FR3020190B1

FR3020190B1 - Procede de controle et regulation d'un reseau electrique

Info

Publication number: FR3020190B1
Application number: FR1453505A
Authority: FR
Inventors: Eric Andrieu; Delphine Wagner
Original assignee: Vergnet SA VSA
Current assignee: Vergnet SA VSA
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: FR3020190A1; WO2015159036A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de régulation en temps réel de la puissance injectée sur un réseau des sources d'énergie renouvelable (3, 4) et non renouvelable (2) afin de maximiser l'utilisation de l'énergie renouvelable tout en assurant le bon fonctionnement du réseau. Ce procédé considère une pluralité de critères considérés comme représentatifs de la qualité, stabilité et sécurité du réseau. Une boucle de régulation intervient pour chacun de ces critères.

Description

PROCEDE DE CONTROLE ET REGULATION D’UN RESEAU ELECTRIQUE L’invention concerne le contrôle et la régulation de l’énergie fournie sur un réseau électrique, l’énergie étant celle fournie par des dispositifs à énergie renouvelable d’une part, et des dispositifs qui ne sont pas à énergie renouvelable d’autre part.

On entend par « dispositifs à énergie renouvelable >> dans la suite de la description, les dispositifs fournissant de l’énergie à partir du vent, du soleil, de l’eau gravitaire, des marées, etc..., à savoir l’énergie qui n’est pas issue de combustibles fossiles ou de centrales nucléaires. A l’inverse, on entend par « dispositifs qui ne sont pas à énergie renouvelable », les dispositifs à énergie thermique qui fabriquent de l’électricité à partir de combustibles fossiles, tels que le pétrole et le gaz, ainsi que les centrales nucléaires. L'invention sera plus particulièrement décrite en regard, sans toutefois y être limitée, à des dispositifs à énergie renouvelable du type éoliennes (énergie fournie par le vent) et panneaux photovoltaïques (énergie solaire), et de dispositifs qui ne sont pas à énergie renouvelable du type groupes électrogènes.

Jusqu’à présent, chaque réseau de distribution électrique a été conçu selon une production centralisée pour délivrer en aval d’une installation une puissance électrique aux abonnées consommateurs de manière uniforme, c’est-à-dire avec la même qualité d’électricité.

Les réseaux de distribution électrique n’ont pas été conçus à l’origine pour que d’autres dispositifs fournissant de l’énergie, en particulier des dispositifs à énergie renouvelable, se connectent sur ces réseaux (production décentralisée).

En effet, lorsqu’il s’agit d’associer, à différents endroits du réseau électrique, des dispositifs de production d’électricité à énergie renouvelable, cela bouleverse la puissance d’alimentation et les flux de puissance transitant sur le réseau. A l’origine, le réseau possède sa propre puissance d’injection en fonction des installations consommatrices d’électricité. Or, les dispositifs à énergie renouvelable remplaçant une partie de la production fossile et venant se raccorder sur le réseau, injectent de l’énergie supplémentaire, en modifiant les flux de puissance, ce qui peut engendrer divers problèmes. A titre d’exemples :

Si trop d’énergie circule dans un câble dont la section a été adaptée à la seule puissance initialement prévue, un risque de surchauffe du câble peut survenir, entraînant à terme un risque de départ de feu ou de détérioration du câble, et des courts-circuits. L’injection de puissance en un point décentralisé du réseau peut conduire à des problèmes de surtension aux bornes d’une charge consommatrice d’électricité et proche de ce point, engendrant des dégradations éventuelles sur le matériel de cette charge, voire même sa détérioration.

La qualité d’électricité délivrée sur l’ensemble du réseau est très fortement susceptible d’être affectée. Or, il est indispensable que toutes les charges consommatrices d’électricité reliées au réseau soient alimentées selon une même qualité au regard pourtant de leurs particularités. Par exemple, une première charge du type installation/serveur informatique n’aura pas les mêmes exigences quant aux harmoniques de tension et de courant sur le réseau qu’une deuxième charge du type moteur de forage.

Pour éviter tous problèmes, afin de garantir au consommateur la disponibilité des sources, la protection des personnes et du matériel connecté au réseau, et la fourniture d’une alimentation électrique fiable et de qualité continue sans risque de perturbation du réseau quelles que soient les variations en demandes d’électricité au cours du temps, l’administrateur/le gestionnaire du réseau et du dispositif de distribution électrique à énergie non renouvelable, impose aujourd’hui des plafonds d’injection de puissance à l’égard des dispositifs à énergie renouvelable. II s’agit de la capacité d’accueil du réseau au point de connexion considéré. Cela entraîne des coûts d’exploitation plus importants (plus de carburant consommé,...) que dans le cas où les énergies renouvelables sont utilisées sans limitation de la puissance.

Ainsi, afin de palier tout risque de bouleversement du réseau, principalement en raison des aléas d’injection de puissance liés à la production d’énergie renouvelable qui est effectivement variable au cours du temps, la puissance d’injection maximum imposée pour un dispositif d’énergie renouvelable est calculée en prenant comme hypothèses des configurations du réseau extrême (puissances de court-circuit minimale et maximale). En réalité, ces états de réseaux contraints peuvent s’avérer extrêmement rares voire quasi-inexistants. Cela signifie donc que la limite maximale d’injection de la puissance renouvelable sur le réseau en conditions normales de fonctionnement est fortement diminuée car le cas de référence pour le calcul de cette limite est un réseau beaucoup plus contraint, donc autorisant moins d’énergie renouvelable. L’administrateur/le gestionnaire du réseau impose donc le plus souvent au producteur d’énergie renouvelable une puissance d’injection fortement limitée, et parfois même conclut à un raccordement du dispositif de distribution électrique à énergie renouvelable, impossible.

Alors même que des directives environnementales de nombreux pays imposent d’augmenter de manière conséquente l’énergie renouvelable au regard de l’énergie fossile, les dispositifs d’énergie renouvelable qu’on installe ne sont nullement utilisés par rapport à leur capacité maximale de production d’énergie, et cela tout particulièrement dans le cas de réseaux faibles, ou îlotés soumis à la production décentralisée.

Depuis quelques années, sont alors proposés des outils permettant de concevoir les réseaux de distribution d’électricité de demain. Les réseaux du futur utilisant des outils informatiques sont dits réseaux « intelligents >> ou encore nommés « smart-grid >> ; ces réseaux utilisent une technologie visant à optimiser la production d’énergie et sa distribution en fonction de la consommation, ou inversement d’adapter la consommation à la disponibilité de l’énergie.

Cependant, ces outils informatiques sont conçus dans une approche de modélisation d’un réseau et d’optimisation des consommations. Ces outils ne permettent pas de s’adapter à un réseau existant sur lequel on ajoute après coup des dispositifs à énergie renouvelable ni d’évaluer en tant réel le maximum de puissance électrique issue des énergies renouvelables.

On a proposé, dans la demande de brevet américain US 2013/0002032, un procédé de contrôle d’un réseau électrique sur lequel sont raccordées des sources d’énergie renouvelable et des sources d’énergie thermique ou autres générateurs à partir d’énergie non renouvelable, ce procédé visant à utiliser au mieux l’énergie renouvelable tout en gardant un équilibre sur le réseau lors de la fluctuation de cette énergie renouvelable. Le procédé consiste à évaluer la différence entre les besoins en électricité des charges consommatrices reliées au réseau et la quantité d’énergie produite et réguler la puissance injectée des différentes sources en fonction du besoin et de critères de risque économique.

Cependant, ce type de dispositif ne prend pas du tout en compte la qualité du courant distribué, ni sa stabilité, ni les risques liés aux personnes et matériels que peuvent engendrer l’apport de puissance à différents points du réseau par de l’énergie renouvelable. L’invention a donc pour but de proposer un dispositif de régulation de la production d’énergie électrique sur un réseau auquel on peut adjoindre à tout moment, même après conception du réseau de distribution électrique, des dispositifs de production à énergie renouvelable, de sorte que ces derniers soient utilisés au maximum de leur production utile en optimisant l’injection de puissance sur le réseau pour ne pas perturber le réseau et garantir aux consommateurs la sécurité des personnes, la protection du matériel et une qualité et une stabilité optimales de l’électricité produite.

