Stockage inertiel d'énergie en vue d’améliorer l'intégration des éoliennes dans un réseau électrique Ludovic LECLERCQ Benoît ROBYNS École des Hautes Études Industrielles (HEI), LILLE

Plan de l’exposé Stockage inertiel d'énergie en vue d’améliorer l'intégration des éoliennes dans un réseau électrique Plan de l’exposé Problématique Éolienne à vitesse constante + Stockage inertiel Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Conclusion et perspectives

1. Problématique Les éoliennes actuelles ne participent pas aux services système Revue REE N°7 juillet 2002 « Le raccordement de la production décentralisée en HTA et BT » Par J.-L. Fraisse EDF-GDF services production aléatoire et difficilement prévisible absence de réglage fréquence-puissance absence de réglage tension sensibilité aux creux de tension sensibilité aux variations rapides de la force du vent …

 1. Problématique Dans le cas d'un réseau insulaire Une trop forte pénétration de la production éolienne fait courir un risque important de délestage introduction d'aléas dans la programmation des moyens de production dégradation de la sûreté de fonctionnement du système électrique sensibilité aux creux de tension problèmes de tenue de tension et de qualité de fourniture Limitation du taux de pénétration de l'éolien (EDF limite à 30 %) 

1. Problématique Dans le cas d'un réseau puissant Limite des 30 % pas atteinte dans l'immédiat mais localement. Concentration d’éoliennes aux mêmes endroits et à l’avenir sur les côtes avec de grosse centrales offshore

1. Problématique Janvier 2003 : 147,23 MW Objectif pour 2010 : 14000 MW Plus que 13852,77 MW… Augmenter le taux de pénétration de l’éolien : Participer plus ou moins aux services système Lisser la puissance fluctuante, régler la tension, régler la fréquence…

1. Problématique Solutions envisagées Lisser la puissance fluctuante Éolienne à vitesse fixe + système de stockage Réglage tension et fréquence Éolienne à vitesse variable + système de stockage

Éolienne à vitesse fixe 2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel 300 kW 600 kVA Éolienne à vitesse fixe Moteur diesel Machine Synchrone Moteur diesel Stockage inertiel Charge Charge 90 kW 105 kg.m² 300 kW 120 kVAR

2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel But : lisser la puissance éolienne t t Réseau isolé Turbine éolienne + génératrice asynchrone t Stabilisateur cinétique

Stratégie de commande du système de stockage inertiel 2. Éolienne à vitesse fixe + Stockage inertiel Stratégie de commande du système de stockage inertiel Problème : Nous ne pouvons stocker ou restituer indéfiniment Nous devons tenir compte de la vitesse du volant d’inertie  « Si la vitesse du volant est petite alors on favorise le stockage » « Si la vitesse du volant est grande alors on favorise la restitution » « Si la vitesse du volant est moyenne : utilisation normale »

SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE Superviseur à logique floue Preg Pwg Flywheel rotational speed

SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE SUPERVISEUR A LOGIQUE FLOUE VS B

SIMULATIONS Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site de Dunkerque

Superviseur à logique floue

Puissance active générée par le groupe électrogène SIMULATIONS Puissance active générée par le groupe électrogène Sans le système de stockage en pointillés Avec le système de stockage en trait continu

SIMULATIONS Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

SIMULATIONS Vitesse de rotation du volant d’inertie

Superviseur simplifié

Puissance active générée par le groupe électrogène SIMULATIONS Puissance active générée par le groupe électrogène Sans le système de stockage en pointillés Avec le système de stockage en trait continu

SIMULATIONS Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

SIMULATIONS Vitesse de rotation du volant d’inertie

Sans tenir compte de la vitesse de rotation du volant d’inertie Pwg Pwgf = Preg Constante de temps du filtre passe-bas = 30 s.

Puissance active générée par le groupe électrogène SIMULATION Puissance active générée par le groupe électrogène Sans le système de stockage en pointillés Avec le système de stockage en trait continu

SIMULATION Puissance active générée par l’association éolienne-système de stockage (Preg) Puissance souhaitée en pointillés Puissance obtenue en trait continu

SIMULATION Vitesse de rotation du volant d’inertie

1 2 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée 1 Éolienne sur un réseau 2

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Capable de l'îlotage Capable de redémarrer sans tension sur le réseau Capable de remettre la tension sur un réseau hors tension Capable de supporter des échelons de consommation Maintenir l’équilibre production-consommation Maintenir une tension d’amplitude et de fréquence fixe ….

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne à vitesse variable à pales fixes composée d’une machine synchrone à aimants permanents et à attaque directe Machine synchrone Source de tension continue Convertisseur MLI Toutes ressemblances avec une éolienne développée dans le nord de la France est purement fortuite !

Dissipation et/ou stockage 3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Charge isolée Puissance fournie par l’éolienne Puissance consommée par la charge Dissipation et/ou stockage

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Charge isolée Puissance consommée par la charge Puissance fournie par l’éolienne Fourniture auxiliaire et/ou restitution du stockage

3. Éolienne à vitesse variable + Stockage inertiel Éolienne sur charge isolée Charge isolée Stockage inertiel

Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Convertisseur 2 Charge isolée Filtre LC pour la qualité de la forme d’onde de la tension… Le convertisseur 2 va réguler les tensions aux bornes des condensateurs du filtre Source de tension

Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Puissance de l’éolienne Puissance du stockage inertiel

Pour une éolienne fonctionnant sur charge isolée… Tensions composées aux bornes des condensateurs Tension du bus continu

Le convertisseur 2 va réguler le courant dans la deuxième self Éolienne sur un réseau Convertisseur 2 Réseau Filtre LCL pour la qualité de la forme d’onde de la tension… Le convertisseur 2 va réguler le courant dans la deuxième self Source de courant

Pour une éolienne fonctionnant sur réseau… 150 kW 100 kVAR

4. Conclusion et perspectives Pitch control Stockage inertiel de la turbine Centrale éolienne Supervision

Banc d’essai développé sur le site HEI MCC DS 1104 DS 1103 Réseau MS Filtre Stockage inertiel MAS DS 1104 Charge isolée Validation modèles, commandes, supervisions Participation aux services systèmes

Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI

Machine à courant continu Cette structure peut être réalisée sur le banc d’essai d’HEI Machine synchrone Onduleurs de tension SEMIKRON DT Machine à courant continu Volant d’inertie Machine Asynchrone + codeur