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INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H E S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LInstitut Polytechnique de Grenoble

Spcialit : Gnie Electrique

prpare au Grenoble Gnie Electrique Laboratoire (G2Elab)

dans le cadre de lEcole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Tlcommunication et Signal

prsente et soutenue publiquement

par

Miguel Angel FONTELA GARCIA Ingnieur ENSIEG

le 10 juillet 2008

Titre :

INTERACTION DES RESEAUX DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION EN PRESENCE DE PRODUCTION DECENTRALISEE

DIRECTEURS DE THESE : Nouredine HADJSAID et Seddik BACHA CO-ENCANDRANT DE THESE : Raphal CAIRE

JURY M. Shahrokh SADATE, , Prsident et Rapporteur M. Miguel Angel RODRIGUEZ VIDAL , Rapporteur Mme Zita ALMEIDA VALE , Rapporteur M. Nouredine HADJSAID , Directeur de thse M. Seddik BACHA , Co-Directeur de thse M. Raphal CAIRE , Co-encadrant de thse M. Rune GUSTAVSSON , Examinateur M. Olivier DEVAUX , Examinateur

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A mes encadrants (Nouredine, Seddik, Raph et Christophe),

Au plus grand labo de lunivers

A ma famille

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Remerciements

Je viens de relire les remerciements des quelques collgues ingnieurs, dailleurs, dj Docteurs de

lINPGrenoble et il mest venu lesprit que je ne suivrais pas le schma formel employ dans la plupart des

thses, par contre, certainement le lecteur pourra trouver un rapprochement lauteur.

Mon chemin en France commenc en lan 2000 quand je suis arriv en change ERASMUS ou SOCRATES,

selon la dnomination, entre lUniversit dOviedo en Espagne et lInstitut National de Polytechnique de

Grenoble en France, plus prcisment lEcole Nationale Suprieurs des Ingnieurs Electriciens de Grenoble.

En fait, je suis venu finir mes tudes espagnoles et en mme temps je poursuivais ma connaissance de la

langue franaise bauche lAlliance Franaise Oviedo, Espagne. Cest l que jai connu le professeur

Nouredine Hadjsaid pendant des TD dElectrotechnique. Jai t sans doute sduit, comme beaucoup

dautres lves, par la clart de ses explications (cest toujours gnial rendre videntes les notions qui ne le

sont pas), sa gentillesse et surtout sa magie, quil garde toujours. Vous penserez que ceci peut tre banal, bien

au contraire, cest cette magie et cette faon de toucher les gens (bien que personne ne soit aim par tout le

monde dans la mme mesure) qui mont fait menrler dans ce travail de thse.

Les rsultats de cette anne dchange taient satisfaisants et lcole me donnait la possibilit de continuer

afin dobtenir le double diplme et mme le DEA double cursus en Gnie Electrique du Laboratoire

dElectrotechnique de Grenoble. Cest au cours du DEA, sous la direction de Nicolas Retire et Raphal

Caire, que jai entendu dire des merveilles de Seddik Bacha. Seddik a toujours accueilli la colonie basque

au labo (coencadrs souvent par Daniel Roye) et ses derniers mont vivement encourag travailler avec lui.

Puis, la collaboration dans le projet europen CRISP accordait au sujet Rseaux de Transport et Production

Dcentralise une touche spciale et une porte ouverte la collaboration avec des partenaires industriels et

universitaires internationaux : Schneider Electric (puis IDEA), ABB, Sydkraft, BTH (Blekinge Technik

Hgskola), ECN ou ENECO.

Au cours des travaux dans le projet CRISP, jai eu loccasion de travailler avec Christophe Andrieu

(Schneider Electric), et raliser une mobilit chez BTH (avec le soutien dune bourse EURODOC de la

Rgion Rhne-Alpes). Cest cette occasion que jai pu travailler avec : Rune Gustavsson, Bjrn Trqvinst

et Per Mllstrand. Les rsultats de cette collaboration se sont traduits par une maquette de tests et quelques

articles, bien que nos domaines de comptences soient bien diffrents et des efforts de comprhension

rciproque des systmes lectriques et de tlcommunication ont t ncessaires pour nous mettre dans une

mme direction.

Ensuite, tout au long de la dure de la thse, jai rencontr des collgues avec une grande qualit

intellectuelle et humaine : les basques (Ion Etxeberria, Ianko Valero, Luis Garcia, Haizea et Amaia), les

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roumains (Bogdan et Octavian Enacheanu, Stefan Sterpu et Constantin Surdu), les bulgares (Delcho,

Maria et Vanya), les vietnamiens (Ha et Duc) et bien sr les franais (Nicolas, David, Alexandre).

Avec ces parcours et expriences, je tiens, donc, remercier lEcole Nationale Suprieure des Ingnieurs

Electriciens de Grenoble et le Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble, notamment lquipe SYREL

(Systme et Rseaux Electriques) et ses directions (James Roudet, Jean Pierre Rognon, Yves Brunet, Grard

Meunier, Jean Paul Ferrieux, Seddik Bacha, Daniel Roye, Roland Vidil, Max Ginier-Gillet, Jerme Mars

la liste est longue) qui mont donn la possibilit de poursuivre mes tudes acadmiques en France.

