Brevet FR2928788A1 — publié le 20090918

L'invention est relative à un procédé de régulation pour le maintien de l'équilibre permanent entre la production et la consommation sur un réseau électrique à une fréquence de référence telle que notamment 50 Hz. L'invention concerne également une des installations consommatrices d'électricité pour la mise en oeuvre du procédé, ainsi qu'un dispositif pour le pilotage centralisé d'un groupe de consommateurs pour la mise en oeuvre du procédé. Dans le monde, la plupart des réseaux électriques nationaux sont interconnectés de manière synchrone afin de former un réseau global. En Europe, les membres du réseau sont partenaires de l'UCTE (Union pour la Coordination de la Production et du Transport de l'Electricité) et se sont engagés en signant un accord multilatéral à respecter les politiques de cet organisme. L'intérêt de ce réseau global est, d'une part, de limiter l'impact sur le service assuré dans le cas d'une perturbation telle qu'une défaillance d'un groupe de productions ou encore d'une brusque évolution de la consommation dans un pays membre de l'UCTE, et d'autre part, de satisfaire des programmes d'échanges d'électricité entre membres. Les politiques de l'UCTE sont accessibles sur son site internet sous le document dénommé � Operation Handbook �. Ces politiques visent principalement à assurer un service uniforme sur l'ensemble des membres de l'UCTE, et plus particulièrement une réaction uniforme des groupes de production dans le cas d'un aléa de production ou d'une évolution de la consommation. L'enjeu visé est de maintenir en permanence l'équilibre production/consommation en maintenant la fréquence du réseau proche de sa valeur de référence, à savoir 50 Hz en Europe. En effet, des valeurs de fréquence trop éloignées de la fréquence nominale peuvent être néfastes au bon fonctionnement de certains matériels. Un autre enjeu visé est, bien sûr, le respect des programmes d'échanges entre les différents membres de l'UCTE. 2 Aujourd'hui, dans le cas d'un aléa de production et/ou d'une évolution de la consommation, les politiques de I'UCTE préconisent un réglage dit � fréquence/puissance � sur l'ensemble des groupes de production des états membres. Le réglage de fréquence/puissance consiste en réalité en trois réglages successifs dans le temps, à savoir le réglage primaire de fréquence dont le temps de réponse est généralement compris entre 15 et 30 secondes, le réglage secondaire de fréquence/puissance, dont le temps de réponse est de l'ordre de 3 à 12 minutes, et le réglage tertiaire de fréquence/puissance, dont le temps de réponse est compris entre 15 minutes et 480 minutes. Le réglage primaire de fréquence fait suite à la perturbation, et permet un ajustement rapide de la puissance délivrée par l'ensemble des groupes de production qui participent au réglage primaire du réseau et ainsi un retour rapide de l'équilibre production/consommation. A cette fin, les groupes de production se doivent de ne pas tourner à pleine capacité, permettant la constitution d'une réserve dite primaire. Concrètement, le réglage primaire consiste à agir sur des régulateurs de la vitesse des groupes de production, ce qui a pour incidence de modifier la fréquence réseau (la fréquence étant l'image de la vitesse de ces groupes). A la fin de ce réglage primaire de fréquence, l'équilibre production/consommation est rétabli. Toutefois, la fréquence sur le réseau en est modifiée, et est donc différente de la fréquence nominale 50 Hz, notamment inférieure à cette dernière lorsque les groupes de production sollicitent leur réserve de puissance (e.g. perte d'un groupe), ou au contraire supérieure à la fréquence nominale lorsque les groupes sont sous-exploités (e.g. diminution de la consommation). Par ailleurs, à la fin de cette étape de réglage primaire, les programmes d'échanges entre membres ne sont plus respectés. En effet, dans le cas d'une perte d'un groupe de production sur l'un des états membres, l'ensemble des groupes de production membres de l'UCTE compense cette défaillance. Le réglage secondaire fréquence/puissance vise donc notamment à rétablir ce double dérèglement créé lors du réglage primaire de fréquence, en agissant essentiellement sur la zone de réglage dans laquelle est apparue la perturbation. A cette fin, certains des groupes de