FR3129541A1 - Dispositif de fourniture d’électricité du type à dispositif d’électronique de puissance adapté à contribuer à l’inertie d’un système électrique - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur un dispositif de fourniture d’électricité comportant une source d’énergie électrique (1), et un dispositif d'électronique de puissance (6). Une interface de connexion (7) peut connecter ou déconnecter le dispositif de fourniture d’électricité vis-à-vis d’un réseau électrique (8). Le dispositif d'électronique de puissance (6) est interposé entre la source d’énergie électrique (1) et l’interface de connexion (7). Le dispositif de fourniture d’électricité comporte en outre un dispositif inertiel (9) comportant une machine électrique (10) et un volant d’inertie (11), et le dispositif inertiel (9) peut être relié électriquement entre le dispositif d'électronique de puissance (6) et l’interface de connexion (7), de sorte que le dispositif inertiel (9) est connecté directement audit réseau électrique (8) lorsque l’interface de connexion (7) connecte le dispositif de fourniture d’électricité au réseau électrique (8). Le dispositif inertiel peut apporter à un dispositif de fourniture d’électricité à dispositif d’électronique de puissance des caractéristiques d’inertie et de courant de court-circuit permettant de maintenir la constante d’inertie du réseau au niveau souhaité malgré l’augmentation progressive de la part des énergies renouvelables. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine des systèmes électriques, et porte en particulier sur la problématique de leur stabilité.
La notion de système électrique regroupe un réseau physique de distribution d’électricité, la gestion de l’intensité électrique pouvant transiter sur chaque ligne du réseau, et les processus mis en œuvre pour assurer l’équilibre offre-demande (souvent désigné par l’acronyme EOD), ou « équilibre production-consommation ».
La production d’électricité peut être réalisée à l’aide de différents dispositifs électriques, fondés sur des technologies diverses. La répartition, ou « mix », entre les différents types de dispositifs de production d’électricité connait actuellement une évolution importante.
Dans un contexte général de réduction des émissions de dioxyde de carbone et de diminution de la part de l’électricité obtenue par les centrales nucléaires, la part des énergies dites renouvelables dans l’ensemble de l’électricité produite augmente significativement.
Cela est le cas pour les systèmes électriques de grande envergure, typiquement les systèmes électriques continentaux, et cela est encore plus vrai pour les systèmes électriques de plus petites dimensions tels que les systèmes électriques insulaires et plus généralement les zones non interconnectées (ZNI), dans lesquels l’arrêt d’une centrale classique (par exemple Diesel) au profit de la mise en service d’une ou plusieurs centrales par exemple solaires ou éoliennes a un impact fort sur le mix entre les différents types de dispositifs de production d’électricité.
Or, cette évolution n’est pas sans conséquence sur les caractéristiques qui impactent la stabilité et la sécurité des systèmes électriques.
En particulier, deux paramètres du système sont importants : l’inertie, qui participe à la stabilité du système, et la puissance de court-circuit, qui permet notamment le bon fonctionnement des relais de protection pour détecter des lignes ou des appareils défectueux et déclencher une action appropriée.
L’inertie d’un système électrique, qui correspond à l’application de la seconde loi de Newton à un système électrique, se traduit par sa capacité à amortir les perturbations ou instabilités, telles que par exemple de brusques variations de production ou de consommation, et à maintenir la fréquence électrique dans une plage de fréquences acceptable.
Dans un système électrique ne comportant que des sources électriques qui emploient des machines rotatives, c’est-à-dire des générateurs synchrones tels que des groupes électrogènes à turbo-alternateur (par exemple à turbine hydraulique, ou à turbine à vapeur), l’inertie équivalente du système est ainsi définie par le ratio entre l’énergie cinétique de masses en rotation et la puissance électrique des machines rotatives, chaque masse en rotation contribuant ainsi à augmenter l’inertie du système. On parlera ci-après simplement d’inertie du système pour désigner son inertie équivalente.
On notera que bien que l’inertie ne soit pas un « un service système », ce phénomène physique participe à l’équilibre du système électrique. La fréquence de l’onde électrique conditionne la vitesse de rotation de la plupart des moteurs électriques alimentés par le système électrique, mais aussi la vitesse de rotation des alternateurs injectant de l’électricité dans le système.
Les technologies classiques de production d’électricité à l’aide d’alternateurs comme ceux utilisés dans les centrales thermiques (nucléaires à combustible fossile, ou à biomasse), ou certaines énergies dites renouvelables comme l’hydroélectricité mettent ainsi en œuvre des masses tournantes dont l’inertie physique est importante pour le maintien de la fréquence du système.
En pratique, si un dispositif de production d’énergie cesse de fonctionner, la chute de fréquence qui en résulte est retardée par l'inertie des masses en rotation. Ceci est important, car il faut généralement quelques secondes avant que l’équilibre du système puisse être rétabli en déployant les réserves de puissance supplémentaires nécessaires.
Ainsi, sans mesure de compensation, la substitution dans un système électrique de dispositifs de fourniture d’électricité à turbo-alternateur ou autre machine tournante par des dispositifs interfacés au réseau par un onduleur ou plus généralement par un dispositif d’électronique de puissance conduit à une baisse de l’inertie du système.
