Brevet FR3074975A1 — publié le 20190614

PROCEDE DE REGULATION DE PUISSANCE GENEREE PAR UNE FERME EOLIENNE La présente invention a pour objet un procédé de régulation de puissance générée par une ferme éolienne. Une ferme éolienne comprend au moins une turbine de ventilation éolienne et, le plus souvent, une multitude de turbines de ventilation éolienne. De façon connue, chaque turbine transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique, à destination principalement d'un réseau électrique. 1 o Dans un système électrique, la fréquence est l'image de l'équilibre offre- demande. Quand la production électrique est supérieure (inférieure) à la consommation à un instant t, la fréquence du réseau a tendance à augmenter (diminuer). Afin d'assurer le bon fonctionnement du système électrique ainsi que la sûreté des matériels et des personnes, la fréquence doit être réglée aux 15 alentours de sa valeur nominale, qui est par exemple 50 Hz en Europe. Actuellement, les services nécessaires au réglage de la fréquence sont réalisés essentiellement par les producteurs conventionnels (en charge de la production telle qu'issue de l'hydraulique, du nucléaire, etc.). Les producteurs d'énergies de type « énergies renouvelables fatales » (éolien, photovoltaïque, 20 etc.) en sont dispensés. Ces services de réglage de fréquence ont pour but d'aider à stabiliser la fréquence du réseau autour de la fréquence nominale. Pour ce faire, les producteurs qui y participent doivent être capables de moduler leurs puissances produites en fonction de la variation de la fréquence sur le réseau. 25 Cette dernière est l'image de l'équilibre de la production-consommation d'un système électrique. Par exemple, la fréquence peut descendre en dessous de sa valeur nominale quand la production instantanée d'électricité est inférieure à la consommation du système. Dans ce cas, afin de garantir la sécurité du réseau, les producteurs participants au réglage de fréquence doivent pouvoir 2 augmenter temporairement leurs puissances produites jusqu'à ce que la fréquence retourne à la valeur nominale et vice-versa. Comme déjà indiqué, jusqu'à présent, les producteurs d'énergie éolienne sont dispensés de réguler la fréquence produite par la ferme éolienne. 5 Néanmoins, avec le développement massif des énergies renouvelables sur les réseaux électriques, il est de plus en plus souvent demandé à ces installations de participer au réglage de la fréquence. Cela nécessite donc un pilotage de la production de ces installations en fonction de la fréquence du réseau électrique. 1 o Une difficulté supplémentaire à laquelle est confronté un producteur d'électricité est qu'il n'a pas accès à l'ensemble des contrôles-commandes de la ferme éolienne, que seul le constructeur de la ferme peut adapter. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de régulation d'une 15 puissance générée par une ferme éolienne reliée électriquement à un réseau électrique et comprenant au moins une turbine de ventilation, le procédé comprenant une étape de commande de production de ladite puissance à une puissance, dite puissance de consigne à un instant donné, la puissance de consigne dépendant d'une variation de fréquence dudit réseau électrique, la 20 puissance de consigne étant déterminée à partir d'une puissance disponible pour ladite au moins une turbine de ventilation éolienne, le procédé comprenant une étape d'estimation de ladite puissance disponible de turbine, dite puissance disponible de turbine. Le procédé selon la présente invention permet une régulation de la 25 puissance de la ferme éolienne, sans recours à un moyen de stockage, ni modification des contrôles-commandes installés par les constructeurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, la puissance disponible de turbine est déterminée pour une vitesse de vent donné à partir d'une analyse 3 de puissances électriques produites par ladite au moins un turbine de ventilation mesurées pendant un intervalle de temps donné. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape d'estimation d'une puissance disponible de la ferme éolienne, dite 5 puissance disponible de ferme à partir de la puissance disponible de turbine. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape de correction de la puissance disponible de ferme en tenant compte d'une erreur d'estimation, de sorte à obtenir une puissance corrigée. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape de correction comprend 1 o une étape de comparaison de la puissance disponible de ferme à une puissance mesurée, de sorte à déterminer l'erreur d'estimation. Selon une autre caractéristique de l'invention, la puissance de consigne dépend d'une puissance de réglage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la puissance de consigne est 15 déterminée par la relation suivante : P'f(t) = Pf'me marge(t) - [PR + S(t)], OÙ Pferme marge (t) est la puissance corrigée, PR est une puissance électrique de réserve allouée au réglage de fréquence, et S(t) est la puissance de réglage de fréquence. