FR3137805A1 - Dispositif de fourniture d’électricité adapté à maintenir 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), une machine électrique (6) comportant un moteur électrique (7) et une génératrice (8), la machine électrique étant configurée de sorte que le moteur électrique (7) est adapté à entrainer la génératrice (8) en rotation, un dispositif d’alimentation permettant l’alimentation du moteur électrique (7) de la machine électrique (8) par la source d’énergie électrique (1). Le dispositif comporte aussi une interface (11) adaptée à connecter la génératrice à un réseau électrique (10) ou à la déconnecter de ce réseau. La machine électrique (6) présente en fonctionnement une énergie cinétique et une puissance maximale, lorsqu’elle est entrainée par la source d’énergie électrique (1), telles que ledit dispositif de fourniture d’électricité a une constante d’inertie comprise entre 2 secondes et 6 secondes, de préférence de l’ordre de 4 secondes.
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 sur 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 (ou de la constante d’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 sur le système. En cas de perturbation dans le 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 dans 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, 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, ou plus généralement un dispositif centralisé qui forme un stockage d’énergie cinétique et qui est relié au réseau. Le document WO2020/043306 propose une telle solution.
Néanmoins, ces solutions sont imparfaites, en particulier pour les gestionnaires de réseau. Notamment, pour le gestionnaire d’un réseau électrique de taille moyenne, par exemple un réseau 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. En outre, en cas de panne ou d’arrêt pour maintenance du compensateur synchrone, la stabilité du système est menacée.
En se fondant sur l’idée d’emmagasiner de l’énergie cinétique, EP2696464 divulgue une centrale photovoltaïque permettant l’injection dans un système électrique d'un courant exempt d'harmoniques et de sous-harmoniques. Selon ce document, un onduleur convertit l’électricité fournie par un champ photovoltaïque. Une machine électrique comportant un moteur et une génératrice synchrone est entrainée, ce qui peut atténuer les fluctuations de puissance des modules photovoltaïques liées par exemple au passage de nuages. En résumé, ce document propose donc un dispositif permettant d’emmagasiner de l’énergie cinétique afin de lisser dans le temps, sur des périodes de quelques minutes, la fourniture d’électricité au système. Néanmoins, ce document ne concerne pas directement la problématique de l’inertie du système et du courant de court-circuit pouvant être injecté sur le réseau.
L’invention vise ainsi à proposer une solution à tout ou partie des problématiques précitées. Elle vise plus particulièrement à apporter une solution attractive, fiable et démontrable, pour les gestionnaires de réseaux aux problématiques de stabilité des réseaux électriques, par exemple des réseaux insulaires ou autres réseaux électriques de taille moyenne, qui sont liées à l’augmentation de la part des sources d’énergies interfacées au réseau par de l’électronique de puissance.
L’invention porte ainsi sur un dispositif de fourniture d’électricité comportant :
- une source d’énergie électrique,
- une machine électrique comportant un moteur électrique et une génératrice, la machine électrique étant configurée de sorte que le moteur électrique est adapté à entraîner la génératrice en rotation,
- un système d’alimentation permettant l’alimentation du moteur électrique de la machine électrique par la source d’énergie électrique, et
- une interface adaptée à connecter la génératrice à un réseau électrique ou à la déconnecter de ce réseau.
- une source d’énergie électrique,
- une machine électrique comportant un moteur électrique et une génératrice, la machine électrique étant configurée de sorte que le moteur électrique est adapté à entraîner la génératrice en rotation,
- un système d’alimentation permettant l’alimentation du moteur électrique de la machine électrique par la source d’énergie électrique, et
- une interface adaptée à connecter la génératrice à un réseau électrique ou à la déconnecter de ce réseau.
La machine électrique présente en fonctionnement une énergie cinétique et une puissance maximale, lorsqu’elle est entrainée par la source d’énergie électrique, telles que ledit dispositif de fourniture d’électricité a une constante d’inertie comprise entre 2 secondes et 6 secondes, de préférence de l’ordre de 4 secondes.
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 dispositif 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.
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%.
Plus particulièrement, avec une constante d’inertie de l’ordre de 4 s, l’ajout d’un dispositif de fourniture d’électricité conforme à l’invention n’engendre pas de modification substantielle de la constante d’inertie du système électrique, y compris sur un système de taille modérée tel qu’un système insulaire. De même, la capacité du dispositif de fourniture d’électricité conforme à l’invention à injecter du courant de court-circuit dans le système est analogue à celle d’une centrale de production électrique classique, dans la mesure où le courant introduit sur le réseau est généré par une génératrice, tout comme dans une centrale classique.