Les dispositifs de fourniture d’électricité interfacés au réseau par dispositif d’électronique de puissance visent en particulier : les centrales solaires, certaines centrales éoliennes, les dispositifs de stockage d’énergie sur batterie (généralement appelés BESS pour « Battery Energy Storage System »), et les piles à combustible.
Comme la charge dans le système électrique varie constamment, la fréquence du système fluctue ; mais l'inertie du système limite le taux de changement de fréquence, appelé RoCoF. Il résulte donc de la baisse de l’inertie une augmentation du taux de changement de fréquence, qui, au-delà d’une limite donnée pour un système, peut menacer la sécurité du système.
Les dispositifs de fourniture d’électricité à machine tournante correspondent quant à eux en particulier aux centrales hydroélectriques, aux centrales à vapeur, notamment les centrales à charbon et les centrales nucléaires, et aux centrales à gaz, à fuel (ou autre dérivé du pétrole).
Concernant le courant de court-circuit, la capacité d'une machine synchrone à supporter la tension et à injecter un courant de court-circuit est inversement proportionnelle à sa réactance subtransitoire.
Dans un système électrique, les variations de demande de puissance réactive doivent être compensées par la puissance réactive fournie par les générateurs d'électricité.
Aussi, si la substitution dans un système électrique de dispositifs de production électrique à machine tournante par des dispositifs à électronique de puissance ne compromet pas la tenue en tension, elle impacte la capacité à injecter du courant de court-circuit dans le système électrique. En cas de perturbation du système électrique, une moindre capacité à injecter du courant de court-circuit se traduit par des creux de tension plus profonds et une plus grande influence de ces creux de tension sur le fonctionnement des générateurs et des charges connectées au réseau. La puissance de court-circuit permet également le bon fonctionnement des relais de protection du système, et contribue ainsi au plan de protection électrique du système.
Pour résumer, l’augmentation de la part des sources d’énergies électriques reliées au réseau par un dispositif d’électronique de puissance entraine une diminution globale de l'inertie et diminue les capacités d'injection de courant de court-circuit. La diminution de l’inertie et de la capacité à injecter du courant de court-circuit a pour conséquence qu’un incident pourra avoir des conséquences pires (par exemple la déconnexion de plus de charges, un effondrement de la fréquence, voire une panne de courant à grande échelle désignée couramment par le terme anglophone « blackout »), que si cet incident s’était produit sur un système ayant une plus grande inertie et une plus grande capacité à injecter du courant de court-circuit.
En outre, le risque s’avère d’autant plus grand que le système est de taille modérée, dans la mesure où un système électrique de taille modérée a par nature une inertie limitée.
Différentes mesures ont été envisagées pour remédier à cette problématique.
Les technologies progressent rapidement dans le domaine de l’électronique de puissance, de sorte qu’un pilotage rapide des onduleurs peut permettre une adaptation relativement rapide aux conditions de charge, voire de perturbations, du système. Certains travaux visent également à générer une inertie « virtuelle », comme cela est par exemple décrit dans les documents CN109586343, CN112018813, et CN110518626. Le terme « inertie virtuelle » (également appelée inertie synthétique) est utilisé pour désigner les injections de puissance dans le système, par exemple à partir d’un ensemble de batteries, réalisées sous le contrôle d’une électronique de puissance pour émuler l'inertie d'une machine synchrone ou de toute machine tournante.
Néanmoins, ces dispositifs sont pilotés ce qui implique par nature l’existence d’un temps de traitement pour leur pilotage, de sorte que leur réaction n’est pas instantanée. Ainsi, ces solutions ne sont actuellement pas suffisantes pour réagir à certaines situations, et, du point de vue des gestionnaires de réseau (également appelés opérateurs de système électrique), il n’est pas possible d’avoir la garantie de la suffisance et de l’efficacité de ce type de pilotage.
Dans le contexte décrit ci-dessus de l’augmentation des sources d’énergies renouvelables, il est par ailleurs possible d’ajouter un compensateur synchrone relié au réseau. Le document WO2020/043306 propose une telle solution.
De même, le document EP3566277 présente un dispositif de stabilisation d’un système électrique, qui dans certains modes de réalisation comporte une machine tournante en tant que moyen de stockage d’énergie.
Néanmoins, ces solutions sont imparfaites, en particulier pour les gestionnaires de réseau. Notamment, pour l’opérateur d’un système électrique de taille moyenne, par exemple un système insulaire, la mise en place d’un tel dispositif sur son système demande un investissement important, qu’il faut anticiper et planifier, selon l’évolution du mix des sources d’énergie du système. Du fait de la multiplicité des sources mises en œuvre, l’inertie du système et le courant de court-circuit pouvant être introduit changent souvent, ce qui nécessite une adaptation régulière aux conditions du système.
Par ailleurs, en cas de panne ou d’arrêt pour maintenance du dispositif de stabilisation du système, par exemple du compensateur synchrone, la stabilité du système est menacée. En outre, pour un système de taille moyenne qui serait essentiellement alimenté par des dispositifs de fourniture d’électricité à interface à électronique de puissance, le compensateur synchrone nécessaire à assurer la stabilité du système serait de dimensions déraisonnablement grandes.
L’invention vise ainsi à proposer une solution à tout ou partie des problématiques précitées. Elle vise plus particulièrement à apporter une solution attractive pour les gestionnaires de réseau aux problématiques de stabilité des systèmes électriques, par exemple des systèmes électriques insulaires ou autres systèmes électriques de taille moyenne, qui sont liées à l’augmentation de la part des sources d’énergies interfacées au système par de l’électronique de puissance.
