2.1 Les interfaces de puissance – cas particulier d’une PEM
2.1.1 Rôle des interfaces
Comme on l’a dit précédemment, l’énergie électrique produite par la PAC l’est sous forme d’une tension continue basse et d’un courant fort. Il est donc nécessaire d’intercaler, entre l’unité de production et l’application, une interface permettant l’adaptation des caractéristiques des PAC aux caractéristiques de l’application. L'interface sert donc de tampon entre deux entités : la source primaire et l’application (réseau ou charge indépendante). Elle est donc soumise à des contraintes des deux cotés (Voir Figure 2.1 ).
INTERFACE APPLICATION
Caractéristiques électriques, mode de fonctionnement et contraintes de la PAC Normes et contraintes de la charge ou du réseauPAC
Figure 2.1 Contraintes de l’interface de puissance
De plus, ces interfaces vont permettre d’ajouter de nouvelles fonctions à ces unités de production du point de vue de la sécurité, de la qualité et de la gestion d’énergie.
Ainsi les interfaces seront utilisées principalement pour : • Adapter les caractéristiques de tension.
• Optimiser les performances de la PAC.
• Gérer la quantité et la qualité de l’énergie produite, stockée ou fournie.
Sur ces deux derniers aspects, la gestion d’énergie faite par l’IP est cruciale. Ainsi, sa
fonction peut se résumer par :
• l’optimisation de la transformation et du transfert de l'énergie primaire (choix du
mode de fonctionnement, contrôle des grandeurs physiques à travers les grandeurs électriques...) tout en respectant les demandes de la charge d’une manière optimale.
2.1.1.1 Contraintes imposées par l’application
Les contraintes dépendent énormément de l’application. Il serait donc impossible de lister
en détail les contraintes inhérentes à toutes les applications possibles : bus, tramway, ASI, soutien de poste, système de stockage etc.…. Cependant, on peut lister les principaux aspects imposés par la plupart d’entre elles [Cru-01][P-1547][Min-00] :
• Tension de raccordement (niveau et fréquence). • Respect des limites de courant de court-circuit. • Conditions de connexion et déconnexion.
• Puissance active et réactive (positives et négatives). • Respect de l’intensité maximale des ouvrages du réseau.
• Qualité de l'énergie : Harmoniques de tension et courant, niveau de comptabilité harmonique, déséquilibre de tension…
• Conditions de la mise à la terre.
CHAPITRE 2 - L’INTERFAÇAGE DE PUISSANCE D’UN GENERATEUR A PAC
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-A titre d’illustration, les tableaux suivants listent sommairement les contraintes pour le raccordement au réseau électrique français d’un système de 100 kW. Cela donne une idée de la nature des contraintes imposées par l’application.
Tension de raccordement Basse tension, triphasée 230 V
Energie réactive Pouvoir fournir jusqu'à 40 % de l’énergie apparente
Maintien de la tension Variations lentes à 95 % du temps : entre –10% et + 6%
Variations rapides : entre ±5%
Fréquence 50 Hz moyennée sur 10 s. Variations à 95 % du temps : 1%
Surtensions < 6 kV crête
Mode de connexion
L’unité ne doit pas provoquer une variation de ± 5% de la tension nominale.
Elle ne pourra pas se raccorder si la tension et la fréquence sont hors des intervalles : [253-203] V et [49.4-50.4] Hz
Niveau de
compatibilité Tableau 2.2 pour la tension
Injection des
harmoniques Tableau 2.3 pour l’intensité
Injection de composante
continue.
L’intensité fournie au réseau ne doit pas avoir une composante continue supérieure à 0.5 % de la valeur du courant fourni au réseau.
Déséquilibre de la tension engendre par le producteur
Le rapport entre la composante indirecte et celle direct doit être inférieur au 2 %, moyennée sur 10s.
Qualité de l’onde
Papillotement Pt ≤ 1
Conditions de la mise à la terre
Le neutre de basse tension ne doit pas être raccordé à la terre dans l’installation de production tant qu’elle est reliée au réseau. Ceci implique un asservissement entre la mise à la terre du neutre et le couplage pour le passage en réseau isolé.