Je tiens remercier les membres du jury et les rapporteurs de ma thse, en particulier ceux que je nai pas

encore cit:

- Monsieur Shahrokh SADATE, professeur lUniversit de Henri Poincar Nancy

- Madame Zita VALE, professeur de lISEP, Instituto Superior de Engenharia do Porto, Porto

(Portugal)

- Monsieur Miguel Angel RODRIGUEZ, professeur de Mondragon Goi Eskola Politeknikoa,

Mondragon (Pays Basque, Espagne)

- Monsieur Olivier DEVAUX, ingnieur EDF

Je tiens aussi remercier mes encadrants et intervenants tout au long de cette thse : Nouredine, Seddik,

Raphal, Christophe, Bertrand et Rune. A part toutes les notions techniques dont on a discut, ce que je

retiens le plus ce sont leurs qualits humaines et le soutien qui mont accord tout moment. Cest la leon

plus prcieuse (la magie de Nouredine, lhumanit et le savoir-faire-tre de Seddik, lamiti et la loyaut

infatigable de Raph, lefficacit vers les objectifs de Christophe, la vision de la vie et la relativit des

Sudois, Quel grand pays ! la Sude) que jai pu apprendre et que jessaie de transmettre aux personnes qui

travaillent avec moi aujourdhui chez PSA Peugeot Citron.

Je remercie IDEA dont jai fait partie directement ou indirectement, et les intervenants et employs : Jean

Christophe Kieny, Christophe Andrieu, Tuan Tran-Quoc, Bertrand Raison, Florence Martin et Julie Laur.

IDEA apporte une grande richesse (intervenants industriels) et une norme valorisation de la formation

ralise qui ne reste pas purement acadmique.

Je remercie les doctorants et lves du laboratoire et de lcole, la bonne ambiance de travail dans le plus

grand labo de lunivers se doit en grande partie grce eux. Les lves ERASMUS que jai retrouv : Jordi

(Valerie, leurs petites et ses parents), Pi, Sara, Marta, Rocco, Riccardo quand on est ltranger, ces amis

sont la famille proche que lon a.

Finalement, je tiens remercier vivement ma famille : Maximina, Antonio, Marcos, Mari Cruz, Carla, Sergio

et Almudena qui maccompagnent toujours et cest bien grce son courage que cette vache espagnole crit

ces lignes.

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Description du document

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION.............................................................................................................. 13 CHAPITRE 2 : RESEAUX ELECTRIQUES, PRODUCTION DECENTRALISEE ET INCIDENTS MAJEURS...................................................................................................................................................... 17

2.1.-LHISTOIRE DU SYSTEME ELECTRIQUE EN BREF..................................................................................... 18 2.2- RESEAUX ELECTRIQUES........................................................................................................................ 22

2.2.1.- Composition des rseaux lectriques ........................................................................................... 22 2.2.2- Stabilit des rseaux lectriques ................................................................................................... 25

2.3.-PRODUCTION DECENTRALISEE.............................................................................................................. 29 2.3.1.- Dfinition de la Production Dcentralise................................................................................... 29 2.3.2.- Production Dcentralise et Production Centralise................................................................... 29 2.3.3.- La Protection de la Production Dcentralise ............................................................................. 31 2.3.4.-La Capacit de Black-Start de la Production Dcentralise......................................................... 32 2.3.5.- Impacts de la Production Dcentralise ...................................................................................... 35

2.4.- LES INCIDENTS MAJEURS...................................................................................................................... 37 2.4.1.- Le systme lectrique : une infrastructure critique ...................................................................... 37 2.4.2.- Le dispatching du systme : labsence du risque zro.................................................................. 39 2.4.3.- Mcanismes de formation des incidents majeurs ......................................................................... 40

2.5.- SOLUTIONS TECHNIQUES CONTRE LES BLACK-OUTS............................................................................ 45 2.6.- LAPPORT DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE : ADAPTABILITE, FLEXIBILITE, OU ROBUSTESSE ......... 47

CHAPITRE 3 : ROBUSTESSE, INDICES DE ROBUSTESSE ET TAUX LIMITE DINSERTION DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE .................................................................................................... 49

3.1.- LA ROBUSTESSE DU SYSTEME ELECTRIQUE .......................................................................................... 50 3.1.1.- Dfinition de la robustesse........................................................................................................... 50 3.1.2.- Mthodologie dtude de la robustesse : indices de robustesse ................................................... 54 3.1.2.1.- Indices de robustesse................................................................................................................. 56

3.2.- EVALUATION DES INDICES DE ROBUSTESSE.......................................................................................... 63 3.2.1.- Cas dtude................................................................................................................................... 63 3.2.1.1.- Insertion de la production dcentralise dans le cas dtude ................................................... 71 3.2.2.- Scnarii dtude ........................................................................................................................... 74 3.2.2.1.- Scnario 1 : Avec protection de dcouplage instantane.......................................................... 75 3.2.2.2.- Scnario 2 : Sans protection de dcouplage ............................................................................. 83 3.2.2.3.- Scnario 3 : Avec intermittence de nimporte quel type de production..................................... 92 3.2.2.4.- Scnario 4 : Inhomognit de la production ( cas du Danemark )...................................... 96