L’invention porte ainsi sur un dispositif de fourniture d’électricité comportant
- une source d’énergie électrique,
- un dispositif d'électronique de puissance adapté à conformer en tension et fréquence l’électricité fournie par la source d’énergie électrique, et
- une interface de connexion pouvant être mise dans un état de connexion ou dans un état de déconnexion du dispositif de fourniture d’électricité vis-à-vis d’un réseau électrique.
Le dispositif d'électronique de puissance est interposé entre la source d’énergie électrique et ladite interface de connexion.
- une source d’énergie électrique,
- un dispositif d'électronique de puissance adapté à conformer en tension et fréquence l’électricité fournie par la source d’énergie électrique, et
- une interface de connexion pouvant être mise dans un état de connexion ou dans un état de déconnexion du dispositif de fourniture d’électricité vis-à-vis d’un réseau électrique.
Le dispositif d'électronique de puissance est interposé entre la source d’énergie électrique et ladite interface de connexion.
Le dispositif de fourniture d’électricité comporte en outre un dispositif inertiel comportant une machine électrique rotative synchrone et un volant d’inertie. Ce dispositif inertiel peut être relié électriquement en un point situé entre le dispositif d'électronique de puissance et l’interface de connexion au réseau, de sorte qu’il est connecté directement audit réseau lorsque l’interface est dans l’état de connexion au réseau électrique.
L’invention propose ainsi, en un seul dispositif de fourniture d’électricité comportant une unique interface de connexion à un réseau électrique, une source d’énergie électrique et un apport d’inertie et de capacité de courant de court-circuit alors que la source d’énergie est d’une technologie qui généralement n’apporte pas (ou seulement peu) d’inertie et de courant de court-circuit au système électrique.
La configuration et le dimensionnement du dispositif de fourniture d’électricité permettent notamment de créer un dispositif de fourniture d’électricité (centrale de production d’électricité et/ou système de stockage à batteries) qui, bien que relié au réseau électrique par un dispositif d’électronique de puissance, reproduit les caractéristiques d’inertie et de capacité à fournir un courant de court-circuit d’une centrale à turbo-générateur équivalente en termes de puissance.
Ainsi, un gestionnaire de réseau électrique peut ajouter un dispositif de fourniture d’électricité à son système électrique, ou remplacer une centrale existante à machine tournante par une centrale à dispositif d’électronique de puissance (solaire, éolienne, etc.) sans risque d’impact sur la stabilité du système. La solution proposée au gestionnaire de réseau est complète, simple, et « clé en main ». Enfin, en cas d’arrêt du dispositif de fourniture d’électricité et donc de son dispositif inertiel, la stabilité de l’ensemble du système n’est pas remise en cause. Une tenue en tension est également obtenue, au plus proche de la source d’énergie électrique.
La (ou les) source d’énergie électrique du dispositif de fourniture d’électricité peut ainsi comporter l’un ou plusieurs des éléments sources suivants :
- un ensemble de panneaux photovoltaïques ;
- une ou plusieurs éoliennes ;
- un BESS ;
- une pile à combustible
- un ensemble de panneaux photovoltaïques ;
- une ou plusieurs éoliennes ;
- un BESS ;
- une pile à combustible
Il s’agit des principales sources d’énergie électrique liées aux systèmes électriques par un dispositif d’électronique de puissance, en particulier par un onduleur ou un ensemble d’onduleurs.
Chaque élément source peut être lié par un convertisseur adapté à un bus. Il peut s’agir d’un bus DC ou d’un bus AC. Cette configuration permet d’associer plusieurs éléments sources d’énergie électrique fournissant chacune un courant continu ou alternatif de tension appropriée, et/ou d’associer un ensemble de batteries à une centrale électrique dont la production varie selon les conditions environnementales (par exemple une centrale photovoltaïque ou éolienne), afin de lisser dans le temps la fourniture d’énergie au système électrique.
Ainsi, le dispositif de fourniture d’électricité peut comporter un ensemble de panneaux photovoltaïques et/ou une ou plusieurs éoliennes, le dispositif de fourniture d’électricité comportant en outre un dispositif de stockage d’énergie électrique relié au bus.
Selon le bus employé, et notamment selon qu’il s’agit d’un bus DC ou d’un bus AC, les éléments sources sont reliés au bus par un convertisseur adapté, à savoir notamment un transformateur ou un onduleur adapté.
Lorsque le bus est un bus DC, il est placé en amont du dispositif d’électronique de puissance qui est lié au réseau. Lorsque le bus est un bus AC, il peut être placé en aval du ou des dispositifs d’électronique de puissance.
Le dispositif d'électronique de puissance peut comporter un onduleur.
La machine électrique comporte un rotor qui peut avoir un axe de rotation vertical.
Le rotor de la machine électrique du dispositif inertiel peut comporter un dispositif de sustentation magnétique.
Le volant d’inertie peut être ménagé dans une enveloppe étanche sous vide ou contenant de l’hélium.
Par vide, il est entendu une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique. Par exemple, une pression inférieure à 100 Pa peut être établie et maintenue dans l’enveloppe.
Ces caractéristiques permettent notamment de limiter les pertes dans le dispositif inertiel comme décrit plus en détail ci-après en référence à la .
