Chapitre 3. Étude et dimensionnement d’un microréseau centralisé autour d’un maître
B. Dimensionnement d’un microréseau avec groupe synchrone maître du réseau
1. Ajustement du statisme
a. Définition des statismes équivalents maximal et minimal
(i) Statisme équivalent maximal
Le statisme total maximal du microréseau doit être défini de façon à ce que la déviation de fréquence ne sorte pas de la bande tolérée Δ𝑓 pour l’impact de charge dimensionnant. Ce statisme équivalent maximal peut être différent pour un impact de charge positif ou négatif.
{ 𝑠𝑡𝑜𝑡+ 𝑚𝑎𝑥 = 𝛿𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝛿𝑃𝑐ℎ 𝑚𝑎𝑥 + ∙ 𝑆𝑛 𝑓0 𝑠𝑡𝑜𝑡− 𝑚𝑎𝑥 = 𝛿𝑓𝑚𝑎𝑥 + 𝛿𝑃𝑐ℎ−𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑆𝑛 𝑓0 (3.19)
Ainsi, le statisme 𝑠𝑡 du groupe diesel ainsi que les statismes 𝑠𝑐𝑘 de l’ensemble des sources
coopératrices doivent être réglés de façon à ce que le statisme total 𝑠𝑡𝑜𝑡 n’excède pas 𝑠𝑡𝑜𝑡𝑚𝑎𝑥.
{ 1 𝑠𝑡++ ∑ 1 𝑠𝑐+𝑘 ≤ 1 𝑠𝑡𝑜𝑡+ 𝑚𝑎𝑥 𝑁 𝑘=1 1 𝑠𝑡− + ∑ 1 𝑠𝑐−𝑘 ≤ 1 𝑠𝑡𝑜𝑡− 𝑚𝑎𝑥 𝑁 𝑘=1 (3.20)
(ii) Statisme équivalent minimal
Dans le cas où il existe un 𝛿𝑓𝑚𝑖𝑛 définissant la déviation minimale de fréquence pouvant être
prise comme une information cohérente pour déclencher une régulation, il est intéressant de définir un statisme équivalent minimal 𝑠𝑡𝑜𝑡𝑚𝑖𝑛, permettant de s’assurer que le réglage de la
fréquence s’effectuera bien pour un appel de puissance 𝛿𝑃𝑐ℎ𝑚𝑖𝑛 et au-delà, selon :
𝑠𝑡𝑜𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝛿𝑓𝑚𝑖𝑛 𝛿𝑃𝑐ℎ𝑚𝑖𝑛∙
𝑆𝑛
𝑓0 (3.21)
b. Choix des sources et réglage de chaque statisme
De façon logique, plus les sources seront nombreuses à assurer le réglage primaire, plus cela allégera la participation de chacune à l’équilibre des puissances (c.-à-d. plus chacune des sources pourra avoir un statisme élevé).
Les sources participant au réglage primaire par statisme doivent respecter plusieurs critères : - Elles doivent avoir une bonne dynamique en puissance, avec un temps de réponse de
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- Une butée en puissance suffisante est nécessaire pour pouvoir assurer un apport de puissance important au début du déséquilibre.
- La source doit pouvoir potentiellement augmenter ou diminuer la puissance fournie pendant au moins quelques secondes, le temps que le réglage secondaire fasse effet. Que l’impact de charge soit positif ou négatif, les moyens de stockage de prédilection pour contribuer au statisme sont les batteries d’accumulateurs et les volants d’inertie. Les super condensateurs peuvent aussi contribuer mais à condition que le réglage secondaire prenne rapidement le relai.
La participation des sources d’EnR doit quant à elle être réfléchie en fonction de la nature de l’impact (positif ou négatif) :
- En cas d’appel de charge négatif (surplus de production), l’ensemble des sources d’EnR fonctionnant en MPPT (donc sans réserve), peuvent participer en venant dégrader leur point de fonctionnement.
- En cas d’impact de charge positif, les éoliennes fonctionnant en MPPT peuvent participer au statisme sur quelques secondes à l’aide de leur réserve d’énergie cinétique, mais le réglage secondaire devra là encore rapidement prendre le relai (voir Chapitre 2, paragraphe IV.A). De façon plus prudente, il convient de ne faire participer que les sources d’EnR fonctionnant avec une MPPT dégradée afin de garantir une réserve de puissance. À noter que le fonctionnement des sources EnR en MPPT dégradé entraîne une perte de production. Le choix de constituer une réserve de puissance sur les sources intermittentes sera donc tributaire de critères économiques non abordés ici : la perte de production engendrée ne doit pas être supérieure au gain potentiel obtenu par une meilleure résilience du réseau (c.-à-d. absence de coupure grâce à la participation des EnR à l’équilibre).
Une fois les sources participant au réglage primaire identifiées, les gains de statisme de chacune d’entre elles doivent être judicieusement ajustés de façon à respecter les limites en puissance 𝛿𝑃𝑙𝑖𝑚𝑘 de chacune. Ainsi, pour l’impact dimensionnant 𝛿𝑃𝑐ℎ𝑚𝑎𝑥 :
𝑠𝑘 ≥ 𝛿𝑃𝑐ℎ𝑚𝑎𝑥
𝛿𝑃limk ∙ 𝑠𝑡𝑜𝑡 (3.22)
2. Ajout d’inertie synthétique a. Définition de l’inertie totale
Comme l’a montré l’étude précédente, fixer un statisme maximal ne suffit pas à garantir que la fréquence reste dans les bornes admissibles. Un creux ou un pic de fréquence lors du régime transitoire peut toujours provoquer un délestage.