3.3.- TAUX LIMITE DINSERTION DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE : UN CRITERE DETERMINISTE......... 101 3.4.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 108

CHAPITRE 4 : PRODUCTION DECENTRALISEE CONTRE LES INCIDENTS MAJEURS : ILOTAGES INTENTIONNELS................................................................................................................ 111

4.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 112 4.2.- ILOTAGE DU SYSTEME ELECTRIQUE.................................................................................................... 114

4.2.1.- Description des phases de constitution des zones ...................................................................... 115 4.2.2.- Procdure dtude de la faisabilit des lotages intentionnels................................................... 117 4.2.3.- Limites dinsertion de lnergie intermittente dans les lotages intentionnels : variation des indices de robustesse pour les lotages.................................................................................................. 125

4.3.- SIMULATIONS DES ILOTAGES INTENTIONNELS.................................................................................... 126 4.3.1.- Etude de faisabilit des lotages intentionnels ........................................................................... 126 4.3.1.1.- Cas 1 ....................................................................................................................................... 126 4.3.1.2.- Cas 2 ....................................................................................................................................... 133 4.3.2.- Evaluation des indices de robustesse pour les lotages intentionnels ........................................ 143

4.4.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 146

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CHAPITRE 5 : LA REGULATION DE LENERGIE EN PRESENCE DE LA PRODUCTION DENERGIE DECENTRALISEE ............................................................................................................. 149

5.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 150 5.2.- LA NOUVELLE PHILOSOPHIE DE LA REGULATION DE LENERGIE ......................................................... 155 5.3.- NOUVELLE ORGANISATION DU SYSTEME INTERCONNECTE................................................................. 157

5.3.1.- Fonctionnement de Rgulation de lnergie propos................................................................. 157 5.3.2.- Production Dcentralise participante la Rserve Primaire .................................................. 158

5.4.- CONCLUSION...................................................................................................................................... 161 CHAPITRE 6 : COMMUNICATIONS POUR LES SYSTEMES ELECTRIQUES : APPLICATION DES NOUVELLES TECHNOLOGIQUES DE LA COMMUNICATION ET DE LINFORMATION....................................................................................................................................................................... 163

6.1. -INTRODUCTION .................................................................................................................................. 164 6.2.- DEFINITIONS DES NTICS.................................................................................................................... 165 6.3.- DESCRIPTION DU SYSTEME DES COMMUNICATIONS DU SYSTEME ELECTRIQUE ................................. 168 6.4.- PROJET CRISP : TESTS DES NTICS .................................................................................................... 174

6.4.1.- Implmentation des composantes NTIC pour la dtection et localisation des dfauts............... 178 6.4.1.1.- Composants NTIC associs aux IPD directionnels (Indicateurs de Passage de Dfauts) ...... 178 6.4.1.2.- Composant NTIC associ un enregistreur de Dfauts (ED) ou systme de protection ........ 179 6.4.1.3.- Composant NTIC associ aux disjoncteurs (DI) ..................................................................... 179 6.4.1.4.- Composant NTIC associ loutil daide la dcision HTFD............................................... 180 6.4.1.5.- Rle de loprateur.................................................................................................................. 181 6.4.1.6.- La Maquette BTH-IDEA.......................................................................................................... 182 6.4.2.- Implmentation des composantes NTIC pour les lotages intentionnels des rseaux de distribution ............................................................................................................................................ 185 6.4.2.1.- Composant NTIC dans les gnrateurs................................................................................... 187 6.4.2.2.- Composant NTIC dans les charges interruptibles................................................................... 188 6.4.2.3.- Composant NTIC dans les protections .................................................................................... 188 6.4.2.4.- Composant NTIC dans les interrupteurs................................................................................. 189 6.4.2.5. - Composant NTIC IODI (Islanding Operation Distributed Intelligence): Outil principal...... 189 6.4.2.6. Agents intelligents pour lopration en lotage ..................................................................... 190

6.5.- AMELIORATIONS AVEC LINSERTION DES NTICS POUR LA PRODUCTION DECENTRALISEE ................ 192 CHAPITRE 7 : CONCLUSION................................................................................................................. 197 CHAPITRE 8 : EUROPEAN PHD - ENGLISH SUMMARY ................................................................ 203

8.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 204 8.2.- ELECTRIC NETWORKS, DISPERSED GENERATION AND MAJORS EVENTS............................................ 205

8.2.1.- Dispersed Generation definition ................................................................................................ 205 8.2.2.- Electric Power Networks and Dispersed Generation................................................................. 205 8.2.3.- Majors Events............................................................................................................................. 209 8.2.4.-Contribution of Dispersed Generation: flexibility and adaptability ........................................... 213