Le dispositif de fourniture d’électricité peut comporter un convertisseur de fréquence (platine de démarrage) adapté à mettre la machine électrique synchrone en rotation depuis une vitesse de rotation nulle jusqu’à une vitesse de rotation donnée adaptée à la connexion du dispositif inertiel au réseau électrique.
Le convertisseur de fréquence permet de lancer la rotation du dispositif inertiel et de l’amener à la vitesse de rotation souhaitée sous un faible courant. Cela permet en particulier de mettre progressivement le dispositif inertiel en rotation. Cette mise en rotation peut être réalisée avec la seule énergie fournie par la ou les sources d’énergie électrique du dispositif de fourniture d’électricité comportant le dispositif inertiel. Alternativement, cette mise en rotation peut être réalisée en utilisant de l’électricité issue du système électrique.
Le dispositif de fourniture d’électricité peut comporter un dispositif de connexion ou de déconnexion électrique du dispositif inertiel situé entre ledit dispositif inertiel et ledit point situé entre le dispositif d'électronique de puissance et l’interface de connexion au réseau. La connexion du dispositif inertiel sera ainsi réalisée après une synchronisation automatique au système électrique préalable.
Le dispositif inertiel peut par exemple comporter plusieurs machines rotatives, notamment de deux à dix machines rotatives.
Le branchement en parallèle de plusieurs dispositifs inertiels permet l’obtention des caractéristiques d’inertie et de courant de court-circuit souhaitées.
L’utilisation de plusieurs dispositifs inertiels au lieu d’un unique compensateur de grande dimension permet en outre de distribuer le risque de panne mécanique sur les différents dispositifs inertiels. Cela limite l’effet sur le réseau en cas de panne d’un dispositif inertiel. Par ailleurs, dans le cadre par exemple d’un réseau insulaire pour lequel le temps nécessaire à l’approvisionnement en pièces de rechange pour la réparation d’un dispositif peut être long, l’effet sur le réseau est limité pendant ce temps d’approvisionnement.
Le système de fourniture d’électricité peut avoir par exemple une puissance nette comprise entre 180kW et 17MW.
Le dispositif inertiel du dispositif de fourniture d’électricité peut être dimensionné de sorte que le système de fourniture d’électricité a une constante d’inertie comprise entre 2 et 5 secondes, de préférence de l’ordre de 4 secondes.
Dans le système de fourniture d’électricité, chaque machine rotative du dispositif inertiel peut avoir un moment d’inertie par exemple compris entre 300 kg.m² et 1800 kg.m², par exemple de l’ordre de 500 kg.m² lorsque le dispositif inertiel est couplé au réseau.
Le dispositif inertiel peut par exemple être configuré pour avoir une vitesse de rotation nominale comprise de l’ordre de 1500 tr/min lorsqu’il est couplé à un réseau électrique d’un système en courant alternatif à 50Hz.
Il est ainsi possible de disposer d’une seule référence (ou d’un nombre limité de références) de dispositif inertiel, pour répondre aux besoins de dispositifs de fourniture d’électricité de puissances variées. Cette standardisation permet une adaptation simple au besoin, selon une approche simple et compréhensible.
L’invention porte également sur un procédé de configuration d’un dispositif de fourniture d’électricité tel que décrit ci-dessus, comprenant les étapes de :
- détermination de la puissance nette du dispositif de fourniture d’électricité ;
- détermination de la fréquence du réseau électrique auquel le dispositif de fourniture d’électricité est destiné à être connecté ;
- détermination de l’énergie cinétique d’un dispositif inertiel du dispositif de fourniture d’électricité une fois ledit dispositif inertiel synchronisé au réseau ;
- sélection d’une valeur de constante d’inertie minimale ; et
- détermination du nombre de dispositifs inertiels à employer dans le dispositif de fourniture d’électricité pour obtenir la constante d’inertie minimale sélectionnée.
- détermination de la puissance nette du dispositif de fourniture d’électricité ;
- détermination de la fréquence du réseau électrique auquel le dispositif de fourniture d’électricité est destiné à être connecté ;
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- sélection d’une valeur de constante d’inertie minimale ; et
- détermination du nombre de dispositifs inertiels à employer dans le dispositif de fourniture d’électricité pour obtenir la constante d’inertie minimale sélectionnée.
Ainsi le gestionnaire d’un réseau peut spécifier une constante d’inertie minimale souhaitée (par exemple de 4 secondes) et le dispositif proposé permet de répondre à cette spécification en utilisant autant de dispositifs inertiels que nécessaire pour cela.
Cela simplifie grandement la gestion d’un système électrique, en particulier d’un système de taille ou moyenne, tel qu’un système électrique insulaire.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
la représente, selon un schéma de principe, un dispositif conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
la représente, selon un schéma de principe, un dispositif conforme à un autre mode de réalisation de l’invention ;
la représente, selon une vue schématique en trois dimensions, une machine rotative pouvant être employée dans un ensemble inertiel mis en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention ;
la représente schématiquement un réseau électrique insulaire pouvant comporter des dispositifs conformes à l’objet de la présente invention.
la
la
la
la
La représente, selon un schéma de principe, un dispositif de fourniture d’électricité conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Le dispositif de fourniture d’électricité comporte une source d’énergie électrique 1. La source d’énergie électrique peut comporter un moyen de production d’énergie électrique tel qu’un ensemble de panneaux photovoltaïques 2, une ou plusieurs éoliennes, une ou plusieurs piles à combustible, et/ou un moyen de stockage d’énergie tel qu’un dispositif de stockage d’énergie sur batterie (BESS) ou une batterie 3 adaptée à lisser la fourniture d’électricité des moyens de productions précités.
