Brevet FR3089711A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Équipement d'équilibrage d'un réseau de transport électrique haute tension HTA Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine de l'équilibrage d'un réseau de transport électrique haute tension HTB pour assurer la pérennité de la qualité de l'énergie fournie nonobstant les fluctuations de la production et les fluctuations de la consommation par les utilisateurs finaux. [0002] Le système électrique est organisé d'une manière hiérarchisée qui comprend trois composantes principales : production, réseau de transport ainsi que réseau de distribution. [0003] Le secteur de production fournit l'énergie électrique produite par des centrales, cette énergie est ensuite transmise par le réseau de transport via des lignes haute tension dites HTB jusqu'au réseau de distribution via un poste source équipé d'un transformateur abaisseur de tension HTB/HTA, puis délivrée aux consommateurs finaux au travers du réseau de distribution par des lignes de moyenne tension dites HTA puis par des postes lignes basses tension via des postes de transformation HTA/BT. [0004] Le réseau de transport français est structuré en plusieurs niveaux de tension, de 63 kV à 400kV (appellation « haute tension B, HTB »). 100051 La tension des réseaux de distribution se situe normalement entre 50 kV et 400kV. Ils sont constitués de deux niveaux d'appellation : « haute tension A » (HTA) et « basse tension » (BT). Le réseau HTA en France est majoritairement au niveau 20kV et une part en 15kV. 100061 Le réseau de distribution est soit « passif » lorsque le sens où le Ilux de puissance est toujours unidirectionnel le long des départs alimentés par le poste source, soit « actif » lorsqu'il comporte des points de livraison permettant l'injection d'électricité par des sources de productions décentralisées, notamment des sources d'énergie renouvelables telles que des fermes photovoltaïques ou des champs d'éoliennes raccordées localement pour former un sous-réseau (« micro-grid ») dans le système électrique. Dans un réseau de distribution passif, la tension baisse le long du départ, avec un point haut au jeu de barres. 100071 Le paramètre-clé de l'équilibre du réseau de transport HTB est le maintien de sa fréquence à 50 Hz. Si la consommation tend à dépasser la production, la fréquence chute et inversement. La marge de fluctuation autorisée est extrêmement réduite (plus ou moins 0,5 %). Si le déséquilibre est trop important, des risques de coupures généralisées menacent. 2 [0008] Le réglage de fréquence, appelé aussi réglage de réserve primaire, consiste à pallier automatiquement un éventuel déséquilibre entre la production et la consommation d'électricité dans le système électrique. Traditionnellement, face à un déficit de production, les régulateurs de vitesse des centrales électriques augmentent automatiquement, 15 à 30 secondes après le déséquilibre, la production. Et inversement en cas d'excès de production par rapport à la consommation électrique. [0009] La mission des centres d'exploitation est de maintenir et rétablir à tout moment l'équilibre. [0010] Plusieurs moyens existent pour cela : - Arrêter ou, au contraire, - Faire démarrer des moyens de production ; - Couper le courant dans une zone pour éviter un blackout généralisé (effondrement du réseau) ; - Ou encore importer - ou bien exporter - du courant grâce aux interconnexions entre les différents pays d'Europe. [0011] Dans ces conditions, les options de lissage production/consommation du réseau sont les suivantes : - Exporter vers les pays voisins ; - Arrêter et démarrer les groupes programmables (si cela est techniquement possible) ; - Gérer intelligemment la demande ; - Effacer de la production d'énergie non renouvelable ; - Stocker une partie de la production des énergies renouvelables. [0012] Ces éléments de contexte sont essentiels pour apprécier le positionnement du stockage dans les objectifs d'optimisation du système électrique et énergétique. [0013] L'invention concerne plus particulièrement l'option de lissage d'un réseau de transport haute-tension HTB par l'utilisation d'un équipement de stockage réversible par un conteneur de batteries. [0014] Différentes solutions sont proposées dans l'art antérieur : stockage résidentiel (pour une maison ou un groupe de maisons), stockage pour une résidence, un quartier, ou pour le soutien à un réseau (dans des zones non interconnectées par exemple) jusqu'au stockage massif sur de gros réseaux (plusieurs mégawatt/heures). [0015] L'utilisation des batteries pour le stockage de puissance correspond à plusieurs fonctions : assurer la permanence d'alimentation du réseau, absorber des pics de consommations de très faible durée ou contrer très rapidement un risque de déséquilibre du réseau induit par un incident. [0016] Les équipements d'équilibrage de réseau se compose de quatre sous-ensembles : - un sous ensemble comptage/raccordement 3 - un sous-ensemble conversion de puissance - les modules de batteries - les services auxiliaires (ventilation, électronique, sécurité incendie, climatisation, télécom...) État de la technique [0017] On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet EP2436093 décrivant un système de stockage d'énergie pour équilibrer la charge d'un réseau de transport d'électricité, comportant un dispositif de commande, une pluralité de batteries de stockage d'énergie reliés en parallèle et une pluralité d'interrupteurs commandables reliés respectivement à la pluralité de batteries de stockage d'énergie, le dispositif