8.3.- ROBUSTNESS INDEX ........................................................................................................................... 214 8.3.1.- Robustness definition.................................................................................................................. 214 8.3.2.- Study of Robustness: Method and Index..................................................................................... 216 8.3.2.1.- Robustness indices................................................................................................................... 217 8.3.2.2.- Evaluation of robustness indices and methodology ................................................................ 223 8.3.2.3.- Appropriate amount of Dispersed Generation Insertion......................................................... 227

8.4.- DISPERSED GENERATION AGAINST MAJOR EVENTS: ISLANDED OPERATION IN DISTRIBUTION NETWORKS................................................................................................................................................................... 229 8.5.- ENERGY REGULATION WITH DISPERSED GENERATION....................................................................... 232 8.6.-INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES APPLIED TO ELECTRIC NETWORKS................. 233

8.6.1.- ICT definition ............................................................................................................................. 233 8.6.2.- ICTs in EPS................................................................................................................................ 234 8.6.3.- CRISP Demonstrator................................................................................................................. 237

8.7.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 242 CHAPITRE 9 : BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................... 247

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ANNEXES.................................................................................................................................................... 255 ANNEXE A .................................................................................................................................................. 257 ANNEXE B .................................................................................................................................................. 265 ANNEXE C .................................................................................................................................................. 267 ANNEXE D .................................................................................................................................................. 271 ANNEXE E .................................................................................................................................................. 277 ANNEXE F................................................................................................................................................... 283

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Chapitre 1 : Introduction

Chapitre 1 : Introduction Continuez le chemin en faisant de votre mieux. Quelquefois on peut penser que

lon est tomb dans lerreur ou quon a t pris par la fatalit. La vie offre toujours

dautres opportunits. Vous pourrez tout recommencer de zro. Lchec nest pas

tomber mais rester terre

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e systme lectrique a volu de faon permanente depuis son apparition la fin du XIXme

sicle. A cette poque, des mini rseaux courant continu se multipliaient, pour alimenter les

charges, prs des centres de consommation, selon le systme Edison. Ces systmes ont

progressivement pass le relais aux systmes courant alternatif avec transformateurs, cest le

systme Tesla-Westinghouse. Puis, dautres innovations sont, de manires chronologiques :

L- linterconnexion des systmes courant alternatif pour favoriser la solidarit entre systmes

nationaux et internationaux,

- luniformisation des vitesses des machines pour tablir une frquence commune de fonctionnement,

- le dveloppement des grandes centrales hydrauliques,

- les amliorations technologiques des centrales thermiques et enfin

- lapparition des grandes centrales nuclaires ont marqus les jalons les plus importants.

Dans les dernires annes, les principaux changements observs sur les rseaux de lUCTE sont lis aux

nouvelles lois europennes et aux proccupations environnementales pour rduire les missions de gaz effet

de serre (Protocole de Kyoto) et favoriser les nergies dites propres, vertes ou moins polluantes. Dans ce

cadre, les technologies des nergies dj connues depuis longtemps comme lolienne (XIXme-XXme sicle),

lnergie solaire ou en dveloppement comme les piles combustibles (PAC), ont t encourages par ces

nouvelles directives europennes.

Dun autre ct, les problmes socio-conomiques lis la multiplication des grandes pannes lectriques qui

causent dabord larrt des activits quotidiennes dun pays et comme corollaire, la perte de confiance des

utilisateurs voient leur frquence augmenter. Malheureusement, les pannes se manifestent danne en anne

malgr les retours dexprience et les innovations techniques et autres adaptations. Une des solutions

envisageables pour les rduire pourrait venir de lutilisation locale de centres de production permettant la

survie de sous-systmes actifs de puissance. Dans ce sens, la production dcentralise devient un acteur

potentiellement majeur.

Des grands projets dinsertion de production non centralise (ou dcentralise) ont t lancs, comme

lnergie olienne en Allemagne, en Espagne ou au Danemark. Toutefois ces nouvelles productions ne sont

pas sans effets ngatifs sur les rseaux de distribution auxquels ils sont interconnects et qui nont pas t

conus cet effet [CAI-04], [CAN-00]. Dailleurs, les impacts de la production dcentralise peuvent

stendre jusquaux rseaux de transport laissant la place une nouvelle perception dun systme en

volution continue. Cette interaction entre les rseaux lectriques et les insertions de productions

dcentralises sera tudie dans ce travail de recherche afin de trouver des lments qui permettront de

dfinir une insertion et une dmarche optimales et robustes vis--vis du bon fonctionnement global.

Le chapitre 2 donne une vision globale des concepts classiques, des rseaux lectriques, qui restent toujours

dactualit comme les cheminements de lnergie lectrique, les types de production centralise ou

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dcentralise, les mcanismes de formation des incidents majeurs ainsi que les solutions techniques qui

peuvent tre envisageables pour faire face la propagation des grandes pannes lectriques.

Ensuite, le chapitre 3 prsentera une vision novatrice de la robustesse apportant une dfinition originale via

des critres dfinis cet effet. La dfinition de la robustesse est accompagne dune mthodologie dtude

sappuyant sur ces diffrents indices de robustesse qualifiant la gravit de la situation du systme face aux

perturbations , ces perturbations pouvant amener le systme des points de fonctionnement non souhaitables

et/ou peu robustes.