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape 20 préalable de filtrage de données à l'étape d'estimation de puissance disponible de turbine. L'invention a également pour objet un programme d'ordinateur comprenant une suite d'instructions mettant en oeuvre les étapes du procédé de régulation tel que décrit précédemment lorsqu'elles sont exécutées par un processeur. 25 L'invention a également pour objet un support de stockage non transitoire lisible par ordinateur comprenant un programme d'ordinateur tel que décrit précédemment. 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un ordinogramme d'un procédé de régulation selon 5 la présente invention ; - la figure 2 illustre des points de puissance mesurée en fonction d'une vitesse de vent ; - la figure 3 est une courbe issue des mesures de la figure 2 ; et - la figure 4 illustre une courbe de prise en compte d'une erreur 1 o d'estimation du procédé de la figure 1. L'invention a pour objet un procédé de régulation 1 d'une puissance électrique fournie par une ferme éolienne 2. Comme visible sur la figure 1, la ferme éolienne 2 comprend au moins une turbine de ventilation éolienne 3. 15 La ferme 2 est reliée électriquement à un réseau électrique 4 dont une fréquence nominale est notée f0. La fréquence nominale est égale à 50 Hz en France. Comme visible sur la figure 1, le procédé comprend une étape 10 de commande de production de puissance électrique à une puissance électrique 20 de consigne P'f(t), où t est un temps donné. L'étape 10 de commande de production à la puissance de consigne P'f(t) comprend une étape 11 d'estimation d'une puissance maximale disponible pour l'une des turbines 3, notéeP - turbine (t). L'étape 10 comprend également une étape 12 de calcul d'une puissance 25 maximale disponible pour la ferme éolienne 2, notée P - f erme (t). L'étape 10 comprend ensuite une étape 13 de prise en compte d'une erreur d'estimation, ce dont il résulte une puissance corrigée, notée P - ferme marge (t) . 5 L'étape 10 comprend également une étape 14 de contrôle de réglage de fréquence, à l'issue de laquelle la puissance électrique produite par la ferme est à la puissance de consigne, P'f(t). Etape d'estimation de la puissance disponible de chaque turbine 5 L'étape 11 a lieu pour chacune des turbines 3. L'étape 11 fournit pour chaque turbine 3 et à chaque instant t la puissance disponible estimée en fonction de la vitesse du vent mesuré sur une nacelle de la turbine 3 associée. Pour ce faire, on définit N classes de vent, noté V, chaque classe 1 o correspondant à une vitesse donnée. Par exemple, sur la figure 2, une classe de vent est prise tous les 1 m.s-1 On note que plus N est grand, plus l'estimateur est précis. L'étape 11 comprend une étape de recueil de données historiques sur un intervalle de temps donné, appelé temps de recueil. 15 L'intervalle de temps donné est de préférence le plus long possible, au minimum un mois, à un pas le plus fin possible, au plus par exemple de 30 secondes, par exemple à la seconde (cela correspond à l'échantillonnage de réception de la consigne de fréquence). Les données historiques correspondent à des données mesurées de 20 grandeurs physiques de la ferme éolienne 2. Les grandeurs physiques comprennent au moins la vitesse du vent au niveau de la nacelle de chaque turbine, comme déjà indiqué. La vitesse du vent peut être par exemple déterminée par un anémomètre disposé sur la nacelle. 25 Les grandeurs physiques comprennent également une puissance électrique produite par chaque turbine, notée P. 6 La figure 2 illustre chaque point p de puissance P mesurée dans chaque classe de vent V durant le temps de recueil. L'étape 11 comprend également une étape de calcul d'une valeur moyenne de puissance pour chaque classe de vent V. 5 Sur la figure 3, une courbe C reliant chaque moyenne représente la puissance disponible pour la turbine considéréeP - turbine (t). On note qu'avantageusement, l'étape 11 d'estimation de la puissance disponible pour chaque turbine 3 comprend également une étape préliminaire 15 de filtrage de données aberrantes, selon des règles de filtrage 1 o prédéterminées. L'étape 15 permet de supprimer des points qui ne correspondraient pas à un fonctionnement normal de la turbine, tels que des points aberrants liés aux erreurs de mesure, une indisponibilité de la turbine, ou un régime transitoire entre une indisponibilité et le régime normal. 15 Le filtrage peut par exemple s'opérer sur un angle de calage de pales de la turbine. En-dessous d'une certaine vitesse de vent (15 m.s-1 par exemple), on élimine avantageusement les valeurs de puissance mesurées pour des anges de calage supérieurs à un angle seuil, tel que 25° par exemple. 