cette zone de réglage présentent une réserve dite secondaire. Ce réglage secondaire fréquence/puissance permet : - de retrouver le programme d'échange initialement convenu entre la zone de la perturbation et les zones voisines auxquelles elle est interconnectée et ainsi, - de restaurer l'intégralité de la réserve primaire engagée par les membres de l'UCTE pour pallier un nouveau déséquilibre production/consommation. Ce réglage secondaire est coordonné par un organe centralisé situé au centre de conduite de chaque zone de réglage. En France, par exemple, le RTE a la charge de réglage de la zone France qui inclut non seulement le système électrique français mais également le système électrique ibérique. L'organe centralisé envoie aux groupes de production concernés un niveau de téléréglage notamment compris entre -1 et 1 afin de modifier leur puissance de consigne. En France, ce niveau est déterminé par le CNES. Enfin, le réglage tertiaire fréquence/puissance permet l'utilisation de réserves tertiaires mobilisables, notamment dans le cas d'un éventuel déficit de réserves secondaires, voire d'un accroissement lent de l'écart entre production et consommation. Il existe différents types de réserves tertiaires, contractuellement garanties ou non, mobilisables selon des temps de réponse variant de 15 minutes à 480 minutes. Classiquement, les réserves tertiaires correspondent à la mobilisation des groupes thermiques ou hydrauliques. Le but de la présente invention vise à proposer un procédé de régulation amélioré pour le maintien de l'équilibre en permanence entre la production et la consommation sur un réseau électrique à une fréquence de référence. 4 On entend dans la demande par réglage fréquence/puissance, les réglages primaires de fréquence, secondaires de fréquence/puissance et tertiaires de fréquence/puissance, tels que préconisés par I'UCTE. Un autre but de la présente invention vise à proposer une installation consommatrice d'électricité pour la mise en oeuvre du procédé. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne tout d'abord un procédé de régulation pour le maintien de l'équilibre permanent entre la production et la consommation sur un réseau électrique à une fréquence de référence, telle que notamment 50 Hz, respectivement entre des groupes de production d'électricité et des consommateurs, dans lequel on effectue des réglages dits de fréquence/puissance sur lesdits groupes de production dans le cas d'un déséquilibre production/consommation de telle façon à retourner audit équilibre et plus particulièrement un réglage primaire de fréquence, un réglage secondaire de fréquence/puissance et le réglage tertiaire de fréquence/puissance. Selon l'invention, un ou plusieurs consommateurs participent 20 au réglage primaire de fréquence et/ou au réglage secondaire de fréquence/puissance. L'invention concernera également une installation consommatrice d'électricité pour la mise en oeuvre du procédé alimenté par le réseau. Selon l'invention, l'installation, conforme à l'invention, présente des moyens pour participer au réglage primaire de fréquence et/ou des moyens pour participer au réglage secondaire de fréquence/puissance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe et parmi lesquels : - la figure 1 est un graphique de fonctionnement illustrant le réglage primaire de fréquence d'un groupe de production, selon l'état de la 25 30 technique, la figure 2 est un graphique illustrant le réglage primaire de fréquence ainsi que le réglage secondaire de fréquence/puissance selon l'état de la technique mis en oeuvre dans un groupe de production, -. la figure 3 est un schéma illustrant (pour un consommateur), le réglage primaire fréquence conforme à l'invention, - la figure 4 est un graphique de fonctionnement illustrant la régulation lors du réglage primaire de fréquence par un consommateur, - la figure 5 est un schéma illustrant le principe du réglage secondaire de fréquence/puissance par un consommateur, conforme à l'invention, - la figure 6 est un graphique de fonctionnement illustrant la régulation lors du réglage fréquence/puissance par un consommateur, notamment le réglage primaire de fréquence entre les points A et B, et le réglage secondaire de fréquence/puissance entre les points B et C. La figure 1 est un graphique puissance/fréquence illustrant