La robustesse du systme, par une adaptation voulue et donc dirige, est aussi amliore en grant des

fonctionnements dgrads comme les lotages intentionnels (voir chapitre 4). Ces modes de

fonctionnement ne peuvent pas chapper aux rgles de tenue de frquence et de profil de tension ; ceci amne

des tudes de faisabilit dlotage accompagnes par des critres de robustesse spcifiques.

Le chapitre 5 sintresse aux nouvelles possibilits apportes par linsertion massive de la Production

Dcentralise. Cette insertion massive pourrait ainsi faciliter la gestion du rseau par un apport

supplmentaire de Rserves Primaires, ces rserves pouvant tre une plus-value conomique pour les

producteurs. Une proposition est donc faite : ces rserves devront tre contractuelles et de ce fait disponibles.

Une partie du projet europen CRISP (Critical Infrastructure for Sustainable Power) [CRI-03] a

partiellement fait lobjet de travaux dvelopps dans cette thse . En effet, dans ce contexte europen, un

sjour de 6 mois au sein de BTH (Blekinge Institut of Technology, Sude) a t effectu afin dexplorer et de

tester lapport Nouvelles Technologies de lInformation et de la Communication (NTICs) pour accompagner

notre dmarche de type rseaux . Le chapitre 6 restitue cette dmarche.

Enfin, une conclusion et des annexes terminent cette thse.

Un rsum en anglais (voir chapitre 8) est inclus dans ce mmoire pour lobtention du label europen.

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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs


Concentrez vous sur les aspects positifs : statistiquement, les personnes

malheureuses ont les mmes possibilits de russir que celles qui sont heureuses.

Si vous laissez le malheur vous gagner, vous deviendrez malheureux, mais si vous

restez attentifs au bonheur, les sentiments despoir et de joie voyageront avec

vous

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2.1.-Lhistoire du systme lectrique en bref

Ds son origine, llectricit a jou un rle primordial dans la mise en place des systmes de communication

et de transport. Ainsi, la premire utilisation technique du courant lectrique a t le tlgraphe puis les

dbuts de lclairage ou des piles thermolectriques et enfin la cognration partir de la combustion du bois.

Les prix excessifs des services et des quipements ncessaires ont induit une lenteur dans sa mise en place.

Comme toute nouvelle technologie, elle avait besoin du dveloppement des composants et des applications

pour simplanter.

Aujourdhui, llectricit est largement tendue. Deux types de systmes de nature diffrente sont

prsents dans nos rseaux lectriques :

Les systmes lectriques courant continu : le flux des lectrons se produit toujours dans la mme direction (DC, Direct Current). Le courant continu a t initialement utilis pour la gnration

dlectricit avec un but commercial la fin du XIXme sicle. Il a t abandonn cause des

nombreux avantages des systmes courant alternatif, plus appropris au transport de lnergie sur

de longues distances via des tensions plus leves. Il y a actuellement un regain dintrt pour les

connexions sous marines, le couplage de rseaux diffrents ou encore le transport trs longue

distance, du fait notamment des volutions dues llectronique de puissance. Dautres rseaux

comme ceux embarqus sont galement concerns par le courant continu (vhicules lgers,

btiments de surface entre autres).

Des systmes lectriques courant alternatif : le flux des lectrons se produit avec un changement rptitif damplitude et de direction. Idalement, le signal est sinusodal (AC, Alternating Current).

Le choix du systme a donn lieu un rel conflit entre Thomas Alva Edison dune part et Nikola Tesla et

George Westinghouse dautre part. Le premier systme de distribution de llectricit a t dvelopp par

Edison sur la base du courant continu. Puis, lutilisation du courant alternatif a provoqu une forte dispute

entre les partisans des deux systmes. En fait, Edison voulait faire valoir les royalties quil avait sur les

gnratrices DC. Il en est arriv au point de faire la promotion de la chaise lectrique ! Il voyagea travers

les Etats-Unis pour dmontrer le niveau de dangerosit que lAlternatif avait face au Continu aux mmes

niveaux de tension (ce qui est bien sr faux) !

Dun point de vue technique, le courant continu posait un problme de changement de niveau de tension, ce

qui rendait le transport, sur longues distances, problmatique. Pour palier ce problme, Edison avait dj

mis lide de la production dcentralise en produisant llectricit sur les lieux de consommation.

Lalternatif, en revanche, au vu dune technologie de transformateurs mature na pas rencontr ce genre de

limitations, ce qui, par la suite, a favoris son dveloppement spectaculaire.

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Beaucoup plus tard, les systmes AC existants fonctionnaient en poches de diffrents frquences : 16 2/3 Hz

(rseaux ferroviaires), 50 Hz, 60 Hz entre autres. Les diffrents pays ont d faire un effort de normalisation

pour travailler une mme frquence. Ainsi, lEurope continentale a opt pour 50 Hz tandis que lAmrique

a prfr conserver ses 60 Hz du fait dj accompli et des changements par trop onreux pour tre effectus.