Selon l’invention, le procédé de régulation d’injection de puissance sur un réseau électrique en fonctionnement sur lequel sont reliées au moins une source de production à énergie non renouvelable, au moins une source de production à énergie renouvelable et au moins une charge consommatrice d’électricité, le procédé comprenant au moins une étape de régulation de la puissance injectée sur le réseau à partir d’une source de production à énergie renouvelable, est caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de régulation en boucle fermée et en ce que, en continu, - on mesure régulièrement à différents points du réseau plusieurs paramètres propres à l’énergie électrique circulant sur le réseau ; - à partir de ces mesures, on détermine en temps réel une pluralité de critères électriques considérés comme représentatifs de la qualité, stabilité et sûreté du réseau (c’est-à-dire qu’on évalue en temps réel la capacité du raccordement des sources d’énergie renouvelable), - on compare ensuite en temps réel les valeurs résultant desdits critères déterminés, à des valeurs de seuils préétablies, - en fonction des résultats de comparaison à l’étape précédente, on vérifie que les critères ne dépassent pas les valeurs de seuils de sorte que le réseau est de qualité stable et sûr et on commande/contrôle la puissance injectée sur le réseau en provenance des différentes sources d’énergie renouvelable et non renouvelable. L’étape de commande/contrôle consiste notamment à diminuer la puissance injectée par les sources de production d’énergie non renouvelable, et/ou stopper le fonctionnement d’au moins une de ces sources, et augmenter la puissance injectée par les sources de production d’énergie renouvelable.

La puissance injectée par les sources de production d’énergie renouvelable n’est pas plafonnée à une valeur fixe par l’administrateur du réseau, mais au contraire est destinée à varier en augmentant ou diminuant par le contrôle des différents critères représentatifs de la stabilité, qualité et sécurité du réseau.

On entend par « réseau en fonctionnement >>, un réseau électrique qui ne correspond pas à une modélisation pour obtenir des prédictions au regard de tel ou tel évènement, mais au contraire, un réseau électrique qui est installé et opérationnel, et sur lequel de la puissance est injectée à partir de sources productrices d’électricité et distribuée aux diverses charges consommatrices connectées, et qui est susceptible à tout moment de subir des aléas quant à ses qualité et stabilité électriques.

Ce procédé permet très avantageusement, pour un réseau en fonctionnement, de ne pas limiter à une valeur de puissance fixe la puissance injectée sur le réseau par les sources d’énergie renouvelable. II permet d’optimiser la puissance injectée par sources à énergie renouvelable afin de réduire au mieux l’énergie fossile et de maximiser l’utilisation desdites sources à énergie renouvelable.

En outre, les inventeurs ont mis en évidence qu’il ne suffit pas, comme dans l’art antérieur, de contrôler la puissance produite par les sources et la puissance consommée, pour assurer la régulation de la puissance injectée par les sources d’énergie renouvelable. Les inventeurs ont mis notamment en évidence qu’il est nécessaire, pour accueillir à tous moments sur le réseau des sources d’énergie renouvelable et maximiser la puissance injectée de ces sources tout en garantissant un réseau stable, de qualité et sécuritaire, de surveiller en permanence une pluralité de critères, en les déterminant en temps réel par des mesures et des calculs, de comparer en temps réel ces critères à des valeurs de seuils pour contrôler convenablement la régulation de puissance injectée à la fois par les sources d’énergie non renouvelable et renouvelable.

Enfin, en contrôlant en temps réel la pluralité de critères électriques, on régule en temps réel l’énergie injectée sur le réseau à partir de toutes les sources d’énergie non renouvelable et renouvelable, de façon à ne pas avoir à se limiter à une puissance fixe d’énergie renouvelable mais permettre de maximiser en temps réel l’injection d’énergie renouvelable et minimiser l’injection d’énergie fossile.

Par conséquent et en d’autres termes, la puissance renouvelable maximale injectable sur le réseau est recalculée et re-paramétrée en continue à partir de mesures de grandeurs électriques représentatives du fonctionnement en temps réel du réseau et selon des critères de bon fonctionnement définis avec et par le gestionnaire, au contraire de la procédure classique voulant que cette puissance maximale injectable soit une valeur finie calculée une fois lors d’études électriques de raccordement sur la base de conditions extrêmes de fonctionnement du réseau à occurrence faible, mais entraînant donc une diminution forcée de l’énergie renouvelable injectable et nécessitant pour chaque nouveau raccordement de ré-effectuer ces études.

Une boucle de régulation intervient donc pour chacun des critères afin de commander au final une augmentation de puissance injectée par les sources d’énergie renouvelable.

Au démarrage de la régulation, les sources d’énergie renouvelable présentent une valeur de consigne de puissance d’injection sur le réseau, et lorsque les valeurs desdits critères électriques sont en-dessous des valeurs de seuil, la valeur de consigne est augmentée d’une valeur optimisée et acceptable qui correspond à la plus petite valeur sélectionnée parmi d’une part des valeurs estimées par les mesures effectuées et par calcul et d’autre part des valeurs prédéfinies.

Les valeurs estimées d’augmentation de puissance le sont au regard de certains critères en étant calculées en temps réel à l’instant N, de façon que Iesdits critères électriques soient respectés à l’instant N+1.

Lorsque la valeur optimisée et acceptable correspond à la valeur minimale d’une des valeurs prédéfinies de puissance, la puissance de consigne est augmentée de cette valeur, puis on contrôle les critères électriques, et si ces derniers sont en-dessous des valeurs de seuil, on augmente à nouveau d’une valeur minimale et cela de manière itérative jusqu’à maximiser la nouvelle valeur de consigne tout en respectant les valeurs de seuil pour lesdits critères électriques.

La ou les valeurs d’augmentation de puissance définies préalablement le sont en ayant considéré que les valeurs de seuil desdits critères électriques puissent être respectées à l’instant N+1.

De toute manière, une fois la valeur d’augmentation de puissance imposée à la valeur de puissance de consigne, une étape de contrôle des critères est mise en œuvre.

Une valeur d’augmentation de puissance est donc affectée pour chacun des critères, par calcul ou selon une valeur fixe déterminée préalablement, ce qui fournit plusieurs possibilités de valeurs d’augmentation de puissance. La valeur optimisée et acceptable qui est prise en compte pour s’ajouter à la valeur de consigne est la valeur la plus petite parmi toutes les valeurs estimées précédemment et fixes.

Les étapes de régulation en boucle fermée relatives à l’évaluation et la comparaison des critères, sont réitérées périodiquement. La vérification que l’ensemble des critères répond aux valeurs de seuil est faite à intervalles réguliers, par exemple de l’ordre de la seconde.

Par ailleurs, ces étapes d’évaluation en continu sur un réseau neuf ou déjà existant permettent à tout moment ultérieur, même plusieurs mois après, d’ajouter des sources d’énergie renouvelable sans devoir imposer un plafond immuable de puissance d’injection ou réaliser une nouvelle fois les études de raccordement inhérentes à l’adjonction de nouvelles sources de puissance, procurant ainsi un gain de temps lors de la réalisation.

La quantité de puissance d’énergie renouvelable apte à être injectée sur le réseau, c’est-à-dire apte à être absorbée par le réseau est calculée en contrôlant de manière itérative lesdits critères électriques représentatifs de la qualité, stabilité et sûreté du réseau.

Lorsque l’une des valeurs de seuil est dépassée, on corrige (on diminue ou on stoppe) la puissance injectée par au moins l’une des sources d’énergie renouvelable, et on augmente la puissance injectée par les sources d’énergie non renouvelable, puis l’on procède de manière itérative aux étapes de mesure, de détermination des valeurs des critères et de leur comparaison aux valeurs de seuil pour diminuer encore la puissance injectée par les sources d’énergie renouvelable et augmenter la puissance des sources d’énergie non renouvelable si les valeurs de seuils sont toujours dépassées, la nouvelle injection de puissance des sources à énergie renouvelable et la suppression d’injection de puissance des sources à énergie non renouvelable étant mises en œuvre dès que l’ensemble des valeurs seuil sont respectées.

Selon une caractéristique, les inventeurs ont mis en avant de manière surprenante que les critères à contrôler, considérés comme pouvant avantageusement être représentatifs de la qualité et stabilité du réseau, tout en garantissant la protection des personnes et des matériels, étaient les suivants : - la tension sur le réseau, - le courant sur le réseau (sur une ou plusieurs artères de distribution), - la fréquence de la tension associée à la puissance disponible sur le réseau au regard de la réserve primaire en puissance, - la puissance de court-circuit apparente (Sec) θη un point considéré du réseau, - la puissance de court-circuit réactive (Qcc) en un point considéré du réseau, - la réactance tournante (Xcc) en un point considéré du réseau, - la qualité d’énergie représentée au moins par les papillotements (connus aussi sous le terme « flickers >> en anglais), les harmoniques, les déséquilibres en tension, et la variation de fréquence en un point considéré du réseau.