Du point de vue d’un gestionnaire de réseau, le dispositif proposé dans l’invention permet une gestion simplifiée, en ce qu’elle permet d’ajouter un dispositif de fourniture d’électricité à son système, 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 ».
De plus, par la configuration même du dispositif proposé dans l’invention, le gestionnaire de réseau a la certitude que le dispositif de fourniture d’électricité participe à apporter de l’inertie au système, au contraire notamment des dispositifs proposant de l’inertie virtuelle, dont la fourniture pourrait être désactivée de manière invisible pour le gestionnaire.
La machine électrique peut comporter un volant d’inertie lié à un rotor.
Comparativement aux dispositifs associant un moteur électrique et une génératrice connus dans l’état de la technique, l’ajout d’un volant d’inertie, ou « volant moteur » permet d’obtenir l’inertie souhaitée, et donc la constante d’inertie souhaitée pour le dispositif de fourniture d’électricité.
Le moteur électrique et la génératrice peuvent comporter un rotor commun. Le moteur électrique et la génératrice peuvent comporter des stators entrelacés.
Une configuration à rotor commun dans laquelle le stator du moteur et le stator de la génératrice sont entrelacés permet un gain en volume et corolairement un gain en rendement comparativement à un dispositif plus classique dans lequel un moteur est accouplé à une génératrice. Or, le rendement est fondamental dans le cadre de la présente invention, dans la mesure où le fait d’interposer, en série, un ensemble moteur-génératrice entre une source d’énergie électrique et le réseau destiné à être alimenté permet certes de garantir une inertie souhaitée, mais entraine nécessairement des pertes, qu’il convient de limiter autant que possible.
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 ;
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Il s’agit des principales sources d’énergie électrique liées aux réseaux par un dispositif d’électronique de puissance, en particulier par un onduleur ou un ensemble d’onduleurs.
La source d’énergie électrique peut comporter un bus, et chaque élément source du dispositif de fourniture d’électricité peut être lié par un convertisseur adapté au 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 chacun 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.
Le courant électrique fourni au bus par les convertisseurs associés aux éléments sources d’énergie électrique peut être configuré pour permettre d’entrainer le moteur électrique de la machine électrique, notamment pour ce qui concerne la fréquence du courant si le bus est en bus AC. Alternativement, le dispositif d’alimentation de la machine électrique comporte un convertisseur électrique d’alimentation du moteur électrique de la machine électrique, ledit convertisseur étant adapté à conformer le courant issu de la source d’énergie électrique selon des caractéristiques de courant souhaitées pour l’alimentation dudit moteur électrique.
Le moteur électrique de la machine électrique est avantageusement un moteur synchrone. Alors, la machine électrique comporte un moteur de lancement asynchrone, adapté à mettre la machine électrique en rotation depuis une vitesse de rotation nulle jusqu’à une vitesse de rotation donnée adaptée à la connexion de ladite machine électrique au réseau électrique.
Cela permet de limiter l’intensité du courant dans la machine électrique lors de son démarrage.
Le dispositif de fourniture d’électricité peut avoir par exemple une puissance nette comprise entre 180kW et 17MW.
Dans le dispositif de fourniture d’électricité, la machine électrique peut avoir un moment d’inertie par exemple compris entre 100 kg.m² et 300 kg.m², par exemple de l’ordre de 160 kg.m² lorsque le dispositif inertiel est synchronisé au réseau.
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 que doit présenter la machine électrique pour que le dispositif de fourniture d’électricité ait une constante d’inertie prédéfinie, comprise entre 2 secondes et 6 secondes, et de préférence de l’ordre de 4 secondes ;
- détermination de la masse tournante totale de la machine électrique requise pour obtenir l’énergie cinétique déterminée, et détermination de la masse d’un volant d’inertie à accoupler à la machine électrique.
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- détermination de la masse tournante totale de la machine électrique requise pour obtenir l’énergie cinétique déterminée, et détermination de la masse d’un volant d’inertie à accoupler à la machine électrique.