Le dveloppement des structures existantes a donn lieu lapparition dinterconnexions internationales dans

un temps o le rseau ntait pas maill. Ces interconnexions couvraient bien les rgions aux frontires car, il

fallait chercher des consommateurs proches des nouvelles centrales construites, par exemple : lexploitation

de lnergie hydraulique en Suisse avec les interconnexions Suisse-France, Suisse-Autriche et Suisse-

Allemagne. Plusieurs problmes techniques ont du tre rsolus [TI-02] par la marche en parallle des

alternateurs, le rglage de la puissance et de la frquence ou la matrise des transits de puissance entre autres.

Ces problmatiques techniques nont pas t les seules devoir tre rsolues dans un systme soumis une

volution constante : dveloppement des nouvelles technologies pour les centrales nuclaires et thermiques,

dotation des centrales hydrauliques dans les annes 60-70, nouvelles directives europennes pour la

libralisation du march de llectricit et la rduction des missions polluantes [EU-96], [EU-01].

La gnration dnergie est normalement ralise laide de grandes centrales bases sur le thermique

flamme, le nuclaire ou bien encore lhydraulique. Aujourdhui, ceci nest plus le cas car des systmes non

conventionnels base de renouvelable ou dnergie fossile sont mis contribution. Ces nouvelles injections

dnergie font partie de la production dcentralise raccorde au rseau lectrique diffrents niveaux de

tension selon le niveau de la puissance nominale. De faon gnrale, il est possible de dire que, en France, les

groupes de plus de 12 MW sont raccordes au rseau de rpartition (90 kV, 63 kV) et les groupes de moins

de 12 MW vont se raccorder au rseau de distribution (20 kV, 0.4 kV).

Systme de TRANSPORT

Systme de REPARTITION

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Grandes centrales: nuclaires,thermiques, hydraulique

Cognration, Parcs oliens

Petits producteurs: olien,Diesel,

turbines

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Petits producteurs: olien,Diesel,

turbines

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Figure. 2.1.- Insertion de la production dcentralise dans le systme lectrique

Concernant la production dcentralise, les systmes base dnergies fossiles font rfrence aux micro-

turbines gaz, aux groupes Diesels et autres systmes de cognration. Les systmes base dnergies

renouvelables ou non conventionnelles font rfrence lnergie olienne, hydraulique, photovoltaque et

la biomasse, entre autres. Notons que les piles combustibles en tant que vecteur nergtique peuvent faire

appel une nergie comme une autre selon le processus de gense du carburant.

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Toutes les sources dnergie renouvelables sont perues comme des dispositifs prometteurs pour accomplir

les obligations drives des accords internationaux comme les directives europennes ou le protocole de

Kyoto. Une estimation dinsertion dnergie renouvelable a t apporte par lETSO (European

Transmission System Operators) [ET-03]. Cette figure montre la tendance linstallation de la nouvelle

production dcentralise ; lnergie hydraulique est la source qui contribue le plus une nergie renouvelable

installe.

Figure. 2.2.- Donnes ETSO par rapport la capacit de production renouvelable

En revanche, les schmas directeurs dinstallation de la production dcentralise se concentrent sur le

dveloppement des installations oliennes. Lexploitation des gisements oliens est ainsi la voie directrice

pour atteindre ces objectifs contractuels. Ainsi, des pays comme la Danemark ou lAllemagne sont en train de

promouvoir linstallation des turbines oliennes. LAllemagne a prvu une augmentation de sa capacit

olienne de 13 GW (donnes mi-2003) 30 GW pour lanne 2010. Le gouvernement danois, quant lui a

ralis des plans pour installer 4 GW doff-shore et 1.5 GW don-shore avant lanne 2030. Les dernires

donnes EWEA actualises pour 2007 prsentent une vritable acclration de linstallation dolienne en

Europe.

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Figure. 2.3.- Donnes EWEA sur la puissance olienne installe pour lanne 2007 [EWEA-08]

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2.2- Rseaux Electriques 2.2.1.- Composition des rseaux lectriques

Traditionnellement, les rseaux lectriques sont dcomposs en trois sous-systmes : la gnration, le

transport et la distribution. Chaque sous-systme est reli par des postes sources chargs de ladquation des

niveaux de tension [RAM- 06]. En France, les niveaux de tension les plus employs sont : 400kV/225 kV

pour le transport, 90kV/63kV pour la rpartition et 20kV/400V pour la distribution.

Figure. 2.4.- Architecture traditionnelle des diffrents sous-systmes des rseaux lectriques : de la

gnration la distribution de lnergie en passant par le transport et la rpartition.