Les inventeurs ont pu montrer, qu’à partir du contrôle de ces critères pris en combinaison, il était possible d’optimiser la répartition de la puissance injectée par les différentes sources d’énergie renouvelable et non renouvelable en profitant au maximum de la puissance des sources d’énergie renouvelable.

Les inventeurs ont mis en évidence que cette liste de critères à contrôler fournit une image très représentative de la qualité et stabilité du réseau en combinant la protection des personnes et des matériels au niveau des charges à alimenter en électricité.

Les valeurs d’augmentation de puissance par rapport à la consigne sont calculées pour les critères suivants : la tension, le courant, la réserve primaire en puissance, la puissance de court-circuit apparente, la réactance, les papillotements. Pour les autres critères, la valeur d’augmentation est définie préalablement.

Avantageusement, les points de mesure sont limités afin d’optimiser les temps de mesure, calcul et de commande pour la régulation. De plus, cette limitation permet de limiter les coûts de mise en œuvre du procédé au regard des installations d’automatisation à mettre en place.

De préférence, les points de mesure sont situés au niveau au moins : - des sources d’énergie non renouvelable (au point de couplage avec le réseau d’une pluralité de mêmes sources d’énergie non renouvelable) ; - des sources d’énergie renouvelable (au point de couplage avec le réseau d’une pluralité de mêmes sources d’énergie renouvelable) ; - de la charge consommatrice présentant la plus grande impédance (c’est-à-dire électriquement éloignée des sources de production non renouvelables) ; et - d’une ou des charges sensibles connectées au réseau.

De manière connue, une charge sensible est une charge qui, en particulier, ne supporte pas les mêmes niveaux de tension que le reste du réseau, telle qu’un serveur et/ou des appareils informatiques.

Selon une autre caractéristique, le procédé comporte une étape préalable avant la mise en fonctionnement du réseau et du branchement des sources d’énergie renouvelable au réseau, c’est-à-dire avant que pour la toute première fois les sources d’énergie renouvelable injectent de la puissance sur le réseau, de prise en considération de plusieurs phénomènes électriques inhérents aux matériels. Ces phénomènes sont traités une seule fois avant le raccordement des sources d’énergie renouvelable en adaptant les relais de protection qui sont associés de manière usuelle aux différentes charges à alimenter en électricité et aux sources d’énergie.

De préférence, les phénomènes pris en considération par les moyens de protection sont les surtensions transitoires, la perte du régime de neutre, l’élévation du potentiel du neutre, et le fonctionnement en îlotage d’une source d’énergie renouvelable.

Le procédé de l’invention s’applique tout particulièrement à des sources d’énergie renouvelable que sont en particulier des parcs d’éoliennes et/ou des fermes de panneaux photovoltaïques, et à des sources d’énergie non renouvelable du type groupes électrogènes.

On entend dans la suite de la description par « éléments du réseau >>, les charges consommatrices d’une part et les sources d’énergie respectivement renouvelable et non renouvelable d’autre part.

La présente invention est maintenant décrite à l’aide d’exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l’invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : - La figure 1 représente schématiquement un réseau électrique sur lequel sont connectées des sources d’alimentation en énergie et des charges consommatrices ; - La figure 2 illustre schématiquement le procédé de régulation de l’invention à partir de la détermination de plusieurs critères électriques selon l’invention ; - Les figures 3 à 5 illustrent schématiquement des exemples de boucle de régulation, respectivement, de la tension sur le réseau, du courant sur le réseau, et de la fréquence associée à la surveillance de la puissance disponible sur le réseau.

La figure 1 illustre schématiquement un exemple de réseau de distribution électrique auquel sont connectées - une source d’énergie non renouvelable 2 telle qu’une centrale thermique connectée au point de couplage 20 avec le réseau et comprenant par exemple une pluralité de groupes électrogènes 21, 22, 23, chacun contrôlable indépendamment ; - une première source d’énergie renouvelable 3 sous la forme d’une ferme éolienne comprenant une pluralité d’éoliennes 31,32, 33. La ferme est connectée au réseau au niveau d’un seul point de couplage 30. La puissance produite par les éoliennes est contrôlable grâce à un système de supervision du type automate programmable ; - une seconde source d’énergie renouvelable 4 sous la forme d’un champ photovoltaïque comprenant une multiplicité de panneaux photovoltaïques et connectée avec le réseau au point de couplage 40. La puissance produite par les onduleurs est contrôlable grâce à l’automate programmable ; - une première charge 5 consommatrice d’électricité en tant que charge sensible, connectée au réseau en 50; - une deuxième charge 6 consommatrice d’électricité telle qu’une habitation, connectée au réseau en 60 ; - une troisième charge 7 consommatrice d’électricité dont l’impédance qui la sépare des sources d’énergie non renouvelables est élevée, connectée en 70.

Les deux premières charges 5 et 6 sont par exemple agencées sur une ligne de distribution distincte de celle sur laquelle sont connectées les sources d’énergie renouvelables 3 et 4 et la troisième charge 7. La charge 7 du fait de sa disposition en bout de la ligne électrique est de manière connue à forte impédance.

Le nombre de sources et charges, leur emplacement sur le réseau sont ici donnés à titre d’exemple nullement limitatif pour comprendre le procédé de régulation de l’invention et le dispositif de mise en œuvre.

La figure 2 illustre schématiquement les étapes du procédé conduisant à la régulation de la puissance injectée sur le réseau.

Selon l’invention, plusieurs critères de A à G considérés comme représentatifs de la qualité et stabilité du réseau et garantissant la protection des personnes et des matériels sont contrôlés en temps réel, c’est-à-dire au cours du fonctionnement du réseau et à des laps de temps réguliers.

Le procédé de l’invention vise ainsi en régulant plusieurs critères électriques à contrôler la commande des différentes sources d’énergie renouvelable et non renouvelable pour ajuster la répartition de la puissance injectée par chacune des sources et cela de manière optimisée, c’est-à-dire de façon que les sources d’énergie renouvelable puissent injecter un maximum de puissance au regard de la stabilité et qualité du réseau, tout en assurant la sécurité des personnes et des matériels.

Les critères électriques à contrôler en combinaison sont selon l’invention les suivants : A. la tension sur le réseau U, B. le courant sur le réseau I sur une ou plusieurs artères de distribution, C. la fréquence f de la tension et la réserve primaire en puissance, D. la puissance de court-circuit réactive Qcc en un point considéré du réseau, E. la puissance de court-circuit apparente (Sec) en un point considéré du réseau, F. la réactance Xcc tournante en un point considéré du réseau, G. la qualité de l’énergie QE en un point considéré du réseau, qui peut être représenté par plusieurs paramètres ou par un indice tenant compte de ces paramètres.

Les inventeurs ont mis en évidence qu’il était nécessaire de considérer en combinaison au moins chacun de ces critères.

Ces critères, explicités plus loin, sont déterminés par des mesures de plusieurs paramètres électriques et calculs connus.

Les contrôles de ces différents critères représentatifs de la qualité et stabilité du réseau sont effectués selon l’invention à des points stratégiques du réseau pour les limiter en quantité (limiter les coûts de mise en œuvre) et optimiser le temps de cycle de la boucle de régulation.

De préférence, mais de façon non obligatoire, les points de mesure sont situés au niveau : - des sources d’énergie non renouvelable 2 ; - des sources d’énergie renouvelable 3 et 4 (aux points de couplage avec le réseau 30 et 40 d’une pluralité de mêmes sources d’énergie renouvelable) ; - de la charge consommatrice la plus impédante 7 ; et - de la ou des charges sensibles 5 connectées au réseau.

La charge la plus impédante du réseau a été identifiée préalablement à la mise en fonctionnement du procédé de régulation. Généralement, cette charge correspond à la plus éloignée sur le réseau des sources amont d’énergie non renouvelable. D’autres points de mesure sur le réseau peuvent bien entendu être ajoutés. Toutefois, ils seront limités au regard du coût d’investissement du matériel de mesure.

Une fois les mesures effectuées, celles-ci sont comparées à des valeurs de seuil prédéfinies via un automate programmable AP.