Il est ainsi possible de configurer le dispositif proposé dans l’invention selon la valeur cible de constante d’inertie souhaitée, et de garantir au gestionnaire de réseau que le dispositif de fourniture d’électricité répondra aux critères d’inertie souhaitée, de sorte que son addition au système aura des conséquences totalement prévisibles sur la stabilité du système (par exemple, une absence d’impact).
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.
Cela simplifie grandement la gestion d’un système électrique, en particulier d’un système de taille ou moyenne, tel qu’un système 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
la représente, selon un schéma de principe, un dispositif conforme à un autre mode de réalisation de l’invention ;
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 photovoltaiques 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 sources ».
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 ici 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 maximum du courant, c’est-à-dire le point de fonctionnement qui maximise la puissance de sortie.
Le bus DC 4 permet d’alimenter la machine électrique 6. Selon le mode de réalisation représenté, la machine électrique 6 comporte un moteur électrique 7 synchrone et une génératrice 8. Le moteur électrique 7 synchrone nécessite une alimentation en courant alternatif. Un onduleur 9 est ainsi positionné entre le bus 4 et la machine électrique afin de conformer le courant issu du bus 4 pour l’alimentation du moteur électrique 7.
Pour ce qui concerne la machine électrique 6, dont un exemple de réalisation est illustré à la , celle-ci comporte donc de manière générale un moteur électrique 7 alimenté par la source d’énergie électrique, ce moteur électrique étant configuré pour entrainer en rotation la génératrice 8. La génératrice 8 est quant à elle adaptée à fournir un courant conforme en tension et en fréquence aux spécifications du système électrique 10 destiné à être alimenté par le dispositif de fourniture d’électricité (par exemple 230V à 50hZ).
La machine électrique doit avoir une masse tournante dimensionnée de sorte à avoir l’énergie cinétique en fonctionnement souhaitée, pour conférer au dispositif de fourniture d’électricité l’inertie et la constante d’inertie désirées. La masse tournante est constituée du rotor du moteur électrique 71, du rotor de la génératrice 81, et, si besoin d’un volant d’inertie 12, formé en une ou plusieurs parties, qui est lié à un arbre du rotor de la génératrice et/ou à l’arbre du rotor du moteur électrique. La masse tournante est déterminée de sorte à apporter l’inertie équivalente à l’inertie d’une génératrice de centrale électrique conventionnelle de puissance similaire. Ainsi, elle peut être déterminée de sorte que la constante d’inertie du dispositif de fourniture d’électricité soit de l’ordre de 4 secondes.
Selon des modes de réalisation alternatifs de l’invention, le moteur et la génératrice peuvent être des machines distinctes, couplée entre elles de manière permanente ou non, par exemple au niveau du volant d’inertie 12. Alternativement, le rotor du moteur électrique 71 et le rotor de la génératrice 81 peuvent être communs, formés d’un seul tenant. Dans ce cas le stator du moteur électrique et le stator de la génératrice peuvent avantageusement avoir une configuration entrelacée, c’est dire présentant des enroulements imbriqués de conducteurs.
Afin de permettre le lancement progressif de la machine électrique, celle-ci comporte en outre un moteur de lancement asynchrone adapté au lancement du moteur synchrone et de la génératrice jusqu’à une vitesse de rotation correspondant à une fréquence souhaitée.
En pratique, la machine électrique est initialement (avant mise en service du dispositif de fourniture d’électricité) déconnectée de la source d’énergie électrique par un contacteur d’entrée 13. Le moteur de lancement asynchrone, démarre et met progressivement en rotation la machine électrique 6. Le moteur de lancement peut être alimenté par la source d’énergie électrique et/ou par de l’électricité issue du réseau électrique 10 (moyennant l’adaptation et la régulation de l’électricité aux caractéristiques du moteur de lancement). L’ensemble peut par exemple être lancé jusqu’à ce que la vitesse de rotation corresponde à 49,5 Hz pour une fréquence nominale du réseau électrique 10 de 50Hz. L’excitation de la machine électrique est alors lancée, et la tension du moteur augmente pour atteindre une valeur nominale, par exemple 400 V.
Lorsque la tension du côté de l’onduleur 9 est synchrone avec la tension du moteur 7, alors le contacteur d’entrée 13 de la machine électrique 6 se ferme, de sorte que le moteur synchrone fonctionne à 50 Hz. Enfin, l’alimentation du moteur de lancement est arrêtée.