Les moyens de production d’énergie électrique et les moyens de stockage d’énergie de la source d’énergie électrique sont désignés ci-après « éléments source ».
Dans l’exemple de mode de réalisation représenté à la , la source d’énergie électrique 1 comporte un ensemble de panneaux photovoltaïques 2 (ou « champ photovoltaïque ») et un ensemble de batteries 3 adaptées à se charger lorsque la production d’électricité du champ photovoltaïque est supérieure à la contribution demandée par le système, et à fournir de l’électricité au système lorsque la contribution demandée est supérieure à la production courante des panneaux photovoltaïques 3.
L’ensemble de panneaux photovoltaïques 2 et l’ensemble de batteries sont liés à un bus en courant continu 4 (dit « bus DC » de l’anglais « direct current »), via un convertisseur 5 adapté. Par convertisseur 5, il est ici désigné tout dispositif adapté à transformer le courant fourni par l’élément source auquel il est lié en un courant continu à la tension souhaitée sur le bus DC 4. Le convertisseur 5 peut ainsi être notamment un transformateur DC/DC ou un convertisseur AC/DC (redresseur), par exemple lorsque l’élément source est une éolienne. Dans l’exemple de la , l’ensemble de panneaux solaires peut être avantageusement lié au bus 4 par un régulateur MPPT 5 (de l’anglais « Maximum Power Point Tracking ») qui vérifie régulièrement la tension électrique produite par l’ensemble de panneaux photovoltaïques pour déterminer et appliquer le point de sortie optimal du courant, c’est-à-dire le point de fonctionnement qui maximise la puissance active de sortie.
Le bus DC 4 permet d’alimenter un dispositif d'électronique de puissance 6. Le dispositif d’électronique de puissance est configuré pour conformer en tension et fréquence l’électricité fournie par la source d’énergie électrique aux paramètres souhaités pour le système électrique auquel est lié le dispositif de fourniture d’électricité (par exemple 230V à 50hZ). Le dispositif d’électronique de puissance comporte ainsi typiquement un onduleur.
Le dispositif de fourniture d’électricité comporte une interface de connexion 7, qui permet de connecter ledit dispositif de fourniture d’électricité à un réseau électrique 8 d’un système électrique, ou de l’en isoler. L’interface de connexion 7 peut ainsi adopter soit un état de connexion au réseau électrique 8, soit un état de déconnexion du réseau électrique 8.
La représente, selon un schéma de principe, un dispositif de fourniture d’électricité conforme à un autre mode de réalisation de l’invention.
Le dispositif de la est essentiellement identique à celui de la , et on pourra donc se référer à la description de la faite ci-dessus, sauf pour les différences expliquées ci-après.
Tout comme le dispositif de la , le dispositif de fourniture d’électricité de la comporte un ensemble de panneaux photovoltaïques 2 et une batterie 3.
L’ensemble de panneaux photovoltaïques 2 et l’ensemble de batteries sont liés à un bus en courant alternatif 4’ (dit « bus AC» de l’anglais « alternating current »), via un convertisseur adapté, à savoir un premier onduleur 5’ qui interface l’ensemble de panneaux photovoltaïques 2 au bus AC 4’ et un deuxième onduleur 5’’ qui interface la batterie 3 au bus AC 4’.
Il est ainsi notable que le premier onduleur 5’ et le deuxième onduleur 5’’ forment chacun un dispositif d’électronique de puissance 6 au sens de la présente invention, si le bus DC 4’ fonctionne sous une même tension et une même fréquence que le système électrique comprenant le réseau 8. Si ce n’est pas le cas, un convertisseur adapté pourra être prévu entre le bus AC4’ et le réseau 8.
Un exemple de réseau électrique dans lequel l’invention est particulièrement avantageuse est représenté à la , décrite plus en détail ci-après.
Le dispositif de fourniture d’électricité selon l’invention comporte, de manière remarquable, un dispositif inertiel 9.
Le dispositif inertiel 9 comporte une machine électrique 10, qui est une machine électrique synchrone. La tension statorique de la machine électrique est controlée par un régulateur de tension, par exemple un régulateur de tension automatique souvent désigné par l’acronyme « AVR » pour «Automated Voltage Regulator ». Le dispositif inertiel comporte en outre un volant d’inertie 11. Le volant d’inertie 11 est constitué d’une masse importante ayant préférentiellement sensiblement une forme de révolution (par exemple un cylindre, un anneau), lié rigidement à la machine électrique 10.
Un exemple de configuration préférentielle du dispositif inertiel 9 est représenté à la . Le dispositif inertiel 9 est relié électriquement entre le dispositif d'électronique de puissance 6 et l’interface de connexion 7. Autrement dit, le dispositif d'électronique de puissance 6 et la source d’énergie du dispositif de fourniture d’électricité sont reliés électriquement en parallèle à l’interface de connexion 7. Afin de permettre la déconnexion du dispositif inertiel 9, qui est notamment nécessaire lors de l’arrêt et dans les phases de redémarrage dudit dispositif inertiel 9, le dispositif de fourniture d’électricité comporte un dispositif de connexion ou de déconnexion électrique 12 permettant de connecter ou d’isoler le dispositif inertiel 9 vis à vis du reste du dispositif de fourniture d’électricité.