La distinction des diffrents sous-systmes se base, non seulement dans une diffrence de niveau de tension

mais aussi dans les fonctions que chacun doit assumer :

Transport et lignes dinterconnexion : Ces rseaux lient les principaux centres de production avec les zones de consommation. La tension dpend du pays, mais usuellement, le niveau de tension pour le

transport est tabli entre 220kV et 800 kV. Les distances gographiques entre les centres de

consommation, la variabilit ou la versatilit de la charge et limpossibilit de stocker lnergie en

grande quantit ont cr le besoin dun systme lectrique capable de transmettre lnergie lectrique sur

de longues distances. Ces lignes de transport et dinterconnexion peuvent avoir des milliers de

kilomtres. Le rseau franais en compte, lui seul, 100000 km. Les missions des rseaux de transport

sont : le transport de lnergie, linterconnexion nationale et linterconnexion internationale pour

changer des puissances et favoriser la solidarit des systmes en cas durgence. Le niveau de la tension

doit tre lev car les pertes Joules sont inversement proportionnelles au carr de la tension (p= k/U2)

avec U la tension du rseau et k une constante qui dpend des lignes. Le transport dnergie lectrique

est ralis avec des liaisons courant continu (DC) ou courant alternatif (AC). Les lignes AC pour les

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longues distances ont des inconvnients lis aux problmes de stabilit et de compensation de lnergie

ractive pour conserver un bon niveau de tension. Les liaisons courant continu nont pas ces

problmes et ont mme un cot plus bas sur des distances suffisamment longues. Par contre, ils

ncessitent lutilisation de convertisseurs AC/DC et DC/AC. Enfin, les rseaux de transport sont plus ou

moins maills, avec les sections des lignes variant de 570 1200 mm2.

Rpartition : Le but de ces rseaux est damener lnergie du rseau de transport aux centres de consommation dnergie les plus importants. Ces centres de consommation sont publics ou privs (plus

de 10 MVA), essentiellement des industries de lacier, des produits chimiques, le chemin de fer, pour ne

citer que les plus importants.

Leur niveau de tension, est souvent compris entre 45kV et 160 kV. Il est organis normalement sous

forme de boucle et avec un transit de lnergie souvent bidirectionnel. La structure de ces rseaux est

essentiellement arienne. Par contre, lorsquils sont proches des villes, les lignes deviennent des cbles

enterrs.

Distribution : Les rseaux de distribution acheminent lnergie lectrique du rseau de rpartition (ou de transport) aux clients rsidentiels et aux petits clients industriels. Les tensions des rseaux de distribution

sont comprises entre 230V 400V pour la basse tension et 4kV 45 kV pour la moyenne tension. La

structure des rseaux de distribution est bouclable et exploite en radial. Nanmoins, certains pays

disposent de rseaux maills et avec la possibilit dune exploitation en boucle ferme [D11-02].

La conduite et lexploitation dun tel type de systme, aux fins dassurer, tout instant, lquilibre

consommation/production aux pertes prs, passe par la prvision des charges et la mise disposition des

consignes de gnration ncessaires pour faire face la demande dnergie. La variabilit de la charge avec

les contraintes sociales et environnementales comme la variation de la charge avec la temprature (exemple

1200MW/C), laugmentation de la charge cause des retransmissions sportives, programmes spciaux ou

autres, font que le gestionnaire du rseau de transport doit planifier non seulement les gnrations dnergie

pour couvrir la demande prvue mais aussi les rserves pour fournir lnergie des alas et incidences

possibles.

Les rserves dont un systme lectrique dispose normalement sont prsentes dans les sections suivantes.

Dans la figure 2.5, le cas du RTE (gestionnaire du rseau de transport franais) [RTE-02] est illustr. Elles

peuvent tre classifies selon diffrents critres :

Nature automatique ou manuelle : les rglages automatiques (secondaires et tertiaires) rpondent aux rserves propres au systme pour maintenir les 50 Hz de frquence nominale du systme. La

rserve primaire reprsente la rgulation de vitesse des centrales avec un concept de statisme, pente

de variation de la puissance avec la frquence. Ce statisme permet la rpartition naturelle de

lutilisation de la rserve entre les centrales. Normalement, les centrales franaises ont des statismes

de lordre de 4 5%. Le statisme est intimement li la capacit dynamique de rponse des

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gnratrices. Le rglage secondaire permet de revenir au 50 Hz une fois que la rserve primaire a t

utilise pour encaisser un transitoire important. Ce rglage secondaire tient compte de la capacit

des centrales changer leurs points de consignes.

Les rglages manuels rpondent plutt aux contraintes doptimisation conomique et technique et du

point de fonctionnement du systme. Ces rglages manuels incluent les rserves tertiaires et les

puissances de groupes mobilisables au-del de 30 minutes.

Nature de la gestion pour la gestion en temps rel ou pour une gestion en prvisionnel (groupes mobilisables au-del de 2h) :lquilibre de la charge et de la demande doit tre assur pour garantir

les conditions nominales de qualit de lnergie en temps rel. Une gestion, doit donc tre effectue

dans deux chelles de temps, court terme et moyen terme. Les objectifs des gestions sont

toujours la qualit et la scurit mais les optimisations ne tiennent souvent pas en compte les mmes

objectifs, disponibilit de producteurs et cots.

Figure. 2.5.- Rserve du systme de transport [RTE-02]

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2.2.2- Stabilit des rseaux lectriques

Ce sous-chapitre prsente un rsum des diffrents critres pour valuer la stabilit dun systme lectrique

selon la nature de ltude et des phnomnes tudis.

