Tenue face au creux de tension

La capacité des éoliennes à tenir face aux creux de tension dépend du type de machine utilisée. La capacité des éoliennes avec MAS ou avec MADA est considérablement différente de celle des systèmes de production ayant des générateurs synchrones conventionnels. Cela ne posait pas de problèmes majeurs il y a quelques années quand le taux de pénétration éolienne n’était pas important. Les CTR n’exigeaient donc pas aux éoliennes de soutenir le réseau pendant les périodes de défaut, permettant ainsi la déconnexion cette production suite à des creux de tension. Aujourd’hui, avec la croissance de la génération éolienne, une déconnexion de cette production conduit à augmenter d’une façon importante les perturbations sur le réseau. C’est pourquoi, comme indiqué dans la section 2.5.4, les nouvelles CTR ont évoluées et exigent que les éoliennes aient la capacité à tenir face aux creux de tension et de participer à la restauration de la tension en fournissant de la puissance réactive.

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Nous analysons par la suite la capacité de chacune des technologies éoliennes à respecter ces exigences.

2.6.5.1 Eolienne avec MAS

Les éoliennes à vitesse fixe, contenant des machines asynchrones à cage d’écureuil ont, en général, la capacité à tenir face aux courants élevés qui transitent pendant le creux de tension en raison de leur grande capacité thermique. Elles peuvent tenir face à un creux de tension avec succès à condition qu’elles soient magnétisées suffisamment rapidement pour produire assez de couple résistif et éviter les survitesses. Ces éoliennes n’ont pas la capacité à participer au réglage de tension. Au contraire, pendant la perturbation, ce type de machine a une demande élevée de puissance réactive. Ceci peut même mener à l'effondrement de la tension dans le cas d’un réseau faible.

Le comportement des éoliennes à vitesse fixe face aux creux de tension dans les réseaux insulaires est analysé dans quelques publications :

• McArdle examine le comportement lors d’un défaut de 300 ms dans le réseau 110 kV d’Irlande. Elle analyse deux scénarii possibles : défaut près des parcs éoliens et défaut éloigné des parcs. On observe que les éoliennes sont déconnectées dans le premier cas à cause d’une survitesse [McArdle, 2004] ;

• Des simulations réalisées dans le réseau de Corse étudient la sensibilité des éoliennes à vitesse fixe face au creux de tension. Pendant les creux de tension, la vitesse de rotation de ce type de machines augmente d’une façon importante et peut amener facilement à la perte de synchronisme. Cette perte de synchronisme est plus facilement atteinte avec l’augmentation du taux de pénétration de la production éolienne. On note aussi que les éoliennes restent plus longtemps connectées lorsqu’elles fonctionnent en dessous de leur puissance nominale [Martigne, 1999] ;

Un moyen de résoudre le problème de consommation de puissance réactive pendant le creux de tension est l’utilisation de compensateurs dynamiques de puissance réactive, principalement le STATCOM. Ces compensateurs peuvent fournir la puissance réactive nécessaire pour conserver la tension à une valeur donnée ainsi que pour atténuer les creux de tension.

2.6.5.2 Eolienne avec MS

Les éoliennes avec MS sont bien connues par son bon comportement face au creux de tension. Plusieurs études confirment le bon comportement de ce type d’éolienne en creux de tension. On voit que le bon comportement est possible grâce à :

• Une magnétisation indépendante réalisée par l’intermédiaire d’une excitation électrique ou d’aimants permanents ;

• Un découplage total entre le réseau et le générateur grâce au convertisseur de fréquence dimensionné pour les courants élevés qui peuvent circuler pendant les défauts.

Dans les réseaux insulaires, le comportement des éoliennes avec MS face aux creux de tension a été analysé par Garzulino [Garzulino, 1999]. Il a simulé plusieurs événements dans le réseau de Guadeloupe pour divers types de machines et différents taux de pénétration éolienne. Il a constaté que le creux de tension est l’événement le plus contraignant pour atteindre une forte pénétration de la production éolienne. Il remarque l’importance de la technologie éolienne utilisée, et spécialement le type de machine électrique. En effet, les simulations ont permis de démontrer que l’exploitation du réseau avec des éoliennes ayant de machines synchrones à entrainement direct permet d’augmenter le taux de pénétration éolien. Cela grâce à l’absence d’absorption de réactif après l’élimination des défauts.

