Protection des systèmes électriques en développement dans lesquels la contribution de la production au courant de défaut est limitée

Introduction

Des dispositifs à électronique de puissance sont mis en œuvre à grande échelle dans les sources de production, les réseaux électriques et les charges des systèmes électriques. Du fait de la réduction des sources fossiles et de l'accroissement de la pollution environnementale, les sources d'énergie renouvelables, constituées par les électricités d'origines éolienne et photovoltaïque ont de plus en plus de succès, partout dans le monde. Ces nouvelles sources d'électricité, dont le mécanisme de production est différent de celui des générateurs synchrones, sont en train de changer les caractéristiques des défauts du système électrique. De plus des structures nouvelles, telles que les réseaux actifs de distribution, les microgrids, les CCHT VSC, sont mises en place très largement pour améliorer l'efficacité énergétique, populariser et promouvoir l'utilisation des énergies renouvelables. Ces changements conduisent à la dégradation des conditions du fonctionnement des protections traditionnelles, et même à des risques de fonctionnement intempestif et de non fonctionnement.

Les modèles de calcul des courants de défaut sont à la base de l'analyse des caractéristiques des défauts, de la recherche des protections les plus appropriées, et de la proposition de nouveaux principes de protection. En ligne avec les projets industriels, la Brochure Technique (BT) propose différents réseaux électriques de référence d'essai destinés à la recherche sur les protections. Pour établir le modèle du courant de court-circuit de différents dispositifs à électronique de puissance dans différents scénarios, il faut commencer par définir les conditions de contrôle du réseau et obtenir les caractéristiques du courant de défaut en combinant la topologie typique et les paramètres typiques, issus de l'industrie. Sur ces bases on peut ensuite procéder à l'analyse de l'adaptabilité des protections et à l'exploration de nouveaux principes de protection. 

Sur la base de l'analyse des caractéristiques de défaut, la BT examine comment se comportent les protections traditionnelles, pour déterminer les principes de configuration des systèmes de protection et pour explorer de nouveaux principes de protection. Les principes de protection explorés incluent ceux des protections traditionnelles basées sur le courant, l'impédance, les communications, les ondes progressives et les protections d'ilotage.

Pour résoudre les problèmes auxquels font face les protections conventionnelles, il est particulièrement important d'étudier de nouveaux principes de protection qui soient adaptés à la limitation des courants de défaut des nouvelles sources. La BT présente de nouveaux principes de protection des centrales de production d'électricité renouvelable, des systèmes hybrides CA/CC, et des systèmes CC de distribution. Les nouveaux principes proposés actuellement peuvent être adaptés, dans une certaine mesure, à l'intégration de sources de production à courant de défaut limité. Cependant la plupart de ces principes de protection sont toujours en phase de recherche théorique et ne sont pas encore mis en œuvre dans l'industrie électrotechnique. Les résultats de l'enquête conduite par le Groupe de Travail (GT) sont présentés à la fin de la BT. Il est également recommandé de conduire des recherches supplémentaires dans le sujet de la protection du réseau du futur.

Structure de la Brochure Technique

La BT est constituée des chapitres suivants :

• §1 présente l'état de l'art et les futures exigences liées aux énergies renouvelables, aux réseaux électriques di futur, et aux véhicules électriques, dans différents pays, dont la Chine, les Etats-Unis, l'Europe, le Canada et l'Inde.
• §2 expose la topologie et les caractéristiques de la production éolienne, de la production photovoltaïque, des stockages d'énergie et des véhicules électriques.
• §3 est consacré à la description des évolutions des réseaux, électriques qui connaissent une forte pénétration de dispositifs à électronique de puissance. Il présente également une analyse de la topologie et des défauts de différentes structures nouvelles, dont les réseaux actifs de distribution, les microgrids et les systèmes CCHT VSC.
• §4 propose des modèles de calcul des courants de défaut de différents sources d'énergie renouvelable, sur lesquels sont basées les analyses des caractéristiques des courants de défaut du système électrique, les recherches  de protections mieux adaptées, et les propositions de nouveaux principes de protection.
• §5 présente les impacts de large utilisation des composants à électronique de puissance sur les protections unitaires.
• §6 décrit les nouveaux principes de protection des centrales de production d'énergie renouvelable, des réseaux hybrides CA/CC et des réseaux de distribution CC.
• §7 est consacré à la conclusion, et aux recommandations relatives au perfectionnement des protections du réseau du futur.