20 Un angle de calage important correspond à une indisponibilité de la turbine ou à une transition d'un état indisponible à un fonctionnement normal, et la puissance mesurée à cet angle ne doit donc pas être prise en compte. Etape d'estimation de la puissance disponible de la ferme éolienne L'étape 12 de calcul d'une puissance disponible pour la ferme éolienne 2, 25 Pferme (t) comprend une étape de calcul d'une somme des puissances disponiblesP - turbine (t) déterminées pour toutes les turbines 3, selon l'équation suivante : 7 Pferme(t) - Pturbinei(t), OÙ Pturbine (t) correspond à la turbine numéro i. Etape de prise en compte d'une erreur d'estimation L'étape 13 de prise en compte d'une erreur d'estimation permet d'affiner le calcul de la puissance de consigne. 5 L'erreur d'estimation ou marge est déterminée au préalable, et notée M. Le calcul de la marge de puissance nécessaire pour couvrir l'erreur d'estimation résulte d'une analyse statistique sur les données historiques de puissance de production mesurées, notées Pmes comparées aux données estimées de production sous les mêmes conditions que les vents mesurés. io La figure 4 illustre un exemple de calcul de marge. L'ordonnée de la figure 4 correspond à l'erreur absolue entre la mesure et l'estimation et s'écrit : =1Pferme Pinstallée OÙ Pinstallée représente la puissance installée (c'est-à-dire la capacité) de la ferme éolienne. 15 La marge est exprimée en p.u, c'est-à-dire par unité de puissance éolienne produite. L'abscisse de la figure 4 indique un pourcentage du temps pour lequel l'erreur d'estimation est supérieure à l'ordonnée correspondante. La courbe illustrée représente une répartition statistique de l'erreur 20 d'estimation à partir d'une puissance P - ferme (t) estimée sur un temps de recueil d'un mois d'une année donnée. 8 Pour la courbe illustrée, la puissance est estimée sur le mois de juin à partir d'un estimateur construit sur des données historiques du mois d'avril de la même année. Par exemple, une marge de 0,07 p.u. permet de couvrir l'erreur d'estimation 5 dans 95% des cas et une marge de 0,04 p.u. permet de couvrir l'erreur d'estimation dans 80% des cas. La marge M est choisie selon le degré de risque souhaité, ou, en d'autres termes, selon le degré de précision souhaité pour la puissance disponible estimée. A l'issue de l'étape 13, la puissance calculée est la puissance disponible corrigée de l'erreur d'estimation, notée -Pferme marge (t), selon l'équation suivante : Pferme marge(t) - Pferme(t) - M La marge M est une précaution dans le cas où la puissance estimée est supérieure à la puissance réelle. En effet, dans ce cas, la puissance de consigne pourra être plus haut qu'attendu et si la ferme n'a pas assez d'énergie cinétique à sa disposition, elle ne pourra pas rendre le service de réglage de fréquence en injection de puissance (fréquence à la baisse). En absorption, si l'on a surestimé la production sans marge, on aura un problème dans le calcul de la consigne envoyée (pas de manque d'énergie mais un point de consigne sans doute trop haut). La marge M est positive. En effet, si l'on a sous-estimé la production il n'y aura pas de problème car l'énergie mécanique que l'on pourra extraire du vent permettra de façon certaine de respecter la puissance de consigne, calculée sous des hypothèses plus défavorables en absorption comme en injection. 9 Etape de réglage de fréquence L'étape de réglage de fréquence permet de déterminer la puissance de consigne, selon la relation suivante : P'f(t) = Po(t) - S((t)), où Po(t) est définie par l'équation ci-après : Po (t) - Pferme marge(t) - PR, 5 OÙ PR est une puissance électrique allouée pour le réglage de fréquence. S((t)) est une fonction de réglage de fréquence. Le choix de la fonction de réglage de fréquence est connu de l'homme du métier. Par exemple, la fonction de réglage de fréquence peut être une fonction affine 1 o de la variation de fréquence par rapport à la fréquence nominale : S ((t)) = K Af (t), où K est une valeur constante. Autrement dit, la puissance de consigne s'écrit : Pref(t) - Pferme marge(t) - [PR + S((t))1- On note que préférentiellement, la fonction de réglage S est une fonction croissante d'une variation positive de fréquence, ce qui assure que la 15 puissance de consigne Pref(t) augmente quand la fréquence diminue, et que la puissance de consigne Pref(t) diminue quand la fréquence augmente. On note également que l'application du procédé nécessite des mesures en temps réel de la fréquence du réseau au point de raccordement de la ferme, et/ou d'un signal de contrôle en provenance d'un gestionnaire de réseau. 20 10 Exemple numérique A un instant t donné et une classe de vent V donnée, une puissance estimée 'ferme (t) est de 10 MW, avec une marge M de 0,5 MW. La puissance corrigée ferme ferme marge (t) vaut 9,5 MW. 5 La puissance de réserve PR est de 2MW. La fonction de réglage S est une fonction affine telle que : - pour une fréquence f=49,8 Hz, S=-2, - pour une fréquence f=50,2 Hz, S=2, et - pour f=f0=50 Hz, S=0. 