2.6.5.3 Eolienne avec MADA

La tenue face aux creux de tension de ces machines exige l’utilisation d’un système de protection avancé. En effet, la puissance des convertisseurs est de seulement 30% de la puissance de la machine, les convertisseurs sont très sensibles au courant et peuvent être exposés pendant la durée du défaut à des courants élevés. Aujourd’hui le problème est résolu grâce à l’incorporation d’éléments de protection, appelés crowbars, limitant le courant au rotor de la MADA [G.Tsourakis, 2006], [J.Morren, 2006], [Akhmatov, 2003]. La Figure 2.14 montre l’emplacement du crowbar.

40 MADA Crowbar CRT CRS Contrôle MADA T_m Réseau

Figure 2.14 : Représentation de la MADA avec crowbar

Les crowbars sont composés d’interrupteurs statiques d’électronique de puissance qui mettent en court circuit le rotor au travers de résistances. La MADA devient alors une machine asynchrone conventionnelle avec une résistance rotorique plus grande qui réduira la valeur du courant dans le rotor. Notons que le crowbar est contrôlé de façon à s’activer uniquement pendant la durée du défaut et ainsi éviter la circulation de courants importants à travers les convertisseurs. Quand le crowbar est déclenché, le convertisseur coté rotor (CRT) est désactivé et les puissances active et réactive de la machine ne peuvent plus être contrôlées. La magnétisation du générateur dans ce cas est réalisée par le stator, au lieu de l'être par le rotor. Du fait que le convertisseur coté réseau (CRS) ne soit pas directement relié aux enroulements du générateur où des courants transitoires élevés se produisent, ce convertisseur n'est pas bloqué par la protection, permettant ainsi un fonctionnement comme compensateur statique synchrone (STATCOM), avec une production limitée de puissance réactive. Le crowbar peut être déconnecté après un temps prédéfini ou selon d’autres critères tels que le niveau de tension du réseau. Quand le crowbar est déconnecté, le CRT est reconnecté et la commande de la puissance active et réactive est à nouveau réalisable.

Plusieurs auteurs ont étudié le fonctionnement et les avantages du crowbar dans les éoliennes équipées d’une MADA. Seman a comparé le comportement transitoire d’une MADA de 1,7 MW lors d’un court circuit triphasé avec et sans crowbar. Il démontre l'importance d’avoir un crowbar lorsqu’un défaut sur le réseau se produit, afin de protéger le circuit du CRT ainsi que le rotor [Seman, et al., 2004]. On peut observer dans ses résultats que les courants du stator et du rotor reviennent rapidement à des valeurs en dessous de 1 p.u.,

contrairement au cas où il n’y a pas de crowbar. Une validation expérimentalement des résultats de ces simulations a également été réalisée [Seman, et al., 2006].

Hansen détermine en simulation le comportement de divers variables d’une éolienne à vitesse variable de 2 MW en fonction de la résistance de protection intégrée dans le crowbar [Hansen et Michalke, 2007]. Les résultats montrent que :

• Pour une même vitesse de rotation, l’augmentation de la résistance du crowbar a un effet positif sur la stabilité dynamique du réseau car elle améliore la caractéristique du couple et réduit la demande de puissance réactive du générateur;

• L’augmentation de la résistance du crowbar entraîne que le couple de décrochage ou couple maximal admissible du générateur corresponde à une vitesse de rotation plus élevée et réduit les valeurs crêtes de courant du rotor et du couple électromagnétique au moment où se produit le défaut ;

• Une résistance dans le crowbar trop élevée peut cependant impliquer un risque de courant excessif au rotor ainsi que des transitoires de couple et de puissance réactive quand le crowbar est désactivé.