La représente selon une vue schématique en trois dimensions, une machine rotative pouvant être employée dans un ensemble inertiel mis en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention.
Le dispositif inertiel 9 comporte un moteur synchrone préférentiellement vertical constituant la machine électrique 10. Une autre orientation, par exemple horizontale, n’est cependant pas exclue dans le cadre de la présente invention. Une importante masse est fixée au pied de son rotor 13 et forme un volant d’inertie 11.
On notera que les machines synchrones connues dans l’état de la technique sont plus classiquement installées horizontalement (c’est-à-dire que leur rotor tourne selon un axe horizontal), et n’ont pas une masse importante, ce qui leur confère une inertie faible comparativement à leur puissance.
L’orientation verticale de la machine électrique présente plusieurs avantages. Elle limite (voire annule) les efforts transversaux repris par les roulements de la machine électrique. Elle simplifie également les opérations de maintenance, et notamment le remplacement des roulements. A cet égard, le dispositif inertiel comporte un roulement supérieur 14 et un roulement inférieur 15. Pour augmenter la durée de vie des roulements, le moteur synchrone peut être supporté par une sustentation magnétique. Cela permet typiquement de diminuer de 60% environ le poids supporté par les roulements.
Pour limiter les pertes, le volant d’inertie 11 est placé dans une enveloppe étanche 16 sous vide partiel ou sous Hélium. Une telle caractéristique permet de diviser les pertes énergétiques totale (au niveau de l’ensemble du dispositif inertiel 9) environ par deux, comparativement à un dispositif qui serait dépourvu d’une telle enveloppe.
Dans l’ensemble du présent document, l’expression « de l’ordre de X » ou « environ X » correspond à la valeur X plus ou moins 20%.
En associant un volant d’inertie 11 de masse importante à la machine électrique 10, un effet d’amortissement des fluctuations instantanées de fréquence qui se produisent sur le système électrique auquel la machine est reliée est créé. C’est l’effet de l’inertie de la masse tournante, c’est-à-dire du volant moteur 11, qui est entrainée par le moteur synchrone.
La masse du volant moteur d’un mode de réalisation préférentiel d’un dispositif inertiel 9 pouvant être utilisé dans l’invention est d’environ 3 tonnes pour un moment d’inertie de 500 kg.m2. L’inertie souhaitée peut être obtenue en associant plusieurs dispositifs inertiels 9 à une même source d’énergie électrique 1, comme expliqué plus en détail ci-après en référence à la .
Le dispositif inertiel 9 comporte un convertisseur de fréquence (platine de démarrage) qui sert en particulier lors du démarrage du dispositif inertiel, pour permettre sa mise en rotation progressive sous un courant limité, typiquement sous un courant pouvant être fourni par la source d’énergie 1. Par exemple, le convertisseur de fréquence peut permettre de lancer le moteur synchrone de l’arrêt (0 tr/min) à 1500 tr/min avec un courant de démarrage limité volontairement à 35 A (ce qui permet typiquement un démarrage à l’aide d’un ensemble de panneaux solaires). Selon le mode de réalisation considéré, l’utilisation d’électricité prélevée sur le système pour lancer le dispositif inertiel est possible, en alternative ou en complément. Une fois à sa vitesse nominale de 1500 tr/min, la machine électrique synchrone est connectée, couplée, directement au réseau et le convertisseur (platine de démarrage) est désactivé. Alternativement, il est possible de désactiver la platine de démarrage et de connecter dans la foulée la machine électrique synchrone au réseau. Pour cela, une fois la machine électrique10 du dispositif inertiel 9 amenée à la vitesse de rotation souhaitée, le dispositif inertiel se synchronise automatiquement vis-à-vis de la fréquence du système comprenant le réseau et le dispositif de connexion ou de déconnexion électrique 12 est fermé afin de connecter le dispositif inertiel 9 vis à vis du reste du dispositif de fourniture d’électricité, et l’interface de connexion 7 est placée en état de connexion au réseau électrique 8.
Le dispositif inertiel peut être refroidi par air, à l’aide de turbines qui aspirent l’air dans le dispositif au travers de filtres adaptés, par exemple des filtres à poche.
Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif inertiel 9 peut ainsi présenter les caractéristiques suivantes :
- une vitesse de rotation de 1500 tr/min ;
- un volant d’inertie d’environ 3 tonnes ;
- un couple d’inertie de 500 kg.m² ;
- une puissance de court-circuit de 5,2 MVA;
- des pertes limitées à 10 à 12 kW.
- une vitesse de rotation de 1500 tr/min ;
- un volant d’inertie d’environ 3 tonnes ;
- un couple d’inertie de 500 kg.m² ;
- une puissance de court-circuit de 5,2 MVA;
- des pertes limitées à 10 à 12 kW.
Ce mode de réalisation correspond plus particulièrement à une machine développée et mise en œuvre par la Demanderesse. Il fournit une machine standard adaptée à un dispositif de fourniture d’électricité d’une puissance de 1,55Mw au maximum, comme détaillé ci-après en référence à la . L’augmentation du nombre de ces machines, en parallèle, permet de répondre aux besoins des dispositifs de fourniture d’électricité de plus grande puissance.