le réglage primaire de fréquence de l'état de l'art mis en oeuvre par un groupe de production d'électricité. Ce réglage permet ici de répondre à une hausse substantielle de la consommation sur le réseau, ou encore à une perte d'un groupe. Sur ce graphique illustré à la figure 1, la puissance Po est la puissance de consigne du groupe correspondant à la fréquence Fo de référence ou nominale du réseau (e.g. 50 Hz). La puissance PI est la puissance au limiteur du groupe. La pente repérée 1 de la courbe traduit l'énergie réglante K du groupe. Sur cette pente, les variables F de fréquence et P de puissance obéissent à la relation suivante : P ù Po = - K x (F ù Fo). Au niveau d'un réseau, toutes les réserves primaires s'ajoutent. De la même façon, l'énergie réglante totale est la somme des énergies réglantes K; de chaque groupe. On comprend ainsi que l'interconnexion d"un réseau permet de mettre en commun les énergies 5 réglantes et les réserves primaires de tous les pays interconnectés. Ainsi, lors d'une variation de puissance électrique sur le réseau, chaque groupe, dans la limite de sa réserve primaire va contribuer au rétablissement de l'équilibre production/consommation. Par exemple, la perte d'un groupe de production se traduit par une perte de puissance AP ; la fréquence va donc varier selon la formule suivante : AF=-1K; Cette perte va être compensée par les autres groupes de production du réseau. La figure 1 illustre la participation d'un groupe i à l'équilibrage de puissance. Lors de cet équilibrage, la puissance suit la pente de l'énergie réglante pour passer du point A au point B, respectivement de la puissance Po de consigne à la puissance P. A la puissance P, la fréquence F est inférieure à la fréquence de référence Fo du réseau. L'invention est née de la volonté des inventeurs de faire participer aux réglages de fréquence/puissance, non seulement les groupes de production, mais également les consommateurs. L'invention concerne ainsi tout d'abord, un procédé de régulation pour le maintien de l'équilibre en permanence entre la production et la consommation sur un réseau électrique à une fréquence de référence telle que notamment 50 Hz, respectivement entre des groupes de production d'électricité et des consommateurs, dans lequel on effectue des réglages dits de fréquence/puissance sur lesdits groupes de production dans le cas d'un déséquilibre production/consommation de telle façon à retourner audit équilibre, et plus particulièrement un réglage primaire de fréquence, un réglage secondaire de fréquence/puissance et un réglage tertiaire de fréquence/puissance. Selon l'invention, un ou plusieurs consommateurs participent 30 au réglage primaire de fréquence et/ou au réglage secondaire de AP fréquence/puissance. Plus particulièrement, selon un mode de réalisation, ledit consommateur participe au réglage primaire de la fréquence en régulant la puissance appelée en fonction de la fréquence du réseau de telle façon à diminuer la puissance appelée dans le cas d'une diminution de ladite fréquence, ou au contraire à augmenter la puissance appelée dans le cas d'une augmentation de ladite fréquence. Ce procédé peut être mis en oeuvre par une installation consommatrice d'électricité alimentée par le réseau présentant des moyens pour participer au réglage primaire de fréquence. Les moyens pour participer au réglage primaire de fréquence comprennent au moins une boucle de régulation asservissant la puissance appelée par l'installation en fonction de la fréquence du réseau, de telle façon à diminuer la puissance appelée dans le cas d'une diminution de ladite fréquence réseau, ou au contraire, à augmenter ladite puissance appelée dans le cas d'une augmentation de ladite fréquence. Afin d'avoir une influence limitée sur le consommateur, les excursions de puissance lors du réglage de fréquence/puissance peuvent être bornées inférieurement et supérieurement Ce procédé est particulièrement illustré selon le schéma de la figure 3 et le graphique de la figure 4. Plus particulièrement la puissance appelée par le consommateur, notamment l'installation consommatrice peut être bornée inférieurement et/ou supérieurement. Selon l'exemple de la figure 4, la puissance appelée par l'installation est bornée entre une puissance Pmax et une puissance Pmin. La puissance Po correspond à