Production d’énergie éolienne : Le voyage vers un avenir plus vert
Le changement climatique est un problème mondial pressant, et avec les preuves scientifiques sans équivoque montrant le rôle direct de l’Homme dans le réchauffement climatique, l’adoption de sources d’énergie propres a considérablement augmenté. Les énergies éoliennes, à elles seules, devraient produire 113,43 gigawatts (GW) d’électricité en 2020, soit plus du double de 2013. À ce rythme, les chiffres devraient atteindre 404,25 GW d’ici 2050.
Bien que l’énergie verte soit une option très intéressante, il est également important de préciser que la production d’énergie éolienne présente quelques problèmes. Les informations relatives à ces problèmes et solutions aideront les développeurs, concepteurs et exploitants de centrales éoliennes.
1. Des harmoniques
Les harmoniques sont un sujet de préoccupation depuis un certain temps, à commencer par l’introduction des systèmes à courant continu haute tension (CCHT) dans le réseau à partir des années 80. Les injections d’harmoniques déforment les courants normaux dans le réseau, à l’origine de niveaux de tension plus élevés et de températures dangereuses dans les transformateurs qui peuvent avoir un impact négatif sur les performances. Comme pour les charges et les vibrations erratiques, la chaleur associée aux harmoniques crée souvent des problèmes de gazage, et donc des dégâts conséquents.
Dans les années 80, des variateurs de vitesse ont été installés dans les installations des clients industriels pour remplacer les moteurs à induction conventionnels, entraînant ainsi la circulation de niveaux élevés d’harmoniques dans le système. L’arrivée de l’énergie renouvelable a aggravé la situation. Pour éviter d’injecter des harmoniques de façon excessive, les services d’électricité ont adopté un régime très strict pour s’assurer que les clients industriels appliquent des filtres harmoniques appropriés dans leurs systèmes de distribution. La norme IEEE 519 a été élaborée pour limiter explicitement les harmoniques, avant même que les sources d’énergie propres ne prennent de l’ampleur aux États-Unis. À ce jour, cette norme est un bon outil pour les services d’électricité et les clients industriels qui cherchent à contenir les harmoniques en appliquant des filtres aux endroits appropriés de leurs installations.
La norme CEI, elle aussi, contient de nombreuses informations à ce sujet, bien que son approche soit différente de la norme IEEE 519 en limitant la circulation de courant harmonique. La CEI impose des restrictions sur les équipements qui produisent des courants harmoniques, ce qui fait qu’il est de la responsabilité du fabricant de l’équipement de limiter la génération d’harmoniques.
2. Ferrorésonance
Par nature, les parcs éoliens occupent de grandes superficies, environ trois quarts d’acre pour chaque mégawatt (MW), puisque les éoliennes doivent être suffisamment espacées les unes des autres pour assurer un fonctionnement sûr. Chaque unité de production est généralement conçue pour produire entre 500 kW et 2 MW. Certaines peuvent atteindre un rendement de 9,5 MW. De nombreuses unités sont nécessaires pour que la capacité de production totale de l’exploitation soit dans une plage raisonnable, ce qui signifie que de longs câbles doivent raccorder les unités entre elles à une barre omnibus de capteur solaire commun, connectée au réseau par un transformateur élévateur.
Dans certaines conditions, une résonance harmonique peut se produire, soit une réactance magnétisante du transformateur et de la capacité du câble. Ce type de résonance est appelé « ferrorésonance » et peut faire monter la tension du système à des niveaux dangereux. Cette situation peut être évitée en respectant les considérations pertinentes lors de la conception du système et de l’exploitation de l’usine.
3. Impact du transformateur
Le risque de surchauffe est particulièrement présent pour les petits transformateurs de chaque turbogénératrice et pour le grand transformateur élévateur principal, entre la barre omnibus du capteur solaire collecteur et le réseau.
Certaines normes, telles que la IEEE C57-110, peuvent permettre de déterminer si le calibre du transformateur est adapté pour gérer les harmoniques. En fonction des résultats produits par les calculs, généralement effectués par un logiciel d’études de systèmes tel que ASPEN, CAPE, SKM ou encore ETAP, il peut être nécessaire de déclasser les transformateurs. Les calculs peuvent se révéler très utiles avant de prendre des décisions impliquant des achats, car un calibre approprié peut être déterminé dès le départ.
