Brevet FR3099309A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : Système de protection d'un micro-réseau et micro-réseau associé [0001] DOMAINE TECHNIQUE GENERAL [0002] L'invention concerne la protection d'un réseau isolé (l'un réseau principal en présence d'un défaut à la terre et concerne plus précisément les micro-réseaux (en anglais, « microgrid »). Technique antérieure [0003] Les réseaux électriques sont segmentés en plusieurs parties (le niveaux de tension différents. On distingue les réseaux Haute tension B (HTB), de tension typiquement comprise entre 63 et 400 kV, les réseaux haute tension A (HTA) de tension typiquement égale à 20 kV, et basse tension (BT) de tension typiquement égale à 400 V. [0004] Les réseaux électriques, par exemple HTA, de certains lieux isolés comme des îles, des zones rurales ou des zones montagneuses peuvent se trouver isolés du réseau principal (correspondant en France au réseau HTB). Ils peuvent en être isolés de manière permanente, comme dans le cas d'une île non raccordée électriquement au continent, ou temporairement, par exemple suite à un incident sur les lignes d'alimentation en électricité lors de situations météorologiques difficiles. [0005] En cas d'isolement, des ressources énergétiques locales parfois associées à du stockage peuvent être utilisées pour maintenir une alimentation en électricité dans le réseau isolé. 100061 Ces réseaux d'alimentation dit de type micro-réseau électrique (en anglais, « microgrid ») sont mis sous tension par des sources interfacées par électronique de puissance, par exemple un onduleur de tension alternative qui raccorde un élément de stockage d'énergie au réseau électrique triphasé. 100071 Ainsi un ensemble batterie et onduleur est connecté à un réseau électrique triphasé HTA qui permet d'alimenter un ensemble de charges. L'ensemble batterie et onduleur devient alors la source de tension, et remplace le réseau public (le réseau HTB par exemple). 100081 Les réseaux électriques, et particulièrement les réseaux HTA souterrain, ont un effet capacitif par rapport àla terre et induisent des courants capacitifs. En d'autres termes ils fournissent de la puissance réactive. 100091 Un problème connu avec les réseaux HTA et qu'ils peuvent être sujets à des « défauts » et plus particulièrement à des défauts phase - terre, dits « défauts à la terre ». Ces défauts peuvent par exemple résulter de la chute au sol d'un conducteur aérien, ou encore du contact entre un arbre et un tronçon de ligne aérienne. 2 100101 Dans le cas des micro-grids, c'est-à-cire d'un réseau HTA connecté à un ensemble batterie/onduleur, ces défauts à la terre induisent une augmentation des courants capacitifs délivrés par l'onduleur qui peuvent être préjudiciables au fonctionnement du réseau électrique triphasé HTA. Exposé de l'invention [0011] L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. [0012] A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un système de protection d'un micro-réseau de distribution d'électricité, ledit micro-réseau comprenant un dispositif de production d'électricité, un transformateur configuré pour élever une tension électrique issue du dispositif de production d'électricité, un réseau électrique triphasé configuré pour acheminer de l'électricité vers au moins une charge de consommation d'électricité, ledit système de protection comprenant un banc dc trois bobines destiné à être raccordé au réseau électrique triphasé, ledit banc étant configuré pour compenser un effet capacitif entre chaque ligne du réseau triphasé et la terre dans le but d'annuler des courants capacitifs du côté basse tension du transformateur et délivrés par le dispositif de production d'électricité. [0013] L'invention, selon le premier aspect, est avantageusement complétée par les caracté- ristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : [0014] - les bobines sont à inductances variables, ledit système de protection comprenant un dispositif de réglage des valeurs d' inductances de chaque bobine ; [0015] - le système comprend un calculateur en liaison avec le système dc réglage, ledit cal- culateur étant configuré pour déterminer une valeur d'inductance pour chacune des bobines du banc, ladite valeur d'inductance étant fonction des longueurs du réseau électrique triphasé ; [0016] - il comprend une interface homme machine configurée pour piloter ledit système de réglage ; [0017] L'invention propose, selon un deuxième aspect, un micro-réseau comprenant un dispositif de production d'électricité, un transformateur configuré pour élever une tension électrique issue du dispositif dc production d'électricité, un réseau électrique triphasé configuré pour acheminer de l'électricité vers au moins une charge de consommation d'électricité, ledit micro-réseau comprenant en outre un système de protection selon l'invention. [0018] L'invention, selon le deuxième aspect, est avantageusement complétée par les carac- téristiques suivantes, mises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : [0019] - le micro-réseau comprend une bobine de point neutre raccordé au réseau électrique 3 triphasé, ladite bobine de point neutre étant connecté entre le transformateur le banc de bobines ; [0020] - le transformateur est dY ou Yd, ledit transformateur étant configuré pour élever la tension issue du dispositif de production