Il faut donc fixer une inertie globale sur le réseau, qu’il faut atteindre en ajoutant de l’inertie synthétique 𝐻𝑠 à l’inertie naturelle du groupe synchrone 𝐻. Dans un réseau déjà existant, dans
lequel les groupes synchrones sont remplacés par des sources non-inertielles, l’inertie synthétique à rajouter doit correspondre au manque d’inertie naturelle provoquée par ce remplacement. D’une façon générale, en exprimant toutes les inerties (naturelles et
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synthétiques) du réseau selon la puissance nominale 𝑆𝑛 de ce dernier, l’inertie totale doit être
de quelques secondes.
b. Choix des sources et ajustement des inerties synthétiques
L’inertie synthétique doit pouvoir freiner la variation de fréquence dès les premiers instants du déséquilibre. De ce fait, les sources participant à l’inertie synthétique doivent respecter les critères suivants :
- Une dynamique en puissance de l’ordre de la ms.
- Une grande butée en puissance, pour pouvoir envoyer ou absorber un maximum de puissance dès les premiers instants du déséquilibre.
L’ajout d’inertie synthétique correspondant à un surplus de puissance proportionnel à la dérivée de la fréquence, une grande réserve d’énergie n’est pas nécessaire.
De ce fait, les stockages adaptés pour délivrer de l’inertie synthétique sont le super condensateur ou le volant d’inertie, et dans une moindre mesure la batterie d’accumulateurs. Dans les sources d’énergie renouvelables, l’éolienne semble être désignée, par sa possibilité de puiser rapidement dans sa réserve d’énergie cinétique. En revanche, l’ajout d’inertie synthétique directement par le contrôle du groupe diesel ne semble pas avoir un grand intérêt, du fait de la lenteur inhérente au procédé thermique.
L’inertie synthétique de chaque source coopératrice doit être ajustée de façon à respecter les butées en puissance de la source pour l’impact dimensionnant :
𝐻𝑠𝑘 ≤
𝛿𝑃𝑙𝑖𝑚
𝛿𝑃𝑐ℎ𝑚𝑎𝑥∙ 𝐻𝑡𝑜𝑡 (3.23)
3. Ajustement du réglage secondaire
Le réglage secondaire doit être ajusté selon le temps de réinitialisation de la fréquence désirée 𝑡𝑖. Ce temps de réinitialisation est tributaire du temps de réponse des sources s’occupant du réglage secondaire ; il est typiquement de l’ordre de plusieurs secondes, ou de la dizaine de seconde. Le gain intégral secondaire total 𝐾𝑖𝑡𝑜𝑡 doit être fixé sur le micro-réseau
conformément à l’équation (3.11).
Après réglage secondaire, la puissance fournie par les sources coopérant pour garantir l’équilibre doit être permanente jusqu’à un prochain réajustement du plan de puissance. De ce fait, les sources participant au réglage secondaire doivent être en priorité des sources disposant d’une grande réserve d’énergie.
Les batteries d’accumulateurs classiques peuvent tenir ce rôle, mais également les batteries 𝐻2−𝑂2 (tandem électrolyseur – pile à combustible), qui peuvent facilement fournir ou stocker une puissance sur plusieurs heures et même davantage. Pour les sources EnR, les systèmes éoliens et photovoltaïques peuvent assurer le réglage secondaire en cas d’un surplus de production (cas d’un appel de charge négatif), en bridant leur MPPT, ceci tant que les conditions de vent et de d’irradiation solaire le permettent. Elles peuvent également
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participer au réglage secondaire en cas d’appel de charge positif sous réserve d’avoir au préalable bridé la MPPT, ce qui rejoint le dilemme technicoéconomique déjà évoqué pour le réglage primaire.
4. Choix des sources coopératrices : bilan
Le Tableau 3.15 et le Tableau 3.16 résument les considérations précédentes, pour le choix des différentes sources de courant coopératrices pour les différentes étapes du réglage fréquence.
Réserve primaire Fonctions possibles pour 𝜹𝑷𝒄> 𝟎 Fonctions possibles pour 𝜹𝑷𝒄< 𝟎
Éolienne Sans • Ajout d’inertie synthétique • Ajout d’inertie synthétique • Statisme
• Réglage secondaire Avec • Ajout d’inertie synthétique
• Statisme
• Réglage secondaire
• Ajout d’inertie synthétique • Statisme • Réglage secondaire PV Sans / • Statisme • Réglage secondaire Avec • Statisme • Réglage secondaire • Statisme • Réglage secondaire Tableau 3.15. Fonctionnalités conseillées pour les différentes sources EnR intermittentes
Fonctions possibles Super Condensateur • Ajout d’inertie synthétique
• Statisme, si réglage secondaire de l’ordre de quelques secondes Volant d’Inertie • Ajout d’inertie synthétique
• Statisme
Batterie d’accumulateurs • Ajout d’inertie synthétique • Statisme
• Réglage secondaire Pile à combustible • Réglage secondaire
Tableau 3.16. Fonctionnalités conseillées pour les différents moyens de stockage