exergue les différents problèmes d'exploitation liés à la transition énergétique, mais montrent aussi que les dispositifs interfacés par électronique de puissance offrent beaucoup de possibilités qui aident à la solution de certains de ces problèmes. Un tableau présentant une cartographie des capacités de ces dispositifs à répondre aux problèmes d'exploitation a été construit, et peut être utilisé comme une référence d'accès rapide pour déterminer des solutions à des problèmes d'exploitation, quand on cherche quelle technologie pourrait contribuer à résoudre des problèmes d'exploitation.

Enfin on donne dans la BT quelques recommandations de travaux complémentaires dans le domaine. Ces recommandations portent sur la conception et l'utilisation des contrôles de fonctionnement en réseau séparé, sur le développement de normes d'interopérabilité, sur la nécessité d'un réexamen approfondi des philosophies de protection, et sur le besoin de plus en plus fort d'un perfectionnement des techniques de modélisation des systèmes électriques et des outils de simulation.