d'électricité entre 15kV et 20kV ; [0021] - le dispositif de production d'électricité comprend une unité de stockage d'électricité connectée à un onduleur ledit dispositif de production d'électricité étant configure pour produire une électricité de tension égale à 400 V. [0022] Les avantages de l'invention sont multiples. [0023] Elle permet d'éviter d'avoir à surdimensionncr l'onduleur du dispositif de production d'électricité. [0024] Les courants capacitifs délivrés par la source de production lors d'un défaut à la terre et en fonctionnement normal sont annulés par le banc de bobines. [0025] En présence d'un défaut la terre les sources de production sont en mesure de maintenir la tension ce qui évite au consommateur de subir des creux de tension et des coupures d'électricité. [0026] Il est toujours possible de choisir le régime de neutre du réseau, par exemple impédant, isolé, compensé, etc. et donc de maitriscr l'amplitude des courants à la terre. Brève description des dessins [0027] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [0028] [fig.1] [0029] - la figure 1 illustre un micro-réseau selon l'invention ; [0030] [fig.2] [0031] - la figure 2 illustre un schéma électrique visant à expliquer le principe de l' invention. [0032] Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. Description des modes de réalisation 100331 La figure 1 illustre un micro-réseau comprenant un dispositif 1 de production d'électricité autonome en ce qu'il n'est pas connecté au réseau public. 100341 Le dispositif 1 de production d'électricité comprend une unité 2 de stockage d'électricité obtenue par un moyen de production d'électricité (non représenté) tel que des panneaux photovoltaïques, une éolienne etc. l'unité de stockage d'électricité est typiquement une batterie. Un onduleur 3 est connecté à la batterie et permet de transformer une tension continue issue de la batterie en une tension alternative. 100351 La tension de l'électricité produite par le dispositif 1 de production d'électricité est typiquement de 400 V en sortie. [0036] Un transformateur basse tension HTA 4 (BT/FITA) situé en aval du dispositif de production d'électricité permet d'élever la tension entre 15 kV et 20 kV qui est alors fournie à un réseau électrique triphasé 5 qui va permettre d'acheminer de l'électricité à des charges chl, ch2, ch3 de consommation. Cc réseau électrique triphasé est le réseau HTA. Bien entendu entre le réseau HTA et les charges chl, ch2, ch3 de consommation, le micro-réseau comprend de manière connue, des transformateurs (non représentés) qui abaissent à nouveau la tension pour qu'elle soit utilisable par les charges de consommation. Le transformateur 4 est du type dY, yD, yY ou dD. [0037] Ainsi, le micro-réseau comprend également des charges chl, ch2, ch3 de consommation typiquement des clients particuliers. [0038] De manière complémentaire (et facultative), le micro-réseau comprend également une bobine de point neutre BPN raccordée sur le réseau HTA. Cette bobine de point neutre BPN permet de créer un point neutre que l'exploitant raccorde à la terre dans le cas général, par l'intermédiaire d'une résistance ou d'une bobine. Cet ensemble permet de contrôler l'amplitude des courants à la terre. [0039] En régime de neutre isolé le courant à la terre provient uniquement du capacitif des conducteurs HTA. La BPN n'est pas nécessaire. [0040] En neutre compensé les courants capacitifs des conducteurs HTA sont compensés par l'impédance de compensation associée à la BPN, si bien que le courant au défaut est de quelques ampères. [0041] En neutre impédant, le courant de défaut est limité à 150 A par exemple, auxquels s'ajoutent les courants capacitifs. [0042] Si le transformateur 4 dispose d'un enroulement en Y du côté HTA, pour contrôler l'amplitude des courants de défaut il est possible de raccorder le point neutre de l'enroulement à la terre par l'intermédiaire d'une résistance. Alors la BPN n'est pas nécessaire. [0043] En relation avec la figure 2, le réseau HTA génère naturellement des courants ca- pacitifs Ica, Icb, Icc sur le réseau HTA, qui font apparaitre des courants réactifs ica, ib, icc que l'onduleur 3 doit fournir. En effet, un effet capacitif entre chaque phase A, B, C et la terre est observé. Cet effet est modélisé par des capacités Cl, C2, C3 connectés entre chaque phase et la terre. [0044] On note Icx (x=a, b, c) les courants sur le réseau HTA et icx les courants corres- pondants du côté de l'onduleur. [0045] Ces courants ica, ib, icc délivrés par l'onduleur 3 augmentent fortement en cas de défaut D à la terre (une phase du réseau électrique triphasé se retrouve à la terre) sur le réseau HTA, quel que soit le régime de neutre comme impédant, compensé ou isolé, et même si le courant est très faible dans le défaut. [0046] L'onduleur 3 n'est pas dimensionné pour fournir des courants trop élevés et dans le cas des appels forts de courant, il ne pourra pas maintenir la tension. En conséquence, des creux de tension peuvent apparaitre dans le micro-réseau. Un autre phénomène est que l'onduleur 3 peut aussi limiter les courants qu'il délivre ce qui aura pour conséquence de procurer à la tension un contenu harmonique très important. Un autre phénomène est que l'onduleur 3 se déconnecte est donc que le micro-réseau soit hors tension. [0047] Afin de protéger le micro