Modèles de réseau d'essai pour les études de protection

Au vu des projets industriels en cours, on peut distinguer 4 scénarios d'évolution des réseaux, intégrant différents dispositifs à électronique de puissance. Dans la BT, différents modèles de réseaux d'essai des différents relais de protection pour des situations d'exploitation définies par les membres du GT, ont été retenus. Ils sont présentés dans les Figures 1 à 4.

Scénario 1 : Système de distribution hybride CA/CC

Le système de distribution hybride CA/CC comporte des réseaux CA, des productions d'énergie renouvelable, des charges industrielles CA, des batteries CC et des charges CC, des centres informatiques CC et des charges domestiques en basse tension.

Scénario 2 : Système intégrant à grande échelle des productions éoliennes et phtovoltaïques

Le système intégrant à large échelle des productions éoliennes et photovoltaïques comporte des lignes de collecte d'énergie à tension basse, des transformateurs élévateurs, des transformateurs et des lignes de transport.

Scénario 3 : Système multiterminal à haute tension CCHT VSC

Multi-terminal high voltage VSC-HVDC system contains DC breakers, lines and at least three VSC-HVDC power conversion stations which can connect to both AC renewable generation systems and the AC grids. 

Scénario 4: Réseau de transport à haute tension CCHT LCC

Le réseau de transport à haute tension CCHT LCC comporte des stations de conversion CCHT LCC, des lignes CC, des disjoncteurs CC, des lignes CA et leurs disjoncteurs.

Modèles pour le calcul des courants de défaut

Naturellement comme la pénétration des dispositifs à base de convertissurs continue à croître dans le réseau de grand transport (BPS) et dans les réseaux de transport secondaires, les niveaux des courants de défaut et de la puissance de court-circuit vont continuer à décroître. Des conditions de courants de défaut et de puissances de court-circuit faibles vont engendrer de nombreuses difficultés en matière de fiabilité du BPS. Afin d'étudier l'impact d'une forte proportion d'équipements à base d'électronique de puissance sur le système de protection contre les défauts, il est nécessaire d'étudier le modèle du courant de défaut de ces convertisseurs.

Fermes éoliennes de Type-III

La structure de contrôle des générateurs à induction à double alimentation (DFIG) fait l'objet de la Figure 5. Les convertisseurs des cotés rotor et réseau et la protection Crowbar sont utilisés pour contrôler le fonctionnement des DFIG dans les différentes conditions de l'exploitation. Le circuit de protection du côté rotor comporte une protection active Crowbar, avec un interrupteur triphasé CA et une résistance bypass. La Figure 5 présente la topologie du circuit Crowbar et les méthodes correspondantes de son insertion et de son retrait. Quand le système électrique est perturbé, le courant rotor du DFIG monte rapidement et dépasse un seuil prédéterminé, et la résistance est mise en service; et quand la tension aux bornes et le courant rotor reviennent aux valeurs normales, la résistance est déconnectée et le convertisseur rotor reprend sa fonction normale de réglage de la puissance. En régime permanent triphasé, la tension et le courant du stator peuvent obtenus dans le domaine temps par la formule

                  (1)

Dans laquelle U, I et φ sont les valeurs efficaces et la phase de la tension et du courant, les signes + et –représentent les composantes directe et inverse, u et i les phases de la tension et du courant et ω la vitesse angulaire électrique synchrone.