Au démarrage du réseau, lorsque l’on connecte les sources d’énergie renouvelable 3 et 4 pour qu’elles injectent de la puissance, la puissance injectée par chacune des sources renouvelables est à une valeur de consigne. A l’instant N, si toutes les valeurs de seuils sont respectées par les critères A à G (« OUI >> sur la figure 2), on augmente la valeur de consigne des sources d’énergie renouvelable 3 et 4, de manière à utiliser davantage leur énergie, et on diminue (voire on coupe) alors la puissance injectée via les sources d’énergie 2 non renouvelable : par exemple, on connecte au réseau une des éoliennes tandis que l’on coupe un groupe électrogène. Cela est autorisé à la condition que ces modifications n’entraînent pas d’instabilités à l’instant N+1. L’augmentation de la puissance injectée par les sources d’énergie renouvelable 3 et 4 se fait via l’automate programmable. L’augmentation de puissance (ΔΡ) à affecter à la valeur de consigne est calculée par l’automate à partir des mesures effectuées sur le réseau, des critères électriques précités de l’invention, et de valeurs prédéfinies. La valeur d’augmentation de puissance correspond à une valeur optimisée d’augmentation de puissance en provenance des énergies renouvelable afin qu’à l’instant N+1, les valeurs de seuil de chaque critère soient respectées.

La valeur d’augmentation de puissance (ΔΡ) optimisée (valeur qui tend vers le maximum acceptable pour utiliser au maximum l’énergie renouvelable) est choisie en sélectionnant la plus petite valeur parmi des valeurs calculées à partir des mesures et de la détermination de plusieurs critères, ainsi qu’à partir de valeurs prédéfinies. L’estimation de cette valeur d’augmentation de puissance ΔΡ acceptable sera décrite plus loin à partir du calcul d’un surplus de puissance acceptable pour chacun des critères que sont la tension, le courant, la réserve primaire, la puissance de court-circuit réactive Qcc, la réactance Xcc tournante, et les papillotements.

Pour certains critères (harmoniques, déséquilibres tension,...), il n’est pas possible d’établir un lien direct entre le surplus de puissance renouvelable et la mesure électrique, c’est pourquoi sont fixées pour ces critères des valeurs prédéterminées. L’augmentation de la puissance de consigne des énergies renouvelables est réalisée lorsque l’ensemble des critères A à G sont respectés. En revanche, si au moins l’un des critères A à G ne respecte pas la ou les valeurs de seuils auquel il est associé (« NON >> sur la figure 2), l’automate programmable commande des actions sur les sources d’énergie 2, 3 et/ou 4 ainsi qu’éventuellement sur les charges raccordées aux réseaux afin que le système revienne dans un fonctionnement acceptable sur tous les plans, c’est à dire que tous les critères respectent les valeur de seuils. Les actions mises en place par l’automate dépendent des critères non respectés. Des exemples d’action sont exprimés plus loin au regard de chaque critère.

La boucle de régulation des critères électriques A à G, comportant les étapes de mesures, de détermination des critères, leur comparaison et la commande d’action de régulation, est effectuée en temps réel et en continu de manière itérative. La périodicité sera en adéquation avec les contraintes techniques des mesures effectuées (filtres sur les mesures,...) et de la connaissance des risques d’instabilité du réseau au regard notamment du type de charges connectées.

Le procédé de l’invention est mis en œuvre par des moyens de mesure, des moyens de communication des résultats de mesure, un dispositif de traitement et régulation des résultats reçus via les moyens de communication, tel qu’un automate programmable. Le dispositif est apte à comparer les résultats de mesure à des valeurs seuils, analyser les écarts avec les valeurs seuils pour chaque paramètre mesuré, et en fonction du nombre d’écarts et de leur grandeur, en déduire, selon un algorithme de choix sélectif de régulation, les sources d’énergie renouvelable qu’il convient de réguler.

Sont ci-après détaillés les critères de l’invention représentatifs de la qualité, stabilité et sûreté du réseau. A. La tension sur le réseau

Le but est de contrôler que le niveau de tension est correct sur le réseau (pas de surtension ou de sous-tension).

La tension correspond à la tension efficace moyenne qui est relevée sur le réseau au niveau au moins : 1. des sources d’énergie non renouvelable 2 ; 2. des sources d’énergie renouvelable 3 et 4 (au point de couplage avec le réseau) ; 3. de la charge consommatrice la plus impédante 7; et 4. de la charge sensible 5.

La figure 3 illustre schématiquement la détermination et la comparaison du critère de tension. Pour évaluer le critère du plan de tension, le paramètre mesuré est la tension efficace.

Chacune des tensions prélevées aux quatre points de mesure est comparée via les moyens de traitement à deux valeurs de seuil, une valeur minimale Umin en dessous de laquelle la tension sera considérée en tant que sous-tension et une valeur maximale Umax au-dessus de laquelle une surtension sera alors détectée. II s’agit d’une boucle lente, telle que de 10 minutes.

Au regard de la charge sensible 7, les valeurs seuils sont différentes, l’écart de tension supportable par la charge sensible étant plus serré que l’écart apte à être supporté par les autres éléments du réseau. Ces valeurs seuils sont référencées Umins et Umaxs-

Si les valeurs mesurées se situent dans la plage comprise entre Umin et Umax pour les éléments 2, 3 et 5, et entre Umins et Umaxs pour la charge sensible 7 (ce qui est schématisé par « OUI >> sur la figure 3), aucun dépassement des valeurs seuil n’est donc détecté, et par conséquent aucune régulation n’est nécessaire.

En fonction de la détermination des autres critères, il sera éventuellement possible d’augmenter la puissance d’injection des sources à énergie renouvelable et diminuer en conséquence celle des sources à énergie non renouvelable. II est à noter qu’une bande morte de régulation sera intégrée afin d’éviter de multiples modifications des points de fonctionnement autour de valeurs limites de tension.

Si au moins l’une des valeurs mesurées n’est pas dans la plage de référence, ce qui correspond par conséquent à une tension trop basse ou trop élevée (schématisé par « NON >> sur la figure 3), le régulateur prend alors en charge l’information et agit pour qu’au prochain contrôle, la valeur de la tension soit à nouveau convenable.

La régulation en tension s’appuie sur différentes actions possibles qui sont ci-après données à titre d’exemples nullement limitatifs : - ajustement de la consigne d’excitation des machines synchrones des groupes électrogènes afin d’augmenter ou diminuer la tension à la sortie des groupes électrogènes, - modification de la consigne de puissance réactive des sources d’énergie renouvelable, par exemple la connexion ou déconnexion des bancs de capacités au niveau des éoliennes ou l’ajustement du facteur de puissance au niveau des onduleurs associés aux panneaux photovoltaïques, - modification de la consigne de puissance active des sources d’énergie renouvelable si la consigne de puissance réactive est déjà maximale, - ajustement des régleurs en charge des transformateurs, si les régleurs sont disponibles, - ajustement de la consigne d’autres équipements de compensation sur le réseau (inductances, capacités). B. Le courant

Le but est de respecter la tenue thermique du réseau de distribution électrique impacté par la nouvelle production décentralisée renouvelable. A titre d’exemple, certaines lignes existantes avant le raccordement des sources d’énergie renouvelable s’avèrent sous-dimensionnées au regard du courant les traversant. II est nécessaire soit de faire des travaux pour changer le tronçon de ligne avec une section adaptée au passage du courant, soit de limiter le courant en ce tronçon pour éviter toute dégradation.

Pour les équipements formant le réseau, on identifie préalablement à la mise en fonctionnement du procédé de régulation, les contraintes de fonctionnement des équipements : lignes de distribution qui seraient potentiellement surchargées, charges du réseau pouvant rencontrer des problèmes de démarrage ou des contraintes d’exploitation, etc. Ces problématiques sont liées à la décentralisation de la production (connexion au réseau des sources d’énergie renouvelable). En fonction des contraintes, on détermine une valeur de seuil du courant au delà de laquelle il sera nécessaire de réduire la puissance d’injection des sources d’énergie renouvelable.

La figure 4 illustre schématiquement le contrôle du courant.

Les mesures du courant sont faites principalement au niveau des sources de production 2, 3 et 4 et si besoin au niveau des charges 5, 6 et 7. Chaque valeur mesurée I est comparée à la valeur de seuil lmax·

Si le courant ne dépasse pas lmax (représenté par « NON >> sur la figure), il n’y a pas besoin de limiter le courant. En revanche, il est possible d’augmenter la puissance d’énergie renouvelable injectée, la puissance de consigne étant augmentée de ΔΡ tel qu’à l’instant N+1, les critères soient toujours vérifiés.

Si le courant dépasse lmax (représenté par « OUI >> sur la figure), il faut alors limiter le courant en ajustant les consignes de puissance d’injection des sources d’énergie renouvelable 3 et 4. On diminue alors la puissance d’injection de ces dernières, et on mesure et on compare à nouveau le courant I jusqu’à déterminer la valeur de consigne de puissance idéale pour éviter toute surcharge. C. Fréquence de la tension et réserve primaire en puissance

La déviation de la fréquence de la tension est à surveiller combinée à la puissance que peut produire l’ensemble des sources à énergie non renouvelable, cette puissance étant nommée réserve primaire en puissance.