réseau, un système 6 de protection du micro-réseau est mis en place. [0048] Ce système de protection comprend un banc 7 de trois bobines B1, B2, B3, chacune raccordée à une phase A, B, C du réseau électrique triphasé HTA. [0049] Ces bobines Bl, B2, B3 permettent de compenser l'effet capacitif entre chaque phase A, B, C du réseau triphasée HTA et la terre. [0050] De manière avantageuse, chaque bobine Bl, B2, B3 est à inductance variable ce qui permet d'adapter la valeur de chaque inductance au réseau HTA et plus particulièrement à sa la longueur. Comme les trois phases du réseau électriques triphasé ont un effet capacitif très proche les bobines BI, B2, B3 ont des valeurs d'inductances L identiques afin que les compensations de chaque effet capacitif soient équilibrées. [0051] Pour ce faire, chaque bobine comprend plusieurs plots qui permettent de régler (hors tension) leur inductance en connectant le réseau à divers endroits de la bobine ce qui permet d'en changer le nombre d'enroulements. D'autres possibilités de réglage des bobines peuvent être mises en place, notamment pour pouvoir les régler sans mettre le dispositif hors tension. Par exemple un jeu de plusieurs bobines en parallèle raccordées via des interrupteurs pilotables. [0052] Afin de régler la valeur de l'inductance L de chaque bobine BI, B2, B3 par l'intermédiaire des plots, le système de protection comprend un dispositif 8 de réglage connecté à un calculateur 9 (par exemple un processeur). [0053] Le calculateur 9 permet de calculer la valeur de l'inductance L de chaque bobine BI, B2, B3 qui dépend de la longueur du réseau. [0054] Une interface homme machine 10 est connectée au calculateur 9 et permet à un opérateur de paramétrer le calculateur 8 pour qu'il calcule la valeur de l'inductance L. [0055] Le système de protection permet d'annuler les courants capacitifs ica, icb et icc délivré du côté BT du transformateur 4. [0056] La valeur de l'inductance L est de préférence telle que L=1/(c.m2) avec to la pulsation du réseau en rad/s, C la capacité entre chaque phase du réseau et la terre. [0057] A partir de la valeur de l'inductance L, le calculateur 9 sélectionne le plot de la bobine qui permet d'approcher au mieux cette valeur d'inductance L. [0058] En cas de défaut D à la terre, on a bien ica=icb=icc=0 en amont du transformateur c'est-à-dire que l'onduleur 3 ne délivre pas de courant dû à l'effet capacitif des conducteurs HTA. 6 7 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] REVENDICATIONSSystème (6) de protection d'un micro-réseau de distribution d'électricité, ledit micro-réseau comprenant un dispositif de production d'électricité (I), un transformateur (4) configuré pour élever une tension électrique issue du dispositif de production d'électricité (1), un réseau (5) électrique triphasé configuré pour acheminer de l'électricité vers au moins une charge (ch I. ch2, ch3) de consommation d'électricité, ledit système (6) de protection comprenant un banc (7) de trois bobines (BI, B2, B3) destiné à être raccordé au réseau (5) électrique triphasé, ledit banc (7) étant configuré pour compenser un effet capacitif entre chaque ligne du réseau (5) triphasé et la terre dans le but d'annuler des courants capacitifs du côté basse tension du transformateur (4) et délivrés par le dispositif de production d'électricité (1). Système (6) de protection selon la revendication 1, dans lequel les bobines (B1, B2, B3) sont à inductances variables, ledit système (6) de protection comprenant un dispositif (8) de réglage des valeurs d'inductances de chaque bobine (B1, B2, B3). Système (5) de protection selon la revendication 2, comprenant un calculateur (9) en liaison avec le système (6) de réglage, ledit calculateur (9) étant configuré pour déterminer une valeur d'inductance pour chacune des bobines (B1, B2, B3) du banc (7), ladite valeur d'inductance étant fonction des longueurs du réseau (5) électrique triphasé. Système de protection selon la revendication 3, comprenant une interface (10) homme machine configurée pour piloter ledit système (6) de réglage. Micro-réseau comprenant un dispositif (1) de production d'électricité, un transformateur (4) configuré pour élever une tension électrique issue du dispositif (1) de production d'électricité, un réseau (5) électrique triphasé configuré pour acheminer de l'électricité vers au moins une charge (chi, ch2, ch3) de consommation d'électricité, ledit micro-réseau comprenant en outre un système (6) de protection selon l'une des revendications précédentes. Micro-réseau selon la revendication 5, comprenant une bobine de point neutre (BPN) raccordé au réseau (5) électrique triphasé, ladite bobine (BPN) de point neutre étant connecté entre le transformateur (4) et le banc de bobines. 8 [Revendication 7] Micro-réseau selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel le transformateur (4) est dY ou YD, ledit transformateur (4) étant configuré pour élever la tension issue du dispositif (1) de production d'électricité entre 15kV et 20kV. [Revendication 8] Micro-réseau selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le dispositif (1) de production d'électricité comprend une unité (2) de stockage d'électricité connectée à un onduleur (3), ledit dispositif de production d'électricité étant configuré pour produire une électricité de tension égale à 400 V.