La vitesse angulaire et l'amplitude approximatives des composantes du courant, ou le courant de défaut quand le rotor est superconducteur peuvent s'exprimer par les formules

                        (2)

dans laquelle L_op et L'_op sont définies comme les inductances en régime permanent et transitoire respectivement, alors que E et E' sont définies comme les tensions d'excitation en régimes permanent et transitoire du Type-3WT, respectivement.

Productions interfacées par convertisseur

A partir de l'analyse du modèle mathématique on peut obtenir le schéma de principe du contrôle du convertisseur d'interfaçage des productions décentralisées (IIDG), présenté en Figure 6.

Quand la tension de la composante directe au point de connexion descend en dessous de 90% du nominal, la boucle extérieure de la tension du courant électrique est déconnectée, et les commandes du courant actif et du courant réactif sont transmises directement par la boucle interne. Conformément à la norme allemande de raccordement au réseau à moyenne tension des productions décentralisées, pendant le défaut en réseau la commande de courant actif est ajustée en fonction de la plage de baisse de la tension, c'est à dire :

                               (3)

Dans la formule toutes les valeurs sont en p. u. et αest l'amplitude de la tension de la composante directe du courant.

Pour le convertisseur IIDG l'expression approchée peut être donnée par

                                              (4)

où la constante de temps τ_acc est la constante de temps de la baisse, et où ω_acc est la fréquence naturelle.

Performance du schéma de protection

On présente dans la BT des principes nouveaux de protection basés sur le courant, l'impédance, les communications, destinés à assurer une exploitation sure et efficace du système électrique. A ce titre, la protection pilote basée sur la similarité des ondes de courant est choisie comme exemple représentatif.

Le système électrique primaire typique intégrant des productions éoliennes est donné en Figure 7. CTw et CTs sont les transformateurs de mesure du côté de la production éolienne (W) et du côté système électrique (S) respectivement, et le sens positif du courant est celui du bus vers la ligne de transport.

Pour la protection basée sur la similarité du cosinus le critère est le suivant :

                             (5)

Dans la formule ϕ est la phase A, B ou C., cos_set est la constante de protection de la protection proposée, qui est liée à la saturation du CT et à l'erreur du CT. Les conditions de réglage sont décrites dans la BT.

La comparaison entre les performances de la protection différentielle à retenue et la protection longitudinale à similarité cosinus, dans un scénario de production renouvelable connectée à un système électrique faible, est donnée ci-après (Figure 8). Dans le cas d'une production renouvelable raccordé à un système électrique faible (le ratio des capacités de production renouvelable et de celles du système synchrone est de 1:4), la protection différentielle de courant peut ne pas avoir la capacité d'opérer quand le défaut entre phase se produit sur la ligne d'évacuation. La raison en est que la distorsion du courant de court-circuit fourni par la source d'énergie renouvelable conduit à une situation dans laquelle l'angle de phase entre les phases du courant de défaut aux deux extrémités est supérieur à 90 degrés, ce qui fait que le courant différentiel est inférieur à la valeur du courant de retenue.

Les résultats des essais montrent que le critère de protection basé sur la similarité des cosinus permet de résoudre les problèmes de réduction de sensibilité et de fonctionnement incorrect, rencontrés par les protections conventionnelles en cas de pénétration importante de productions renouvelables. 

Conclusion et recommandations

La fonction de protection est vitale pour le fonctionnement sûr et efficient des systèmes électriques. Une forte proportion de dispositifs à électronique de puissance dans le réseau conduit à une dégradation du fonctionnement des protections classiques. Sur la base de l'analyse des caractéristiques de défaut de différents dispositifs à électronique de puissance de nouveaux principes de protection ont été proposés, adaptés à l'intégration de moyens de production qui contribuent de façon aux courants de défaut. Toutefois la plupart de ces principes de protection sont encore au stade des recherches théoriques, et n'ont pas encore été appliqués dans l'industrie électrotechnique.  Il est nécessaire de poursuivre les recherches complémentaires pour promouvoir la mise en œuvre pratique de ces nouveaux principes de protection.