la puissance nominale du consommateur, notamment de l'installation, à la fréquence nominale du réseau Fo. La puissance Pm;n est atteinte pour des fréquences inférieures ou égales à une fréquence FI , inférieure à la fréquence nominale du réseau Fo. La fréquence Pmax est atteinte pour des fréquences supérieures à une fréquence F2, supérieure à la fréquence Fo nominale du réseau. Entre la fréquence FI et la fréquence F2, la pente K de la droite peut être positive comprise notamment entre 3 et 10. On comprend ainsi que la différence Po ù Pm;n constitue une réserve primaire au sens du réglage primaire de fréquence. Entre la fréquence FI et la fréquence F2, la pente de la courbe traduit une énergie réglante consommateur Kc. Aussi, au niveau d'un réseau, on comprend que toutes les énergies primaires s'ajoutent, qu'elles soient issues des groupes de production ou des consommateurs participant conformes à l'invention. De la même façon, l'énergie réglante totale est la somme des énergies réglantes K; de chaque groupe de production et des énergies réglantes Kc de chaque consommateur participant. Ainsi, lors d'une variation de puissance électrique sur le réseau, chaque groupe, mais également chaque consommateur conforme à l'invention, dans la limite de sa réserve primaire, va contribuer au rétablissement de l'équilibre production/consommation. Le procédé conforme à l'invention, selon ce mode de réalisation, permet d'augmenter la réserve primaire totale disponible ainsi que 20 l'énergie réglante totale d'un réseau. La figure 2 illustre le graphique de fonctionnement puissance/fréquence de l'état de l'art sur d'un groupe de production. Plus particulièrement, ce graphique illustre le réglage primaire de fréquence du point A au point B et le réglage secondaire fréquence/puissance du point B au 25 point C. Le réglage primaire de fréquence, déjà développé pour la figure 1 n'est pas redéveloppé. II permet de rétablir rapidement l'équilibre production/consommation. On remarque toutefois qu'à la fin de ce réglage primaire, la fréquence F' est différente, notamment inférieure à la fréquence 30 nominale Fo du réseau. En outre, dans le cas de réseaux interconnectés, les programmes d'échanges ne seront plus respectés. Le réglage secondaire de fréquence/puissance permet de pallier à cette double contrariété en agissant sur les groupes de production de la zone de réglage dans laquelle est apparue la perturbation. Le réglage secondaire de fréquence/puissance consiste à faire varier la puissance de consigne des groupes participant au réglage secondaire fréquence/puissance. Tous ces groupes de production présentent à cet effet une capacité constructive de réglage secondaire et doivent être munis d'un dispositif de contrôle commande intégrant une platine d'exploitation permettant l'asservissement au réglage secondaire fréquence/puissance. Chaque groupe participant au réglage secondaire reçoit de la part d'un centre de conduite un niveau de téléréglage N de commande compris entre la valeur -1 et +1. Il doit modifier la puissance de consigne à la loi P' = Pco + N . Pr, avec - Pco,, la puissance de consigne à la fréquence nominale Fo 15 avec N = O et, - P~ la participation du groupe au réglage secondaire fréquence/puissance. Cela étant, selon un mode de réalisation, un ou plusieurs consommateurs peuvent participer au réglage secondaire de 20 fréquence/puissance en régulant la puissance de consigne appelée en fonction du niveau de téléréglage N dudit réglage secondaire., compris généralement entre -1 et 1. Selon le réglage secondaire consommateur, on augmente la puissance de consigne lorsque le niveau est supérieur à zéro, et on réduit la puissance de consigne lorsque le niveau est inférieur à zéro. 25 A cet effet, l'installation consommatrice conforme à l'invention peut présenter des moyens pour participer au réglage secondaire de fréquence/puissance comprenant des moyens de régulation asservissant la puissance de consigne de l'installation en fonction du niveau de téléréglage N du réglage secondaire. 