Les petits transformateurs de 480 V doivent être capables de gérer les effets des courants harmoniques. Les transformateurs de 600 V maximum sont commercialisés avec un facteur K et certifiés UL. Ces facteurs K déterminent le niveau des courants harmoniques que ces transformateurs peuvent supporter. Un facteur K égal à zéro signifie que le transformateur n’est pas adapté pour faire circuler un courant harmonique. Un logiciel, qui peut calculer les capacités de gros transformateur, peut probablement aussi déterminer le facteur K nécessaire pour chacun de ces transformateurs à partir des résultats de la simulation.
En plus des harmoniques, les transformateurs des parcs éoliens sont soumis à d’autres contraintes, telles que les charges erratiques et, dans certains cas, les vibrations. Tous ces facteurs peuvent causer des problèmes majeurs.
4. Protection de relais
Le principal problème avec la conception des relais n’est autre que les faibles contributions au courant de défaut des convertisseurs. Pour les défauts au sein d’une installation, la contribution au courant de court-circuit du réseau est adéquate. Cependant, la contribution des éoliennes à convertisseur est de 3 à 4 fois plus importante que le courant nominal du convertisseur pendant 4 à 6 cycles. Puis, après 4 à 6 cycles, la contribution retombe à 1,1-1,4 fois le courant nominal du convertisseur.
Ce niveau et cette durée de courant de court-circuit sont normalement adéquats pour le fonctionnement instantané de relais tels que les relais à distance de zone 1, les différentiels de transformateur, le différentiel de courant de ligne et les éléments de protection instantanée. Ces niveaux de courant de court-circuit complexifient l’obtention d’un schéma de protection coordonné temporel. Pour déclencher les générateurs en cas de défaut, il est normalement nécessaire de mettre en œuvre des télédéclenchements directs en raison d’un manque de niveaux de courant de défaut adéquats après 3-6 cycles. Certains fabricants ont recommandé des schémas de protection qui utilisent la messagerie GOOSE, conformément à la norme CEI 61850, au lieu d’utiliser le déclenchement direct par câble.
Un autre problème est que la composante inverse est absente de la contribution du courant de défaut des convertisseurs. Cela entraîne des problèmes supplémentaires de protection.
5. Inertie
L’inertie dans un système d’alimentation provient d’équipements lourds, tels que les turbines à vapeur ou à gaz. Un réseau qui comporte des centrales électriques avec peu ou pas d’inertie présente une instabilité, des problèmes de qualité d’énergie, et une sensibilité importante aux conditions déphasées.
Par exemple, lorsqu’un générateur conventionnel fonctionne en synchronisation avec le réseau hôte, la fréquence du générateur et celle du réseau sont les mêmes. En cas de demande soudaine de charge, la fréquence du réseau a tendance à diminuer très rapidement. Cependant, en présence de masse rotative significative (des générateurs conventionnels, par exemple), la vitesse de variation ralentit et la stabilité du système est maintenue.
Pour les centrales éoliennes qui disposent de convertisseurs entre le générateur à induction et le réseau, l’éolienne est découplée du réseau. Cela signifie qu’il n’y a pas d’inertie pour participer à la réduction de la vitesse de variation de fréquence.
Lorsque plusieurs générateurs conventionnels sont remplacés par des générateurs d’énergie éolienne, les réseaux font face à une inertie du système réduite. L’une des solutions consiste à installer des condenseurs synchrones entre le réseau et les convertisseurs associés aux éoliennes. De plus, des recherches sont en cours sur plusieurs autres solutions pour résoudre ce problème. La plupart de ces solutions se concentrent sur l’émulation de la réponse inertielle dans les boucles de contrôle des convertisseurs.
Le moment est venu pour une énergie plus propre
Les États-Unis ont enfin entamé une révolution de l’énergie propre. Pour cela, l’industrie électrique doit absolument résoudre ces problèmes de performance des centrales éoliennes en passant par une planification, une formation et une allocation des ressources appropriées.
Vous souhaitez en savoir plus sur l’intégration des énergies renouvelables pour un avenir plus vert ? Rejoignez-nous pour développer vos connaissances sur les harmoniques, les protections et de nombreux autres sujets.