L’excitation de la machine électrique peut être commune au moteur 7 et à la génératrice 8. Plus particulièrement, la tension statorique de la machine électrique est avantageusement contrôlée par un régulateur de tension 14, par exemple un régulateur de tension automatique souvent désigné par l’acronyme « AVR » pour « Automated Voltage Regulator ». Ce régulateur de tension 14 peut être situé au niveau de la génératrice 8 uniquement.
Enfin, le dispositif de fourniture d’électricité comporte une interface de connexion 11, qui permet de connecter ledit dispositif de fourniture d’électricité à un réseau électrique 10 ou de l’en isoler. L’interface de connexion 11 peut ainsi adopter soit un état de connexion au réseau électrique 10, soit un état de déconnexion du réseau électrique 10. Lorsque les étapes de lancement de la machine électrique 6 ont été réalisées, l’interface de connexion 11 est amenée en position fermée, de sorte que la génératrice est couplée au réseau électrique 10 et le fournit en électricité, tandis que la machine électrique apporte au système son inertie et sa capacité à injecter du courtant de court-circuit.
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’.
Le premier onduleur 5’ et le deuxième onduleur 5’’ peuvent être configurés de sorte à fournir au bus 4’ de l’électricité avec des caractéristiques (tension et fréquence) compatibles pour l’alimentation du moteur électrique 7 de la machine électrique 6. Si ce n’est pas le cas,
Si ce n’est pas le cas, un convertisseur adapté 15 pourra être prévu entre le bus AC4’ et le réseau électrique 10.
Un exemple de réseau électrique dans lequel l’invention est particulièrement avantageuse est représenté à la .
La machine électrique 6 constitue un élément important du dispositif de fourniture d’électricité selon l’invention.
La représente selon une vue schématique en trois dimensions, une machine électrique 6 pouvant être employée dans un mode de réalisation de l’invention.
La machine électrique 6 est de type moteur-générateur et comporte donc un moteur électrique 7 synchrone et une génératrice 8. Ces deux fonctions sont intégrées de manière compacte dans la machine électrique 6 qui comporte un rotor commun 61, organisé sur un seul arbre, pour ces deux fonctions. Les stators, à savoir le stator du moteur 72 et le stator de la génératrice 82 sont quant à eux de type bobinés, et entrelacés.
La machine électrique comporte un volant d’inertie 12, sous la forme d’une masse rapportée à l’arbre commun, cette masse se présentant sous la forme d’un élément volant d’un seul tenant ou de plusieurs masses rapportées ayant conjointement la fonction de volant d’inertie.
On constitue ainsi une masse tournante est constituée du rotor commun 61 et du volant d’inertie.
Cette masse tournante est déterminée de sorte à apporter l’inertie équivalente à l’inertie d’une génératrice de centrale électrique conventionnelle de puissance similaire, typiquement de l’ordre de 4 secondes.
Dans l’exemple de la , la machine électrique 6 a une disposition générale horizontale (rotor sensiblement horizontal en fonctionnement), mais d’autres dispositions, notamment une configuration verticale, sont envisageables.
Par exemple, pour un dispositif de fourniture d’électricité pouvant fournir 500 kW de puissance active, la masse tournante est adaptée pour obtenir un moment d’inertie de 162 kg.m².
La machine électrique 6 comporte également un moteur de lancement asynchrone 16 adapté au lancement du moteur synchrone et de la génératrice jusqu’à une vitesse de rotation correspondant à une fréquence souhaitée.
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 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 système 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 ou pour remplacer certaines centrales thermiques. Or, l’inertie de chaque centrale participe à l’inertie totale du système. Il en résulte que l’ajout de dispositifs de fourniture d’électricité à interface à électronique de puissance impacte l’inertie du système (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 (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, 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, 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 de 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 fondée sur des sources d’énergie électrique qui par nature sont généralement liées au réseau 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.
Pour cela, une machine électrique comportant un moteur et une génératrice est interfacée entre la source d’énergie électrique et le réseau, ou, plus précisément, une machine électrique est interposée entre le ou les dispositifs d’électroniques de puissance associés aux éléments sources et le réseau électrique.
En adoptant des technologies et un dimensionnement approprié de la machine électrique, il est possible de garantir au dispositif de fourniture d’électricité une constante d’inertie analogue à celle souhaitée généralement dans le système électrique, par exemple de l’ordre de 4s, afin que l’ajout au système du dispositif de fourniture d’électricité soit sans impact sur sa stabilité.