30 Ce niveau de réglage comprise entre -1 et 1 permet de diminuer la puissance de consigne lorsque le niveau est supérieur à zéro, ou au contraire de l'augmenter lorsque le niveau est inférieur à zéro. Ce mode de réalisation est notamment illustré aux figures selon le schéma de la figure 5 et le graphique de puissance/fréquence de fonctionnement de la figure 6. Sur ce graphique, le point A désigne le point de fonctionnement de l'installation à la puissance nominale, la fréquence Fo, notamment 50 Hz. Lors du réglage primaire de fréquence (e.g. perte d'un groupe), l'asservissement diminue la puissance en fonction de la diminution de la fréquence. A la fin du réglage primaire, le point B est le point de fonctionnement de l'installation à la puissance Pmin et, à une fréquence F' du réseau, inférieur à la fréquence nominale Fo. Le réglage secondaire fréquence/puissance a lieu du point B au point C afin de ramener la fréquence du réseau à sa fréquence nominale Fo. Pour cela, on modifie la puissance de consigne selon la formule suivante : P' = Po ù N.Pr, avec : -Po la puissance de consigne à Fo avec N = 0 du consommateur, notamment de l'installation consommatrice et - P� la participation du consommateur au réglage secondaire fréquence/puissance. E:n France, par exemple, le niveau N de téléréglage est déterminé par le CNES après le calcul d'un terme d'écart. Ce calcul prend en compte l'énergie réglante des consommateurs participant au réglage secondaire fréquence/puissance. Les consommateurs éligibles pour participer au réglable primaire de fréquence et/ou secondaire de fréquence/puissance peuvent être les installations industrielles dont la consommation en électricité est substantielle, et de préférence, stable dans le temps. Les installations consommatrices industrielles peuvent être ainsi modifiées pour participer au réglage primaire de fréquence et/ou au réglage secondaire de fréquence/puissance. Pour le réglage primaire, les installations doivent être notamment équipées d'un régulateur primaire de fréquence afin de permettre le réglage primaire de fréquence. Pour le réglage secondaire, les installations doivent disposer d'une capacité constructive de réglage secondaire notamment d'un dispositif de contrôle commande intégrant une platine d'exploitation permettant l'asservissement au réglage secondaire fréquence/puissance. L'intérêt de la mise en place pour l'industriel du procédé peut être financier, les consommateurs participant pouvant bénéficier d'un contrat avantageux avec le fournisseur d'électricité. Après des études de faisabilité, les inventeurs ont notamment 10 découvert que le procédé trouve une application particulière pour des installations d'électrolyse, notamment d'aluminium. Afin de réguler la puissance appelée par l'installation d'électrolyse, on peut utiliser une des techniques suivantes : - on varie l'écart entre les électrodes, plus particulièrement 15 l'anode et la cathode, on modifie la tension d'alimentation des électrodes, - on plonge plus ou moins les électrodes dans le bain d'électrolyse. L'installation d'électrolyse conforme à l'invention peut être ainsi équipée de moyens pour la mise en oeuvre de tout ou partie des techniques 20 précitées. L'invention peut trouver également une application particulière pour un groupe de consommateurs, tels que des particuliers, ou un groupement d'industriels. A cette fin, le procédé consiste à centraliser les informations 25 (puissance/fréquence) d'un groupe de consommateurs tels que des particuliers et à effectuer le réglage fréquence/puissance notamment primaire de fréquence et secondaire fréquence/puissance, par un pilotage centralisé du réglage fréquence/puissance sur le groupe, par une intervention sur tout ou partie des membres du groupe. 30 A cette fin, l'invention peut concerner également un dispositif pour le pilotage centralisé d'un groupe de consommateurs alimenté par le réseau comprenant plusieurs entrées pour des signaux d'informations de consommateurs: notamment signaux de puissance et de fréquence. Le dispositif présente plusieurs sorties pour des signaux de commande de délestage. Le dispositif présente, en outre, des moyens pour participer au réglage primaire de fréquence et/ou des moyens pour participer au réglage secondaire de fréquence/puissance. Lesdites informations de consommation centralisées (fréquence/puissance) peuvent être issues de compteurs intelligents d'installations domestiques, acheminées par tous moyens de transport d'informations, tels que par exemple le réseau sans fil GSM, le réseau ADSL, le réseau du câble ou autres moyens. Lesdits compteurs intelligents