de commande étant configuré de façon à détecter une fréquence et une phase du réseau de transport d'électricité et à commander ainsi les interrupteurs commandables afin de charger les batteries de stockage d'énergie en utilisant l'énergie provenant du réseau de transport d'électricité ou pour injecter de l'énergie provenant des batteries de stockage d'énergie dans le réseau de transport d'électricité en fonction de la fréquence et de la phase du réseau de transport d'électricité de façon à équilibrer la charge du réseau de transport d'électricité. Lc système de stockage d'énergie est capable d'équilibrer la charge du réseau de transport d'électricité de telle sorte que la demande de consommation énergétique puisse être satisfaite durant les périodes de pointe. [0018] L'inconvénient de cette solution de l'art antérieur est que le point d'injection est situé sur le réseau de transport et nécessite donc des transformateurs abaisseurs de tension permettant de passer des niveau FITB, typiquement entre 65 et 400 K V, à la tension des batteries, typiquement 48 V. Dc tels transformateurs sont coûteux, complexes et présentent des pertes significatives. [0019] On connaît aussi la demande de brevet internationale W02007104167A I qui concerne un système de stockage d'énergie qui comprend une batterie reliée à un réseau de distribution d'électricité et qui permet de décharger l'énergie de manière commandable dans le réseau ou de charger la batterie à partir de ce réseau. [0020] La demande de brevet EP2409374A4 décrit un autre exemple de groupe de batteries électriques pour équilibrer la charge réseau électrique comprenant un convertisseur bidirectionnel configuré pour charger les batteries par le réseau ou restituer du courant au réseau électrique sous le contrôle d'une unité configurée pour surveiller la fréquence et la phase de l'alimentation afin d'équilibrer la charge de la puissance du réseau électrique. Solution apportée par l'invention [0021] La présente invention vise à répondre aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un système de stockage d'énergie réversible pour équilibrer la charge d'un réseau de transport d'énergie haute tension HTB simplifié se caractérisant par le fait que le point d'injection est situé sur un réseau de distribution HTA relié audit réseau de transport d'énergie haute tension HTB par un poste source HTA/HTB. [0022] A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un système de stockage d'énergie pour équilibrer la charge d'un réseau de transport d'énergie, comportant : - un dispositif de commande, - une pluralité de batteries de stockage d'énergie reliées en parallèle et une pluralité d'interrupteurs commandahles reliés respectivement à la pluralité de batteries de stockage d'énergie, caractérisé en cc que ledit dispositif de commande est configure de façon à détecter une fréquence et une phase du réseau de transport d'électricité HTB et à commander les interrupteurs coinmandables afin de charger les batteries de stockage d'énergie en utilisant l'énergie provenant du réseau de distribution d'électricité HTA ou basse tension BT ou pour injecter de l'énergie provenant des batteries de stockage d'énergie dans le réseau de distribution d'électricité HTA ou basse tension BT en fonction de la fréquence et de la phase du réseau de transport d'électricité HTB de façon à équilibrer la charge du réseau de transport d'électricité HTB. [0023] Avantageusement le système de stockage d'énergie selon l'invention comporte en outre au moins un point de recharge de véhicules électriques piloté par ledit dispositif de commande. [0024] Selon une variante, il comporte en outre au moins un point de soutien de tension d'un consommateur. [0025] Selon une autre variante, le système inclut des fonctionnalités d'effacement. [0026] Selon une application particulière, le système de stockage d'énergie selon l'invention réalise un service de puissance non interruptible (un « méga onduleur »). [0027] Selon une variante, le système selon l'invention comporte en outre au moins un point de soutien de tension du réseau de distribution. [0028] Selon un exemple de mise en oeuvre particulier, le système selon l'invention comporte au moins un point d'isolement d'une partie du réseau de distribution pour créer un micro-grid autonome isolé pour se substituer au réseau de transport en cas de défaillance de ce dernier. [0029] Selon un autre exemple de mise en oeuvre particulier, le système de stockage d'énergie pour équilibrer la charge d'un réseau de transport d'énergie selon l'invention constitue un groupe de secours pour compenser l'affaiblissement du réseau de transport. Description des modes de réalisation 100301 La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent, fournis à titre d'illustration et ne devant en aucun cas être considérés comme limitant la portée de la présente invention. Brève description des dessins [0031] [fig.1] Figure 1 : représente une vue schématique d'un système électrique [0032] [fig.2] Figure 2 : représente une vue en coupe d'un équipement selon l'invention. Contexte de l'invention Architecture globale d'un système électrique [0033] Le système électrique est un ensemble d'infrastructures énergétiques permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production (1), par exemple une centrale nucléaire ou thermique, ou une ferme photovoltaïque, vers les consommateurs particuliers (10) ou industriels (20). L'énergie produite est injectée dans un point d'injection (2) du réseau de transport haute-tension HTB (3). [0034] Un centre de dispatching (4) commande la surveillance et la conduite des ensembles d'équipements géographiquement dispersés pour assurer qu'à chaque instant, l'énergie livrée par le réseau HTB (3) respecte les exigences de fréquence fixe, de tension fixe et d'adaptation de la puissance. Il comprend l'ensemble des matériels et des fonctions destinés à l'acquisition, au traitement, à la transmission et à la visualisation des informations nécessaires à l'exploitation de ces équipements, notamment : - les informations nécessaires à l'exploitation des équipements des postes électriques (positions des organes de coupures, alarmes...). - les commandes d'ouverture, de fermeture, de réglage, - les informations nécessaires à l'exécution en toute sécurité de ces commandes, - les mesures permettant une gestion efficace des mouvements d'énergie, - les valeurs de consigne nécessaires pour garantir l'équilibre production/ consommation. 100351 L'énergie FIT est livrée à des distributeurs régionaux gérant les réseaux de dis- tribution HTA (5) raccordés au réseau HTB par des postes sources (6) équipé d'un transformateur typiquement 400KV/65 K V, de disjoncteurs et de différents équipements de sécurité. 100361 L'électricité est ensuite fournie aux consommateurs par l'intermédiaire de trans- formateur HTA/BT (7) auquel est relié le réseau de distribution basse tension (8) alimentant les consommateurs domestique (10), ainsi que des consommateurs professionnels (20). 100371 L'invention s'inscrit dans la régulation du réseau de transport (3) par un équipement (30) commandé par le centre de dispatching (4), et relié non pas au réseau de transport (3) directement, mais au poste source (6) ou en aval du poste source (6), pour 6 participer à la régulation du réseau de transport. Régulation du réseau de transport 100381 L'invention concerne le domaine de la régulation de la tension clans les réseaux de transport. 100391 Le réglage de la tension sur les réseaux de transport et de répartition nécessite une coordination temporelle et spatiale des actions de contrôle pour assurer un contrôle rapide et performant, et pour éviter des interactions entre différentes actions de contrôle qui pourraient avoir des conséquences graves sur la stabilité et la sureté du réseau. En effet, des consignes contradictoires reçues simultanément par un régulateur risqueraient de provoquer des oscillations qui peuvent être critiques. [0040] L'opérateur du réseau de transport peut agir à trois niveaux : A) En amont du réseau, au niveau de la production équipée d'un régulateur primaire de tension. Grâce à ce régulateur les alternateurs maintiennent la tension à unc valeur de consigne sur leur point de raccordement. Cette valeur est fixée par le gestionnaire du réseau de transport. B) Au niveau du réseau de transport, en prévoyant des zones de réglage, et en régulant la tension d'un point particulier de chaque zone, appelé « noeud pilote ». Celui-ci est choisi de façon à ce que sa tension soit représentative de celle de l'ensemble de la zone. Le réglage secondaire a pour objet de limiter les transits de puissance réactive sur les lignes d'interconnexion entre chaque zone, et de maintenir la tension aux noeuds pilotes de chaque zone à sa valeur de consigne. Cette action est réalisée en élaborant unc correction des valeurs de consigne de chaque groupe participant au réglage secondaire. Lc correcteur du réglage secondaire élabore un niveau de participation à partir de l'écart entre la consigne de tension du noeud pilote et la tension mesurée en ce même noeud. Ce niveau est ensuite utilisé par la boucle de réactif de chaque alternateur pour déterminer la correction à apporter sur la consigne de tension de ce dernier Afin de protéger le réseau contre d'éventuelles oscillations dues à des actions contradictoires des réglages primaire et secondaire, ce dernier a un temps de réponse nettement plus long que le réglage primaire : il est de l'ordre de la minute. C) Au niveau de la coordination des actions entre deux zones régies par des réglages secondaires de tension différents. Ce réglage est effectué par les opérateurs de dispatching régional et comprend le calcul des tensions aux points pilotes. Ces réglages hiérarchisés permettent de réguler la tension sur les réseaux HTB (transport et répartition). [0041] L'invention a pour but de participer au maintien de la tension du réseau de transport par une injection de courant fournies par les batteries, ou une consommation pour la recharge des batteries dans un point d'injection d'un réseau de distribution au niveau 7 du poste source ou en aval du poste source, en fonction des consignes transmises par l'opérateur du réseau de transport. Description matérielle de l'équipement 100421 La figure 2 représente un exemple de réalisation de l'équipement selon l'invention. 11 est constitué par un caisson (30) de type container maritime de 19,75 rn3 avec une isolation intérieure en laine de roche de 50 mm d'épaisseur. [0043] Ce caisson (30) renferme 10 packs de batteries (31 à 40) et un transformateur HTA/ BT d'une puissance de 1 MVA (48). [0044] Les batteries (31 à 40) sont reliées au transformateur HTA/BT (48) par des conver- tisseurs DC/DC (42, 43) associés à des filtres respectivement (44, 45). [0045] Lc local batterie est thermorégulé par deux aérothermes (46, 47) reliés à un groupe eau glacé surmontant le caisson (30). [0046] Un automate programmable (41) assure les fonctions de sécurité et de contrôle de l' installation. [0047] Les cellules Hautes Tension (49) assurent la protection électrique de l'installation. 8