La représente schématiquement un réseau électrique insulaire comportant des dispositifs conformes à l’objet de la présente invention.
L’ile dont le réseau électrique est considéré peut-être de plus ou moins grande dimension. Par exemple, la représente l’Ile de La Réunion, qui a une superficie de 2500 km² environ et qui compte environ 850 000 habitants. L’invention est néanmoins applicable à tout système électrique, notamment de plus petite taille que celui de l’ile de la . L’invention a en effet un intérêt tout particulier lorsqu’elle est appliquée aux systèmes électriques insulaires, ou plus généralement aux systèmes électriques qui ne sont pas interfacés avec les grands systèmes électriques continentaux.
L’ile représenté à la comporte un réseau de transport d’électricité comportant des lignes L de transport d’électricité, à haute tension. On notera néanmoins que le dispositif objet de la présente invention peut être adapté pour être interfacé à une ligne basse tension (BT) ou à une ligne haute tension (HTA) du réseau.
Sur la carte de la , on a représenté les centrales électriques hydrauliques (H), thermiques (C) qu’il s’agisse de centrale à charbon, à gaz, ou tout autre combustible tel que la bagasse. Ces types de centrales, qui comportent un générateur à machine tournante (turbine ou moteur), ont naturellement une inertie importante et une capacité à injecter du courant de court-circuit dans le système. On a également représenté les centrales solaires (S) et les centrales éoliennes (E). Ces types de centrales, qui sont reliées au réseau par un dispositif à électronique de puissance, ont naturellement une faible inertie, voire une inertie négligeable, et peu ou pas de capacité à injecter un courant de court-circuit.
Sur un tel réseau insulaire, les sources d’énergie ont été diversifiées au cours du temps. Une fois les ressources hydrauliques utilisées, la tendance est au développement des centrales solaires et éoliennes, que ce soit pour augmenter la capacité de production d’électricité dans le système électrique ou pour remplacer certaines centrales thermiques. Or, l’inertie de chaque centrale à générateur synchrone participe à l’inertie totale du système électrique. Il en résulte que l’ajout de dispositifs de fourniture d’électricité à interface à électronique de puissance impacte l’inertie du système électrique (la puissance totale augmente tandis que l’énergie cinétique totale des dispositifs de fourniture d’électricité reste inchangée). Le remplacement d’une centrale à turbo-alternateur par une (ou plusieurs) centrale à dispositif d’électronique de puissance impacte encore plus l’inertie du système électrique (la puissance reste inchangée tandis que l’énergie cinétique diminue).
Considérons que le maintien d’une constante d’inertie de 4 secondes est souhaité.
Cette valeur est conforme à l’ordre de grandeur constaté sur les centrales thermiques classiques. Par exemple, une centrale peut comporter un groupe turbo-alternateur de 48MW bruts soit 44MW nets (puissance maximale Pmax), avec une énergie cinétique Ec à la vitesse nominale du turbo-alternateur de 174 MW.s.
Cette centrale thermique (C) a ainsi une constante d’inertie H de l’ordre de 4 secondes.
En effet, H = Ec/Pmax = 174/44 ≈ 4 secondes.
Dans l’hypothèse où le gestionnaire souhaite ajouter une centrale solaire (S), cet ajout peut impacter la constante d’inertie du système électrique, et affecter sa stabilité.
Cette situation nécessitait pour les gestionnaires de réseau d’estimer si la modification de l’inertie et du courant de court-circuit disponible était admissible ou non, et de la traiter indépendamment du contrat lié à l’installation et l’exploitation de la nouvelle centrale solaire ou des nouvelles centrales solaires. Par exemple, lorsque la situation ne permettait plus de garantir la stabilité du système électrique, un compensateur synchrone pouvait être installé pour apporter de l’inertie au système, pour compenser la perte d’inertie et en prévision des évolutions futures du système.
La présente invention offre une solution plus satisfaisante aux gestionnaires de réseau. Notamment, elle permet maintenir une constante d’inertie du système sensiblement stable tandis que la part des énergies renouvelables augmente dans le système. La stabilité du système est ainsi garantie durant cette période transitoire vers l’utilisation de plus d’énergies renouvelables, et au-delà.
La présente invention permet de proposer au gestionnaire de réseau l’installation d’une centrale liée au réseau système par un dispositif d’électronique de puissance (par exemple une centrale solaire), sans affecter les propriétés d’inertie et de courant du court-circuit du système électrique. Pour cela, lors de l’ajout à un système d’une centrale liée au réseau par un dispositif d’électronique de puissance, il est également ajouté une inertie et une capacité à fournir un courant de court-circuit qui sont équivalentes à celles d’une centrale à générateur synchrone de même puissance.
Par exemple, le dispositif inertiel 9 décrit ci-avant en tant que mode de réalisation préféré a un couple d’inertie de 500kg.m² pour une vitesse de rotation nominale de 1500 tr/min, soit une énergie cinétique de 6.2 MW.s.
Selon la relation H = Ec/Pmax, ce dispositif inertiel permet donc de procurer une constante d’inertie H de 4 secondes à un dispositif de fourniture d’électricité (par exemple solaire) d’une puissance de 1,55Mw qui serait nativement dénué d’inertie.