Le but est de produire une puissance équivalente à celle que l’on consomme en favorisant les sources d’énergie renouvelable et minimisant les sources d’énergie non renouvelable, tout en veillant à ce que l’on puisse bénéficier à tout moment d’une réserve minimale de puissance primaire pour assurer l’alimentation des différentes charges si les sources d’énergie renouvelable ne sont pas opérationnelles. Cette réserve primaire en puissance correspond donc à la puissance que doit pouvoir fournir l’ensemble seul des sources d’énergie non renouvelable (ici la puissance des groupes électrogènes tous en fonctionnement) pour alimenter toutes les charges sur le réseau. La réserve primaire doit également être suffisante pour que l’utilisateur puisse utiliser (démarrer) la plus grosse charge du réseau alors même qu’il n’était pas prévisible que cette charge se connecte au réseau. Toutefois, pour des charges prévisibles destinées à se connecter et de taille significative au regard de la taille du réseau, ces charges ne sont pas prise en compte dans les calculs de la réserve primaire en puissance, car on choisira de démarrer manuellement une ou des sources de production non renouvelable de puissance ad hoc lorsqu’il s’agira de mettre en fonctionnement ces charges.

La réserve primaire est calculée préalablement à la mise en œuvre du procédé. Elle pourra être réajustée au cours du temps en fonction de révolution du réseau, par exemple si de nouvelles charges sont ajoutées sur le réseau, et en fonction de la puissance renouvelable fournie de façon continue. On pourra alors réadapter cette réserve primaire en ajoutant par exemple des groupes électrogènes.

La fréquence supérieure à la fréquence nominale correspond à ce que les groupes électrogènes sont probablement en sous-charge. La fréquence inférieure à la fréquence nominale signifie que les groupes électrogènes sont probablement en surcharge.

En regard de la figure 5, les étapes de contrôle sont les suivantes.

La fréquence sur le réseau est mesurée au point de couplage des sources d’énergie non renouvelable 2 avec le réseau. On calcule la fréquence moyenne et on la compare à deux valeurs de seuil, une minimale fmin et une maximale fmax· Il est à noter qu’une bande morte sera intégrée autour des valeurs de seuil afin de limiter le nombre d’arrêts et démarrages des groupes électrogènes.

Les valeurs de seuil minimale fmin et maximale fmax sont des valeurs finies, établies de manière connue en fonction des équipements du réseau et des protections de découplage des sources.

En parallèle, est déterminée la somme des puissances produites par l’ensemble des groupes électrogènes en fonctionnement, cette somme étant retranchée à la puissance nominale Pnom des groupes électrogènes démarrés pour en déduire la puissance restante disponible Pdisponibie- La puissance disponible, ou réserve primaire disponible, est comparée à la réserve primaire désirée.

Si la fréquence est dans la plage de fréquences [fmin ;fmax] et que la puissance disponible Pdisponibie est supérieure à la réserve primaire (ce qui correspond à « OUI >> sur la figure), alors il n’est pas nécessaire d’ajuster les échanges de puissance, la balance entre la puissance consommée sur le réseau et la puissance fournie est équilibrée.

Si la fréquence est supérieure à fmax (ce qui est associé au « NON >> sur la figure), cela signifie qu’il y a trop d’énergie produite par rapport à celle consommée. On va alors réguler la puissance injectée sur le réseau, d’une part en diminuant les groupes électrogènes 2 (on en stoppera un par exemple), et d’autre part en adaptant la puissance injectée des sources d’énergie renouvelable 3 et 4 (en l’augmentant ou en la diminuant) pour obtenir un équilibre et une fréquence moyenne comprise dans la plage fmin-fmax- La fréquence ne convenant pas, le calcul d’une nouvelle puissance de consigne sera effectué. Le calcul de la nouvelle consigne renouvelable sera une fonction du statisme de l’installation. Le statisme de l’installation est égal à 1/K x Pmax /fnom, Pmax étant la puissance nominale d’énergie renouvelable, fnom la fréquence nominale, et K un gain défini au départ de la mise en œuvre du procédé. Ce statisme est réglé par l’opérateur préalablement et permet de calculer la variation de puissance d’énergie renouvelable (pour calculer la nouvelle valeur de la consigne de puissance d’énergie renouvelable) en fonction de la déviation de fréquence depuis la fréquence nominale fnom.

Si la fréquence est inférieure à fmin (ce qui est associé au « NON >> sur la figure), les sources d’énergie non renouvelables et renouvelables ne sont pas suffisantes en alimentation (ce qui est associé au « NON >> en sortie du bloc comparatif de la puissance). II faudra augmenter la puissance injectée à partir des sources d’énergie non renouvelable 2, par exemple mettre en marche un groupe électrogène, jusqu’à obtenir d’une part une puissance disponible supérieure à la réserve primaire et d’autre part une fréquence moyenne comprise dans la plage [fmin ;fmax]- Si cela est possible, il est également envisageable de réduire la charge du réseau.

La régulation de la fréquence comme la régulation des autres critères est faite en boucle fermée. Dès que l’on intervient sur l’une des sources, on réitère les opérations de mesures, calcul et comparaison pour déterminer la fréquence moyenne de sorte à ajuster la puissance injectée depuis les sources d’énergie renouvelable jusqu’à ce que la fréquence moyenne soit comprise dans la plage fmin-fmax· D. Puissance de court-circuit réactive Qœ

Le but est de contrôler que la puissance de court-circuit réactive Qcc est suffisamment élevée, supérieure ou égale à une valeur de seuil minimale Qccmin pour assurer la stabilité en tension.

Le contrôle de la puissance de court-circuit réactive Qcc permet de palier aux variations de tension survenant sur le réseau lors d’évènements (transitoires) et ainsi de s’opposer aux risques de découplage intempestif des protections en tension du réseau et des équipements.

Ces événements pouvant survenir sur le réseau ont généralement comme origine le démarrage ou l’arrêt d’une charge, le découplage d’une source de production (la déconnexion avec le réseau) ou le démarrage d’une ou plusieurs éoliennes, le démarrage d’un moteur ou l’arrêt d’un groupe électrogène, la magnétisation d’un transformateur de puissance, etc...

La puissance de court-circuit réactive Qcc est déterminée de manière connue.

La puissance de court-circuit réactive minimale Qccmin est déterminée de manière connue à partir des états des différents éléments connectés du réseau tels que les onduleurs photovoltaïques, des éoliennes, des charges synchrones, etc...

Lorsque la puissance de court-circuit réactive Qcc reste supérieure ou égale à la valeur seuil minimale Qccmin, il n’y a aucune action à mener.

Si au contraire, la puissance de court-circuit réactive Qcc est inférieure à la valeur seuil minimale QCcmin, alors la régulation doit être mise en œuvre de manière à augmenter cette puissance de court-circuit réactive. L’augmentation peut se faire de différentes façons, par exemple : - on connectera des bancs de capacité - on ajustera le facteur de puissance des onduleurs photovoltaïques, - on démarrera des machines synchrones.

La régulation de la puissance de court-circuit réactive est à considérer ici uniquement au regard d’événements qui ne sont pas prévisibles. Ainsi, à l’inverse, si une forte charge consommatrice sur le réseau est mise en route alors que l’opérateur s’est assuré manuellement qu’il y a suffisamment de sources d’énergie non renouvelable en production pour démarrer la charge, l’impact de cette charge ne sera pas prise en compte dans la boucle de régulation de la puissance de court-circuit réactive. E. Puissance de court-circuit apparente Sœ

Le but est de contrôler que la puissance de court-circuit apparente Sœ permet d’assurer que les protections électriques associées aux éléments du réseau détecteront tous les défauts en énergie (court-circuit), et que cette puissance de court-circuit apparente reste inférieure à la puissance de défaut maximale que peuvent supporter les matériels liés aux éléments du réseau. II y va de la protection des personnes et du matériel.

On détermine donc sur le réseau, de manière connue, la puissance de court-circuit apparente et on la compare à deux valeurs de référence : - une valeur de seuil minimal SCcmin : il est nécessaire de pouvoir détecter la valeur la plus basse de puissance de court-circuit qui pourrait déclencher une protection en cas de défaut, en particulier au point le plus impédant du réseau ; et - une valeur de seuil maximale SCCmax : il est nécessaire de pouvoir couper tous les courants de court-circuit pouvant apparaître lors d’un défaut sur le réseau tout en respectant la tenue des matériels (pas d’endommagement des équipements).