Régulation Régulation en courant (Pas de Régul. en tension ni en fréquence)
Protection de découplage en cas de défaut sur le réseau
• 3 relais de tension à action instantanée, entre phase et neutre réglés à 85 % V
• 1 relais de tension à action instantanée, entre phase et neutre réglé a 110% V
• 1 relais de fréquence 49.5 50.5 Hz à action instantanée, raccordé entre phase et neutre
Protection de découplage en cas de défaut chez le client
Définie par la norme C14 – 100 pour la basse tension
Tableau 2.1 Synthèse des normes pour le raccordement au réseau électrique français d’un générateur de 100 kW
Le calcul du Taux de Distorsion Harmonique (THD) d’une variable quelconque est donné par l’équation (2.1).
CHAPITRE 2 - L’INTERFAÇAGE DE PUISSANCE D’UN GENERATEUR A PAC -50 -fond i i X X X THD
∑
∞ = = 2 2 (2.1) Où : Xfond est le fondamental de la variable X.Harmoniques impairs
Non multiple de 3 Multiple de 3 Harmoniques pairs
Rang Tension relative Rang Tension relative Rang Tension relative
5 6% 3 5% 2 2% 7 5% 9 1.5% 4 1% 11 3.5% 15 0.5% 6…24 0.5% 17 2% 21 0.5% 19 1.5% 23 1.5% 25 1.5%
Le THD global pour les rangs de 2 à 40 ne doit pas dépasser 8 %
Tableau 2.2 Valeurs admissibles maximales des harmoniques de la tension au point de raccordement
Distorsion harmonique maximale admissible de courant *
Ordre de
l’harmonique impair <11 11≤ h <17 17≤ h <23 23≤ h <35 35 ≤ h THD
Valeur relative % 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
* Valeur maximale ramenée au fondamental du courant fourni par le poste source en l'absence d’un système de génération dispersée.
Tableau 2.3 Valeurs admissibles maximales des harmoniques de l’intensité fournie au réseau
2.1.1.2 Contraintes imposées par la PAC
Les principales contraintes imposées par la PAC sont décrites ci-dessous :
• Limitation dynamique. La réponse électrique de la PAC est limitée par la manière de
fournir les réactifs chimiques. Les constantes de temps correspondantes, généralement mécanique ou hydraulique, sont très grandes par rapport aux constantes de temps. Ainsi, les variations de la puissance de référence demandées à la PAC doivent être limitées pour assurer dans tous les cas un taux de réactifs correct.
Cette sécurité est implantée à travers le contrôle commande de l’IP.
• Limitation des ondulations du courant. Pour ne pas endommager la PAC ni réduire
sa durée de vie, son courant de sortie doit être le plus lissé possible.
Pour réduire les ondulations, plusieurs options sont possibles : placer un condensateur aux bornes de la PAC, travailler à une fréquence élevée de découpage pour le hacheur ou encore utiliser une inductance série élevée.
CHAPITRE 2 - L’INTERFAÇAGE DE PUISSANCE D’UN GENERATEUR A PAC
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-Egalement, l’interface doit réagir en limitant la puissance fournie par la PAC, si ses conditions physiques de fonctionnement (Température, tension…) sortent de leurs gabarits de sécurité.
L’allure de la référence de la PAC joue un rôle important, car c’est un facteur essentiel influant sur la durée de sa vie. Actuellement, du fait d’un faible retour d’expérience, on n’est pas en mesure de corréler parfaitement durée de vie d’une part et puissance demandée et qualité des courants, d’autre part. Toutefois, on est en mesure d’affirmer que certains aspects comme garantir des consignes les plus constantes possibles favorisent une durée de vie plus longue. Le contrôle commande joue donc un rôle crucial, car il détermine la référence à suivre.
2.1.1.3 Résumé :
Compte tenu de toutes ces exigences, l’IP a principalement trois fonctions à assurer qui conditionnent l’architecture de l’IP:
• Elever la tension de la PAC à une tension qui permet sa connexion à l’application.
• Transformer l’énergie continue de la PAC en énergie alternative.
• Contrôler l’énergie fournie par la PAC.