Pour les dispositifs de fourniture d’électricité de plus grande puissance, il suffit de prévoir un dispositif inertiel ayant un volant d’inertie plus important, ou, de manière encore plus simple, de doter le dispositif de fourniture d’électricité de plusieurs dispositifs inertiels 9 en parallèle (par exemple, deux dispositifs inertiels 9 tels que décrits précédemment pour un ensemble photovoltaïque de 3.1 Mw).
L’invention propose ainsi un dispositif de fourniture d’électricité, par exemple une centrale électrique, dont la ou les sources d’énergie électrique sont du type interfacé au réseau électrique par un dispositif d’électronique de puissance (c’est-à-dire généralement par un onduleur), qui permet néanmoins de contribuer à l’inertie et la capacité en courant de court-circuit du système. La solution étant fondée sur un dispositif mécanique, elle ne présente aucun temps de réaction. En permettant un apport en inertie et en capacité à injecter dans le système du courant de court-circuit indique à (ou proche de) ceux d’une centrale électrique à générateur, l’invention propose une solution simple, complète, et « clé en main » aux gestionnaires de réseau pour ajouter une centrale électrique ou pour substituer une centrale électrique à un dispositif d’électronique de puissance en remplacement d’une centrale électrique du type à générateur à machine rotative (tel qu’un turbo-générateur), sans risque pour la stabilité du système. Elle permet en particulier d’apporter des moyens de fourniture d’électricité supplémentaire au système électrique sans en dégrader la constante d’inertie globale.
Claims (15)
- Dispositif de fourniture d’électricité comportant
- une source d’énergie électrique (1),
- un dispositif d'électronique de puissance (6) adapté à conformer en tension et fréquence l’électricité fournie par la source d’énergie électrique (1),
- une interface de connexion (7) pouvant être mise dans un état de connexion ou dans un état de déconnexion du dispositif de fourniture d’électricité vis-à-vis d’un réseau électrique (8),
le dispositif d'électronique de puissance étant interposé entre la source d’énergie électrique (1) et ladite interface de connexion (7),
caractérisé en ce que le dispositif de fourniture d’électricité comporte en outre un dispositif inertiel (9) comportant une machine électrique (10) rotative synchrone et un volant d’inertie (11),
le dispositif de fourniture d’électricité étant configuré de sorte que ledit dispositif inertiel (9) peut être relié électriquement en un point situé entre le dispositif d'électronique de puissance (6) et l’interface de connexion (7) au réseau, de sorte que le dispositif inertiel (9) est connecté directement audit réseau électrique (8) lorsque l’interface de connexion (7) est dans l’état de connexion au réseau électrique (8). - Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 1, dans lequel la source d’énergie électrique comporte l’un ou plusieurs des éléments sources suivants :
- un ensemble de panneaux photovoltaïques (2);
- une ou plusieurs éoliennes ;
- un BESS ;
- une pile à combustible. - Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 2, dans lequel chaque élément source du dispositif de fourniture d’électricité est lié à un bus (4,4’) par un convertisseur (5,5’,5’’) adapté.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 3, comportant un ensemble de panneaux photovoltaïques (2) et/ou une ou plusieurs éoliennes, le dispositif de fourniture d’électricité comportant en outre un système de stockage d’énergie électrique relié au bus.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d'électronique de puissance (6) comporte un onduleur.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (10) comporte un rotor ayant un axe de rotation vertical.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 6, dans lequel le rotor de la machine électrique (10) comporte un dispositif de sustentation magnétique.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le volant d’inertie (11) est ménagé dans une enveloppe étanche sous vide ou contenant de l’hélium.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, comportant un convertisseur de fréquence adapté à mettre la machine électrique (10) synchrone en rotation depuis une vitesse de rotation nulle jusqu’à une vitesse de rotation donnée adaptée à la connexion du dispositif inertiel (9) au réseau électrique (8).
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes comportant un dispositif de connexion ou de déconnexion électrique (12) du dispositif inertiel (9) situé entre ledit dispositif inertiel (9) et ledit point situé entre le dispositif d'électronique de puissance (6) et l’interface de connexion (7) au réseau électrique (8).
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif inertiel (9) comporte plusieurs machines rotatives, notamment de deux à dix machines rotatives.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, ledit dispositif de fourniture d’électricité ayant une puissance nette comprise entre 180kW et 17MW.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif inertiel est dimensionné de sorte que le dispositif de fourniture d’électricité a une constante d’inertie comprise entre 2 et 5 secondes, de préférence de l’ordre de 4 secondes.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque machine rotative du dispositif inertiel a un couple d’inertie compris entre 300 kg.m² et 1800 kg.m², par exemple de l’ordre de 500 kg.m² lorsque ledit dispositif inertiel est couplé au réseau.
- Procédé de configuration d’un dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes de :
- détermination de la puissance nette du dispositif de fourniture d’électricité ;
- détermination de la fréquence du réseau électrique auquel le dispositif de fourniture d’électricité est destiné à être connecté ;
- détermination de l’énergie cinétique d’un dispositif inertiel du dispositif de fourniture d’électricité une fois ledit dispositif inertiel synchronisé au réseau ;
- sélection d’une valeur de constante d’inertie minimale ; et
- détermination du nombre de dispositifs inertiels à employer dans le dispositif de fourniture d’électricité pour obtenir la constante d’inertie minimale sélectionnée.
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Legal Events
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| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
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| EXTE | Extension to a french territory |
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230526 |
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