La valeur minimale SCcmin est généralement liée à la charge la plus impédante. Or, il convient justement pour la protection de cette charge présentant la puissance de court-circuit la plus basse de pouvoir détecter un défaut et de couper le courant (éviter la courbe de non-fusion d’un fusible, ...). Dans certains cas, l’emploi de plusieurs jeux de protection sur un même relais, ou la mise en œuvre de protections électriques connues (par exemple maximum de courant phase à retenue de tension temporisée) seront employés afin de faciliter le déclenchement dans des situations extrêmes.

La valeur maximale SCCmax correspond à la valeur de puissance la plus forte de court-circuit pouvant mener à la détérioration ou à la destruction du matériel, ou ne pouvant pas être coupée par les organes de protection (disjoncteurs, interrupteurs, ...).

Préalablement à la mise en fonctionnement du procédé de régulation, on aura déterminé les valeurs de seuil SCCmin et SCCmax de puissance de court-circuit acceptables pour la configuration du réseau à l’instant considéré.

Bien entendu, le réseau pouvant évoluer dans le temps (ajout de charges par exemple), les valeurs de seuil de court-circuit SCCmin et SCCmax seront donc réajustées.

Afin de contrôler la puissance de court-circuit apparente Scc, celle-ci est donc déterminée sur le réseau puis comparée aux valeurs de seuils maximale et minimale. L’évaluation de la valeur de court-circuit apparente Scc est obtenue de manière connue. Elle est notamment réalisée à partir de la valeur mesurée sur le réseau du facteur de papillotement à court terme Pst, de la variation de tension lors de la commutation d’une charge aux caractéristiques électriques connues, du nombre de groupes électrogènes.

La puissance de court-circuit apparente Scc est évaluée au niveau des points de couplage des sources d’énergie renouvelable, en particulier les éoliennes.

Tant que la valeur déterminée de puissance de court-circuit apparente Sœ est comprise entre les valeurs minimale Sccmin et maximale Sccmax, la sécurité des personnes et des matériels est assurée et aucune action sur le réseau n’est nécessaire.

Si la valeur déterminée de puissance de court-circuit apparente Scc est supérieure à la valeur maximale SCCmax, il sera nécessaire de la diminuer, par exemple : - on arrêtera un groupe électrogène, - on agira sur les sources d’énergie renouvelable (découplage d’éoliennes, arrêt d’onduleurs de fermes photovoltaïques) - on déconnectera des bancs de capacité - on arrêtera des machines synchrones ou asynchrones.

Si la valeur déterminée de puissance de court-circuit apparente Scc est inférieure à la valeur minimale SCcmin, il sera nécessaire de l’augmenter.

On agira de la même manière que pour augmenter la puissance de court-circuit réactive Qcc (paragraphe D plus haut), par exemple : - on démarrera un ou des groupes électrogènes, - on agira sur les sources d’énergie renouvelable, (couplage d’éoliennes), - on connectera des bancs de capacité - on démarrera des machines synchrones ou asynchrones, - on connectera des onduleurs de fermes photovoltaïques. F. La réactance Xœ des masses tournantes

La fréquence du réseau électrique est l’image de la vitesse de rotation des groupes électrogènes. Lorsque la fréquence augmente, le groupe « accélère >> et celui-ci doit donc limiter l’injection de carburant afin de retrouver sa vitesse de consigne (ce qui correspond à une fréquence nominale du réseau typiquement de 50 ou 60 Hz). Lorsque la fréquence diminue, le groupe doit accélérer (injection de carburant) afin de rattraper la vitesse désirée.

Le but ici est de contrôler que la réactance Xcc « tournante >> est suffisamment élevée pour assurer la stabilité en fréquence et d’éviter les découplages intempestifs des protections électriques des sources de production et des charges lors d’événements susceptibles de perturber la fréquence, tels que le démarrage ou l’arrêt de fortes charges consommatrices d’électricité (moteurs par exemple), le démarrage ou l’arrêt d’un onduleur, d’une éolienne ou d’un groupe électrogène (voire même de plusieurs d’entre eux dans le cas d’un mode commun), ou bien encore l’apparition et la disparition des courts-circuits accidentels (par exemple des défauts d’isolation, un câble blessé, une projection de branches sur des lignes aériennes).

Le démarrage d’une forte charge par exemple, engendre une augmentation de la puissance active appelée, ce qui a tendance à faire diminuer brusquement la fréquence se traduisant en outre par une perte de vitesse des groupes électrogènes de la source d’énergie non renouvelable 2. S’il s’agit par exemple d’un délestage, cela conduit à une diminution de la puissance active appelée, entraînant un pic de fréquence et une accélération soudaine des groupes électrogènes. A noter que des événements tels qu’une rafale de vent au regard des éoliennes, ou le passage d’un nuage au regard des panneaux photovoltaïques peuvent avoir une incidence sur la fréquence. Les creux et pics de fréquence transitoires ont pour conséquence d’affecter le bon fonctionnement et la continuité du service électrique.

Par conséquent, la régulation de la réactance Xcc permettra d’anticiper ces pics et creux de fréquence pour assurer une stabilité lors des reprises de charges ou de délestage.

On détermine la réactance Xccde manière connue.

Puis, on compare la réactance déterminée Xcc à une valeur seuil minimale Xccmin- Cette valeur minimale est une valeur prédictive préalablement définie, basée sur les estimations de réactance qu’on devrait avoir sur le réseau pour s’opposer à des chutes ou augmentations de fréquence, ou du moins pour minimiser à des valeurs acceptables les chutes et pics de fréquence, lorsque les différents événements précités surviennent (perte de production d’une éolienne ou de panneaux photovoltaïques, démarrage d’un moteur, etc...). Ainsi, on aura estimé la réactance au point de couplage des énergies renouvelables, la réactance pour les charges, ainsi qu’en cas de rafale, etc. La valeur seuil minimale XCCmin correspond à la valeur minimale parmi les différentes réactances.

Si la réactance Xcc est inférieure à la valeur minimale XCcmin, il n’y a pas lieu de modifier la réactance.

Au contraire, si la réactance Xcc est supérieure à la valeur minimale Xccmin, il est nécessaire de la réguler en l’augmentant, par exemple : - on démarrera un groupe électrogène de la source d’énergie non renouvelable 2, - on démarrera des sources d’énergie renouvelable supplémentaires 3 et 4, - on démarrera des charges tournantes, - on augmentera la capacité des parcs batteries connectés sur le réseau, si des parcs sont disponibles.

G. Qualité de l’énergie QE

Le but est de contrôler que la qualité de l’énergie distribuée est conforme aux attentes du gestionnaire du réseau.

Cette qualité d’énergie correspond à la qualité du courant et de la tension circulant sur le réseau.

Les exigences quant à la qualité du courant dépendent des installations reliées au réseau ; un site industriel n’aura pas les mêmes contraintes et donc exigences qu’un site hôtelier par exemple.

Le demandeur propose que la qualité de l’énergie soit représentative des papillotements sur le réseau (encore appelés par le terme anglais « flickers »), des harmoniques en tension, du déséquilibre de la tension et de la variation rapide de fréquence.

Différents éléments connectés au réseau peuvent provoquer des papillotements, par exemple lors de la mise en marche de charges consommatrices d’électricité fluctuantes telles que des laminoirs, pompes à chaleur, appareils électrodomestiques, postes de soudure, moteurs, fours à arc, etc., ainsi que lors de la mise en marche et de la production d’une éolienne.

Les papillotements influent sur la qualité de l’énergie délivrée et en conséquence sur la durée de vie des matériels (charges consommatrices). L’évaluation des papillotements exprimée par les facteurs de papillotement Pst pour le court terme et Plt pour le long terme (après 120 minutes) est réalisée de manière connue conformément à la norme 61400-21 pour les aérogénérateurs. II est notamment nécessaire de mesurer les impédances de court-circuit et de connaître la puissance de court-circuit du réseau, cela se fait de manière connue grâce aux appareils de mesure.

Si la régulation des papillotements s’avère nécessaire (dépassement de la part de flicker octroyée aux sources d’énergie renouvelable par le gestionnaire de réseau ou dépassement du seuil maximale de flicker autorisé par le gestionnaire sur l’ensemble du réseau), alors on ajustera l’injection de puissance en provenance des énergies renouvelables, c’est-à-dire en diminuant la consigne de puissance d’une ou de plusieurs éoliennes, et en compensant par une augmentation de l’injection de puissance des groupes électrogènes. Cette régulation dépendra de l’endroit où sont détectés les papillotements.