peuvent également recevoir les informations de délestage dudit dispositif et être équipés de moyens (tels que des relais et des contacteurs) de délestage pour diminuer la consommation électrique de l'installation domestique. Ces moyens de délestage peuvent permettre par exemple, de couper partiellement l'alimentation d'une installation de chauffage électrique. Naturellement, d'autres modes et avantages de la présente invention auraient pu être envisagés par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation pour le maintien de l'équilibre permanent entre la production et la consommation sur un réseau électrique à une fréquence de référence, telle que notamment 50Hz, respectivement entre des groupes de production d'électricité et des consommateurs, dans lequel on effectue des réglages dits de fréquence/puissance sur lesdits groupes de production dans le cas d'un déséquilibre production/consommation de telle façon à retourner audit équilibre, et plus particulièrement un réglage primaire de fréquence, un réglage secondaire de fréquence/puissance et un réglage tertiaire de fréquence/puissance, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs consommateurs participent au réglage primaire de fréquence et/ou au réglage secondaire de fréquence/puissance. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit consommateur participe au réglage primaire de fréquence en régulant la puissance appelée en fonction de la fréquence du réseau de telle façon à diminuer la puissance appelée dans le cas d'une diminution de ladite fréquence, ou au contraire à augmenter la puissance appelée dans le cas d'une augmentation de ladite fréquence. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ledit consommateur effectue le réglage secondaire en régulant la puissance de consigne appelée en fonction d'un niveau de téléréglage (N) dudit réglage secondaire, compris entre -1 et 1, de telle façon à diminuer la puissance de consigne lorsque le niveau est supérieur à 0 ou à augmenter la puissance de consigne lorsque le niveau est inférieur à 0. 4. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les excursions de puissance lors du réglage fréquence/puissance sont bornées inférieurement et supérieurement. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel ledit consommateur participant est une installation d'électrolyse. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on centralise les informations de consommation d'un groupe de 14 consommateurs et dans lequel on effectue le réglage dit de fréquence/puissance du groupe de consommateurs par un pilotage centralisée du réglage fréquence/puissance sur le groupe, par une intervention sur tout ou partie des membres du groupe. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lesdites informations de consommation centralisées sont issues de compteurs intelligents d'installations domestiques, lesdits compteurs présentant des moyens de délestage de la consommation appelée par ladite installation domestique. 8. Installation consommatrice d'électricité, notamment installation d'électrolyse, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, alimentée par le réseau, caractérisée en ce que ladite installation présentant, en outre, des moyens pour participer au réglage primaire de fréquence et/ ou des moyens pour participer au réglage secondaire de fréquence/puissance. 9. Installation selon la revendication 8, dans laquelle les moyens pour participer au réglage primaire de fréquence/puissance comprennent au moins une boucle de régulation asservissant le puissance appelée par l'installation en fonction de la fréquence du réseau de telle façon à diminuer la puissance appelée dans le cas d'une diminution de ladite fréquence réseau, ou au contraire, à augmenter ladite puissance appelée dans le cas d'une augmentation de ladite fréquence. 10. Installation selon l'une des revendications 8 ou 9, dans laquelle les moyens pour participer au réglage secondaire de fréquence/puissance comprennent des moyens de régulation asservissant la puissance de consigne de l'installation en fonction d'un niveau de téléréglage (N) dudit réglage secondaire, compris entre -1 et 1, de telle façon à diminuer la puissance de consigne lorsque le niveau est supérieur à 0 ou au contraire, à augmenter la puissance de consigne lorsque le niveau est inférieur à 0.