Il est notable qu’il ne s’agit pas dans l’invention d’emmagasiner de l’énergie cinétique en grande quantité pour compenser des chutes de productions de plusieurs minutes, liées par exemple au passage de nuages au-dessus d’un champ de panneaux photovoltaïques (cette fonction pouvant être assurée par l’ajout d’un ensemble de batteries dans la source d’énergie électrique du dispositif de fourniture d’électricité). Le dimensionnement de la masse tournante, et notamment du volant d’inertie de la machine électrique, est déterminé avec pour seul objectif la fourniture de la constante d’inertie souhaitée. Cela n’entraine que peu de pertes d’énergie.
La solution proposée étant fondée sur un dispositif mécanique (au contraire des dispositifs à électronique de puissance, pouvant, le cas échéant, fournir une inertie virtuelle), 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 analogue à ceux d’une centrale électrique à générateur, l’invention propose une solution simple, complète, dont l’efficacité peut être constatée du fait même de la mise en œuvre d’une masse tournante, 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 sans en dégrader la constante d’inertie globale.
Claims (13)
- Dispositif de fourniture d’électricité comportant :
- une source d’énergie électrique (1),
- une machine électrique (6) comportant un moteur électrique (7) et une génératrice (8), la machine électrique (6) étant configurée de sorte que le moteur électrique (7) est adapté à entrainer la génératrice (8) en rotation,
- un dispositif d’alimentation permettant l’alimentation du moteur électrique (7) de la machine électrique (6) par la source d’énergie électrique (1),
- une interface adaptée à connecter la génératrice (8) à un réseau électrique (10) électrique ou à la déconnecter de ce réseau électrique (10),
caractérisé en ce que la machine électrique (6) présente en fonctionnement une énergie cinétique et une puissance maximale, lorsqu’elle est entrainée par la source d’énergie électrique, telles que ledit dispositif de fourniture d’électricité a une constante d’inertie comprise entre 2 secondes et 6 secondes, de préférence de l’ordre de 4 secondes. - Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 1, dans lequel la machine électrique (6) comporte un volant d’inertie lié à un rotor.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur électrique (7) et la génératrice (8) comportent un rotor commun.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur électrique (7) et la génératrice (8) comportent des stators entrelacés.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la source d’énergie électrique (1) 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 5, dans lequel la source d’énergie électrique comporte un bus (4, 4’), et, pour chacun des éléments sources du dispositif de fourniture d’électricité, un convertisseur électrique adapté reliant l’élément source audit bus.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 6, comportant un ensemble de panneaux photovoltaïques (2) 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 (4,4’).
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif d’alimentation comporte un convertisseur électrique d’alimentation du moteur électrique (7) de la machine électrique (6), ledit convertisseur étant adapté à conformer le courant issu de la source d’énergie électrique selon des caractéristiques de courant souhaitées pour l’alimentation dudit moteur électrique (7).
- Dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur électrique (7) de la machine électrique (6) est un moteur synchrone.
- Dispositif de fourniture d’électricité selon la revendication 9, dans lequel la machine électrique (6) comporte un moteur de lancement asynchrone, adapté à mettre la machine électrique (6) en rotation depuis une vitesse de rotation nulle jusqu’à une vitesse de rotation donnée adaptée à la connexion de ladite machine électrique (6) au réseau électrique (10) électrique.
- 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 la machine électrique (6), a un moment d’inertie comprise entre 100 kg.m² et 300 kg.m², par exemple de l’ordre de 160 kg.m², lorsque qu’elle est synchronisée au réseau électrique (10).
- Procédé de configuration d’un dispositif de fourniture d’électricité selon l’une des revendications 1 à 12, comprenant les étapes de :
- détermination de la puissance nette du dispositif de fourniture d’électricité ;
- détermination de la fréquence du réseau électrique (10) auquel le dispositif de fourniture d’électricité est destiné à être connecté ;
- détermination de l’énergie cinétique que doit présenter la machine électrique (6) pour que le dispositif de fourniture d’électricité ait une constante d’inertie prédéfinie, comprise entre 2 secondes et 6 secondes, et de préférence de l’ordre de 4 secondes ;
- détermination de la masse tournante totale de la machine électrique (6) requise pour obtenir l’énergie cinétique déterminée, et détermination de la masse d’un volant d’inertie (12) à accoupler à la machine électrique (6).
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