10 Ainsi, quand f=f0, la ferme éolienne 2 produit 7,5 MW, c'est-à-dire que : Pref(t) - Pferme marge(t) - [PR + S((t))1= 9,5 - [2 + 0] = 7,5. Quand f=49,8 Hz, la ferme éolienne 2 produit 9,5 MW, c'est-à-dire que : Pref(t) - Pferme marge(t) - [PR + S((t))1= 9,5 - [2 + (-2)] = 9,5. Quand f=50,2 Hz, la ferme éolienne 2 produit 5,5 MW, c'est-à-dire que : Pref(t) - Pferme marge(t) - [PR + S((t))1= 9,5 - [2 + 2] = 5,5. Avantages Comme il ressort déjà de la description qui précède, le procédé selon la 15 présente invention adapte en temps réel la puissance électrique de consigne de la ferme aux besoins du système ou aux opportunités économiques. Le procédé selon l'invention est générique et permet à une ferme éolienne de participer à la régulation de la fréquence du réseau électrique en temps réel sans recours à un moyen de stockage ni modification de contrôles- 20 commandes internes de la ferme au niveau des composants d'électronique de puissance et au niveau des composants mécaniques tels que le système d'orientation des pales. 11 De ce fait, le procédé selon la présente invention peut être qualifié d'universel, puisque utilisant uniquement des données disponibles de façon standard dans les contrôles-commandes des constructeurs de fermes éoliennes et les données historiques d'exploitation. 5 Le procédé selon la présente invention est donc particulièrement avantageux quand un contrôle interne au niveau de chaque turbine de la ferme est verrouillé par le constructeur de telle sorte que les contrôles-commandes soient vus comme une « boîte noire » par l'exploitant de la ferme. Avantageusement, le procédé selon la présente invention permet également à 1 o une ferme éolienne existante d'être adaptée, sans remplacement des contrôleurs actuels, pour participer au réglage de la fréquence. Le procédé selon l'invention présente l'avantage qu'il peut être mis en place indépendamment du constructeur sur des fermes existantes et futures. Le procédé selon l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir s'adapter 15 aux changements de codes de réseaux, à différents pays, etc. Programme d'ordinateur La présente invention vise également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 20 Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation (par exemple, un langage objet ou autre), et être sous la forme d'un code source interprétable, d'un code partiellement compilé ou d'un REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'une puissance générée par une ferme éolienne (2) reliée électriquement à un réseau électrique (4) et comprenant au moins une turbine de ventilation (3), le procédé comprenant une étape (10) de commande de production de ladite puissance à une puissance, dite puissance de consigne (P'f(t)) à un instant (t) donné, la puissance de consigne dépendant d'une variation de fréquence dudit réseau électrique (4), la puissance de consigne (P'f(t)) étant déterminée à partir d'une puissance disponible pour ladite au moins une turbine de ventilation éolienne, le procédé 1 o comprenant une étape (11) d'estimation de ladite puissance disponible de turbine, dite puissance disponible de turbine (P \- turbine(t))- 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, dans lequel la puissance disponible de turbine (P .- turbine(t)) est déterminée pour une vitesse de vent donné à partir d'une analyse de puissances électriques produites par ladite au 15 moins une turbine de ventilation (3) mesurées pendant un intervalle de temps donné. 3. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape (12) d'estimation d'une puissance disponible de la ferme éolienne, dite puissance disponible de ferme (13ferme(t)), à partir de la 20 puissance disponible de turbine (Pturbine(t)). 4. Procédé de régulation selon la revendication précédente, comprenant une étape (13) de correction de la puissance disponible de ferme (Pferme(t)) en tenant compte d'une erreur d'estimation (M), de sorte à obtenir une puissance corrigée (P .-- ferme marge (t)). 25 5. Procédé de régulation selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de correction (13) comprend une étape de comparaison de la puissance disponible de ferme (13ferme(t)) à une puissance mesurée ( ), de sorte à déterminer l'erreur d'estimation. 13 6. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la puissance de consigne (P'f(t)) dépend d'une puissance de réglage (S((t))). 7. Procédé de régulation selon la revendication précédente, dans laquelle la 5 puissance de consigne est déterminée par la relation suivante : Pref(t) - Pferme marge(t) - [PR + S((t))1, OÙ Pferme marge (t) est la puissance corrigée, PR est une puissance électrique de réserve allouée au réglage de fréquence, et S((t)) est la puissance de réglage de fréquence. 8. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, 1 o comprenant une étape préalable de filtrage de données à l'étape (11) d'estimation de puissance disponible de turbine (P .- turbine(t))- 9. Programme d'ordinateur comprenant une suite d'instructions mettant en oeuvre les étapes du procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes lorsqu'elles sont exécutées par un processeur. 15 10. Support de stockage non transitoire lisible par ordinateur comprenant un programme d'ordinateur selon la revendication précédente.