Ouant aux harmoniques en tension et en courant sur le réseau, il est connu qu’elles engendrent des troubles fonctionnels des appareils électroniques (synchronisation, commutation), des disjonctions intempestives, des échauffements et diminuent la durée de vie des appareils.

Les harmoniques qui apparaissent lorsque le courant consommé par les charges n’est pas une sinusoïde pure, sont notamment provoquées par une charge non linéaire intégrée à de l’électronique de puissance. A titre d’exemple de charge, on peut citer les variateurs, onduleurs, convertisseurs, gradateurs de lumière, postes de soudure, etc... C’est donc un événement usuel sur le réseau. Même les sources d’énergie renouvelables peuvent engendrer des harmoniques (les onduleurs associés aux panneaux photovoltaïques et aux éoliennes, les systèmes de démarrage, les gradateurs, ...).

On mesure de manière connue le taux de distorsion harmonique THD et on le compare à une valeur seuil maximale THDmax considérée comme acceptable.

La limitation des harmoniques se fera en diminuant l’injection de puissance en provenant des énergies renouvelables, par exemple en déconnectant du réseau un onduleur de panneaux photovoltaïques, et en augmentant la puissance injectée par les sources d’énergie non renouvelable, par exemple en démarrant un groupe électrogène.

Concernant le déséquilibre de tension sur le réseau, il peut apparaître par exemple lors du déséquilibre d’une charge, du déplacement du neutre sur le réseau, le claquage de résistances d’isolement dans des enroulements.

Le déséquilibre de tension engendre une diminution de la tension phase-terre pour certaines phases et du couple moteur pour certaines charges, affectant la protection des matériels, la durée de vie des matériels.

Le seuil de variation du déséquilibre de tension est défini de manière connue par la norme EN 50160.

La régulation du déséquilibre de la tension intervient en ajustant la puissance de court-circuit apparente Scc, en l’augmentant, tout en s’assurant de ne pas dépasser la valeur de seuil maximale SCCmax (voir paragraphe E ci-dessus).

Enfin, la variation rapide de la fréquence est essentiellement due à la production d’énergie par les sources d’énergie renouvelable et aux variations de la consommation. Elle affecte la qualité de la production et le bon fonctionnement à long terme des groupes électrogènes.

Sa régulation passe par la limitation de la puissance injectée sur le réseau des éoliennes 3, et l’augmentation de la puissance de court-circuit apparente Scc (augmentation de l’inertie du réseau Xcc).

En variante du contrôle des grandeurs ci-dessus (papillotements, harmoniques, déséquilibre de la tension et variation rapide de fréquence), il est envisageable de déterminer un indice IQE qui correspondrait à une équation dont les paramètres seraient les grandeurs ci-dessus. Le contrôle se ferait alors sur cet indice en ayant défini une valeur de seuil maximale de l’indice. L’estimation de l’indice IQE se ferait au point de couplage avec le réseau de chaque source d’énergie 2, 3 et 4, de chaque charge sensible 5 et de la charge la plus impédante 7, fournissant des indices IQE, IQEA, IQEB, IQEC, IQEd, IQEe. On considérerait pour la comparaison avec la valeur de seuil de l’indice, l’indice IQE de valeur la plus élevée parmi tous ces indices et correspondant à la perturbation la plus élevée du réseau.

Lorsque la valeur de l’indice IQE serait en dessous de la valeur de seuil maximale de l’indice, la qualité du réseau serait jugée acceptable, et aucune régulation ne serait nécessaire.

Dans le cas contraire, la valeur de l’indice IQE étant supérieure à la valeur de seuil IQEmax, il serait nécessaire d’ajuster la puissance de court-circuit apparente Scc en l’augmentant, tout en s’assurant de ne pas dépasser la valeur de seuil maximale SCCmax (voir paragraphe E ci-dessus), par exemple : - on enclenchera un ou des groupes électrogènes, - on agira sur les sources d’énergie renouvelable (couplage d’éoliennes, d’onduleur photovoltaïque) - on connectera des bancs de capacité - on démarrera des machines synchrones ou asynchrones.

Le procédé de l’invention permet donc de réajuster en temps réel la puissance injectée par telle ou telle source d’énergie renouvelable et non renouvelable afin de maximiser l’utilisation de l’énergie renouvelable sur la base du contrôle de plusieurs critères arrêtés que sont la tension sur le réseau, le courant sur le réseau, la fréquence du courant associée à la réserve primaire en puissance, la puissance de court-circuit apparente Scc, la puissance de court-circuit réactive Qcc, la réactance tournante Xcc, et la qualité de l’énergie.

La régulation de la puissance injectée sur le réseau se fait de la manière suivante.

Au démarrage, le réseau fonctionne soit avec uniquement les sources d’énergie non renouvelable, soit avec quelques sources d’énergie non renouvelable en marche et une valeur minimale de consigne de puissance d’injection pour les sources d’énergie renouvelable.

On contrôle que tous les critères A à G précédents soient conformes de sorte que le réseau est dans des conditions de fonctionnement acceptables.

Si les valeurs calculées sont acceptables (bloc « ensemble des critères Ok >> sur la figure 2), on augmente alors la puissance d’injection des sources d’énergie renouvelable.

Si les critères sont donc conformes, on augmente la puissance de consigne des sources d’énergie renouvelable d’une valeur optimisée et acceptable estimée par calcul et comparaison via l’automate suite aux mesures effectuées, à la détermination des critères, et à des valeurs fixes minimales d’augmentation de puissance.

En parallèle, on diminue la puissance injectée par la source d’énergie non renouvelable 2, par exemple on arrête un groupe électrogène, le but étant d’optimiser les besoins en énergie renouvelable, de sorte à atteindre une consommation en carburant la plus faible possible pour les groupes électrogènes. II est impératif qu’à l’instant de contrôle N+1, les seuils d’alarme de la tension U, la fréquence f et de la qualité de l’énergie QE ne soient pas atteints et que la réserve primaire en puissance soit suffisante (stabilité du processus de régulation).

En parallèle, les nouvelles valeurs à l’instant N+1 calculées pour la puissance de court-circuit réactive Qcc, la puissance de court-circuit apparente Scc, la réactance Xcc doivent respecter les valeurs de seuil.

Pour chacun des critères, on considère soit une valeur estimée d’augmentation de puissance, soit une valeur prédéfinie et on choisit parmi ces valeurs celles la plus petite pour définir la valeur d’augmentation optimisée et acceptable.

Les valeurs estimées par calculs pour certains des critères sont les suivantes :

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ-ι au regard du respect du critère de la tension est calculée par la formule : ΔΡ1 = (Umax — Umesuré max) X Qttin Kp 1 Où Umax est la valeur de seuil du critère de la tension, Umesuré max est la valeur maximale de tension parmi toutes les valeurs de tension mesurées sur le réseau et le gain kp1 (en kVA/V) est une valeur de gain définie et ajustée au démarrage du procédé de régulation. La puissance réactive renouvelable est considérée constante pendant l’opération.

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ2 au regard du respect du critère du courant est calculée par la formule :

Où Imax est la valeur de seuil du critère du courant, lmesurémax est la valeur maximale de courant parmi toutes les valeurs de courant mesurées sur le réseau et U est la tension associée à Imesuré max- La puissance réactive renouvelable est considérée constante pendant l’opération.

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ3 au regard du respect du critère de la puissance minimale de bon fonctionnement des sources d’énergie non renouvelable (groupes électrogènes) est calculée par la formule :

Où Pn est la valeur de la puissance de consigne à l’instant précédent N, Pœnso est la valeur de la puissance consommée sur le réseau, et Pmbf est la puissance minimale de bon fonctionnement des sources d’énergie non renouvelable (pour des groupes électrogènes, Pmbf correspond entre 10 et 30% de la valeur nominale).

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ4 au regard du respect du critère de la réserve primaire en puissance est calculée par la formule :

Où l’on considère la somme de toutes les puissances de réserve électrique (Pnom ge - Puissance produite GE), et la puissance de consigne à l’instant N. PnomGE est la puissance nominale de chaque source d’énergie non renouvelable, ici de chaque groupe électrogène et Pge est la puissance produite par le groupe électrogène correspondant. On ne tient compte ici que des groupes connectés au réseau déjà démarrés.

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ5 au regard du respect du critère de la réactance tournante est calculée par la formule :

Où PmaxEnR est la valeur de la puissance maximale d’énergie renouvelable qui peut être injectée de façon que la disparition de la puissance active renouvelable n’entraîne pas de problème de stabilité transitoire en fréquence (la réactance tournante minimale nécessaire calculée Xccmin devant être supérieure ou égale à la réactance tournante Xcc mesurée).

La valeur d’augmentation de puissance ΔΡ6 au regard du respect du critère des papillotements est calculée par la formule :

Où Pstmax est la valeur de seuil du facteur de papillotement, Pst mesuré est la valeur maximale mesurée du facteur de papillotement, c est le coefficient de papillotement des sources d’énergie renouvelable, et le gain kp2 (en kVA/V) est une valeur de gain définie et ajustée au démarrage du procédé de régulation.

ΔΡ-ι à ΔΡ6 sont les valeurs de surplus de puissance acceptables pour les critères de tension, de courant, de la puissance minimale de bon fonctionnement des sources d’énergie non renouvelable (groupes électrogènes), de la réserve primaire en puissance, la réactance tournante et des papillotements.

Pour les autres critères (harmoniques, déséquilibres tension,...) il n’est pas possible d’établir un lien direct entre le surplus de puissance renouvelable et les mesures électriques. Un pas fixe d’élévation de la consigne renouvelable est donc utilisé et correspond à ΔΡ7, ΔΡ8... L’automate choisira la valeur la plus petite parmi ΔΡ-ι à ΔΡ8 pour ajouter à la valeur de consigne. Puis, de nouvelles mesures permettront de contrôler que les seuils d’alarme n’ont pas été dépassés.

La fréquence de contrôle des critères, mesures et détermination des valeurs des critères et leur comparaison, est de préférence inférieure à 5 minutes et est plutôt toutes les minutes, voire même toutes les secondes.

Si l’un des critères A à G n’est pas respecté, une action de régulation est à mettre en place. Ces actions ont été exemplifiées ci-dessus dans chacune des boucles de régulation.

Pour rappel, sans être exhaustif, l’action à mettre en place pour agir sur la régulation d’un critère peut être la diminution de la puissance injectée par l’énergie renouvelable et/ou l’augmentation de la puissance injectée par l’énergie non renouvelable, mais aussi augmenter la puissance de court-circuit apparente Scc des sources d’énergie non renouvelable sans toucher à la puissance injectée par ces dernières, ou encore diminuer la source des papillotements.

Le choix de l’action parmi les diverses possibilités dépend des types de sources d’énergie renouvelable et d’énergie non renouvelable installées ainsi que des types de charges, tels que le type du groupe électrogène, ses modes de régulation en tension et en vitesse, du type d’énergie renouvelable en étant ou non équipée de bancs de condensateurs, et des charges qui sont commandées ou effaçables. L’action mise en place dépend du critère qui n’est pas respecté.

En outre, il convient qu’une action visant à compenser un problème n’engendre pas un problème sur un autre critère, par exemple l’augmentation de l’énergie renouvelable pour palier un problème de fréquence f de la tension ne doit pas entraîner le dépassement de la valeur de seuil pour l’indice de qualité du courant. Dans ce cas on choisira plutôt de démarrer un nouveau groupe électrogène, ce qui permet de respecter les deux critères (fréquence de la tension et qualité du courant).

Toutefois, le choix de régulation d’un critère est guidé par le fait qu’un autre critère sera à réguler dans un même sens. Ainsi, une tension qui est détectée trop faible au point de couplage d’une source d’énergie renouvelable, et un besoin détecté d’augmentation de la puissance de court-circuit réactive Qcc, la même régulation, en ajustant le facteur de puissance des panneaux photovoltaïques ou la consigne de puissance réactive de l’éolienne, permettra de corriger les valeurs des deux critères.

En fait, une régulation d’un critère dans un sens ne sera pas concomitante avec la régulation d’un autre critère dans un sens opposé. Par exemple, si le critère de la qualité du courant est tel qu’il s’approche de la valeur maximale acceptable, cela signifie que la puissance de court-circuit apparente Scc est faible ; par conséquent, on sait qu’on pourra augmenter raisonnablement la puissance de court-circuit apparente Scc car on sera alors loin d’atteindre la valeur de seuil maximale SCCmax·

Enfin, le procédé comporte une étape préalable avant la mise en fonctionnement du réseau et/ou du branchement des sources d’énergie renouvelable au réseau, de contrôle du réseau au regard de plusieurs phénomènes électriques inhérents aux matériels et traités via des protections électriques de sorte à adapter les relais de protection qui sont associés de manière usuelle aux différentes charges à alimenter en électricité et aux sources d’énergie.

Ces grandeurs sont en particulier les surtensions transitoires, la perte du régime neutre, l’élévation du potentiel du neutre, et le fonctionnement en isolement d’une source d’énergie renouvelable et marche en îloté.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de régulation d’injection de puissance sur un réseau électrique en fonctionnement sur lequel sont reliées au moins une source de production à énergie non renouvelable, au moins une source de production à énergie renouvelable et au moins une charge consommatrice d’électricité, le procédé comprenant au moins une étape de régulation de la puissance injectée sur le réseau à partir d’une source de production à énergie renouvelable, des étapes de régulation en boucle fermée et on mesure en continu et régulièrement à différents points du réseau plusieurs paramètres propres à l’énergie électrique circulant sur le réseau, on compare les valeurs résultant desdits critères déterminés, à des valeurs de seuil préétablies, en fonction des résultats de comparaison à l’étape précédente, on commande la puissance injectée sur le réseau en provenance des différentes sources d’énergie renouvelable et non renouvelable, caractérisé en ce que - à partir des mesures, on détermine en temps réel, selon une fréquence inférieure à 5 minutes et plutôt toutes les minutes, voire même toutes les secondes, une pluralité de critères électriques considérés comme représentatifs de la qualité, stabilité et sécurité du réseau, - au démarrage de la régulation, les sources d’énergie renouvelable présentent une valeur de consigne de puissance d’injection sur le réseau, et lorsque les valeurs desdits critères électriques sont en-dessous des valeurs de seuil, la valeur de consigne est augmentée d’une valeur optimisée et acceptable et correspond à la plus petite valeur sélectionnée parmi d’une part des valeurs estimées par les mesures effectuées et par calcul, et d’autre part des valeurs prédéfinies.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande consiste à diminuer la puissance injectée par les sources de production d’énergie non renouvelable, et/ou stopper le fonctionnement d’au moins une de ces sources, et augmenter la puissance injectée par les sources de production d’énergie renouvelable.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les valeurs estimées d’augmentation de puissance le sont au regard de certains critères en étant calculées en temps réel à l’instant N, de façon que Iesdits critères électriques soient respectés à l’instant N+1.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque la valeur optimisée et acceptable correspond à la valeur minimale d’une des valeurs prédéfinies de puissance, la puissance de consigne est augmentée de cette valeur, puis on contrôle les critères électriques, et si ces derniers sont en-dessous des valeurs de seuil, on augmente à nouveau d’une valeur minimale et cela de manière itérative jusqu’à maximiser la nouvelle valeur de consigne tout en respectant les valeurs de seuil pour Iesdits critères électriques.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque l’une des valeurs de seuil est dépassée, on diminue ou on stoppe la puissance injectée par au moins l’une des sources d’énergie renouvelable et on augmente la puissance injectée par les sources d’énergie non renouvelable, et en ce que l’on procède de manière itérative aux étapes de mesure, de détermination des valeurs des critères et de leur comparaison aux valeurs de seuil pour diminuer encore la puissance injectée par les sources d’énergie renouvelable et augmenter la puissance des sources d’énergie non renouvelable si les valeurs de seuils sont toujours dépassées, la nouvelle injection de puissance des sources à énergie renouvelable et la suppression d’injection de puissance des sources à énergie non renouvelable étant mises en oeuvre dès que l’ensemble des valeurs seuils sont respectées.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les critères à contrôler représentatifs de la qualité et stabilité du réseau, tout en garantissant la protection des personnes et des matériels, sont - la tension sur le réseau, - le courant sur le réseau, - la fréquence de la tension associée à la puissance disponible sur le réseau au regard de la réserve primaire en puissance, - la puissance de court-circuit apparente (Scc) en un point considéré du réseau, - la puissance de court-circuit réactive (Qcc) en un point considéré du réseau - la réactance tournante (Xcc) en un point considéré du réseau - la qualité d’énergie représentée au moins par les papillotements, les harmoniques, les déséquilibres en tension, et la variation de fréquence en un point considéré du réseau.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points de mesure sont situés au niveau au moins : - des sources d’énergie non renouvelable, - des sources d’énergie renouvelable; - de la charge consommatrice présentant la plus grande impédance ; et - d’une ou des charges sensibles connectées au réseau.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources d’énergie renouvelable sont des parcs d’éoliennes et/ou des fermes de panneaux photovoltaïques, et les sources d’énergie non renouvelable sont des groupes électrogènes.