La stabilit dun systme lectrique de puissance est dfinie comme la capacit du systme maintenir un

tat dquilibre pendant et aprs dventuelles perturbations et de rcuprer un nouvel tat dquilibre qui

peut tre diffrent de celui du dpart. La stabilit est un problme bas sur les facteurs suivants :

La nature physique de linstabilit ;

La svrit de la perturbation qui apparat dans le systme ;

Les dispositifs, les processus et lchelle de temps tenir en compte ;

Les mthodes appropries de calcul et de prdiction de la stabilit concerne ;

Dans un rseau lectrique, il existe deux classes principales de stabilit : la stabilit angulaire et la stabilit de

tension. Ces deux types de stabilit sont plus ou moins relis et dfinis dans des situations extrmes :a) un

gnrateur synchrone raccord au rseau infini par lintermdiaire dune ligne de transport est utilis pour les

tudes de la stabilit des angles et b) une charge raccorde au rseau infini par lintermdiaire dune ligne de

transport est utilise pour les tudes de la stabilit de tension. La figure 2.6 montre une classification des

diffrents types de stabilit [KUN-94].

Ainsi, diffrents types de stabilit peuvent tre numrs : stabilit de tension, stabilit de frquence, stabilit

en petits signaux, stabilit des angles, stabilit transitoire, stabilit moyen terme, stabilit long terme.

Stabilit des angles : la stabilit des angles est lie la capacit des machines maintenir le synchronisme du rseau, elle ncessite ltude des oscillations lectromcaniques. Le paramtre

principal est la puissance en sortie de la machine synchrone qui varie comme la vitesse de son rotor.

La stabilit des angles peut tre classe en deux catgories :

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STABILITE des

ANGLES

STABILITE de

TENSION

STABILITE PETITS

SIGNAUX

STABILITE TRANSITOIRE

STABILITE

MOYEN TERME

STABILITE de

TENSION

PETITEPERTURBATION

STABILITE

LONG TERME

STABILITE de

TENSION

GRANDEPERTURBATION

INSTABILITENON-OSCILLATOIRE

INSTABILITEOSCILLATOIRE

STABILITE du

SYSTEME ELECTRIQUE

STABILITE des

ANGLES

STABILITE de

TENSION

STABILITE PETITS

SIGNAUX

STABILITE TRANSITOIRE

STABILITE

MOYEN TERME

STABILITE de

TENSION

PETITEPERTURBATION

STABILITE

LONG TERME

STABILITE de

TENSION

GRANDEPERTURBATION

INSTABILITENON-OSCILLATOIRE

INSTABILITEOSCILLATOIRE

STABILITE du

SYSTEME ELECTRIQUE

Figure. 2.6.- Classification de la stabilit des rseaux lectriques [KUN-94].

o Stabilit en petits signaux : cest la capacit dun rseau lectrique maintenir le synchronisme aprs de petites perturbations de charge ou de gnration. Lors de leurs tudes,

les perturbations sont considres suffisamment petites pour pouvoir linariser les quations du

systme. Linstabilit peut tre divise en deux familles : laugmentation permanente de langle

rotorique due linsuffisance du couple synchronisant, et laugmentation de lamplitude des

oscillations du rotor due linsuffisance du couple damortissement. Ainsi les deux types

dinstabilits en petits signaux sont les suivantes :

Instabilit non oscillatoire : insuffisance du couple synchronisant qui amne une augmentation permanente de langle rotorique.

Instabilit oscillatoire : insuffisance de couple damortissement ; action instable de rglage (modes locaux, modes inter-zones, modes de rglage, modes torsion).

o Stabilit transitoire : cest la capacit dun rseau lectrique maintenir le synchronisme suite aux grandes perturbations. Le systme est instable cause dune grande excursion de langle

rotorique du gnrateur. Ce type dinstabilit dpend de ltat initial de fonctionnement du

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systme et de la gravit de la perturbation. Usuellement, le systme passe alors dun rgime

permanent avant la perturbation un autre rgime permanent (diffrent du prcdent) aprs la

perturbation.

Stabilit de la tension : cest la capacit dun rseau maintenir en permanence des tensions acceptables pour tous les nuds la suite dune perturbation. Le problme de linstabilit de tension

du rseau lectrique est d la non matrise de la puissance ractive et la chute progressive de

tension la suite des perturbations tels laugmentation de la charge ou le changement du rgime de

fonctionnement. Le paramtre principal de cause dinstabilit de tension est lincapacit du rseau

fournir une puissance ractive suffisante. La chute de tension est gnralement due une

accumulation de transit des puissances active et ractive sur les lignes dun rseau. Un rseau est dit

stable en tension si lamplitude de tension augmente avec laugmentation de puissance ractive

injecte dans le mme nud. Il est instable en tension si lamplitude de la tension dun nud, au

moins, diminue avec laugmentation de la puissance ractive injecte. Autrement dit, le rseau est

stable en tension si la sensibilit dV/dQ est positive pour tous les nuds, et instable en tension si au

moins un nud dans le rseau a une valeur de sensibilit dV/dQ ngative. Comme pour la stabilit

des angles, la stabilit de tension peut tre classe en deux sous-catgories :

o Stabilit de tension dynamique : cest la capacit dun rseau lectrique contrler la tension aux diffrents nuds, la suite de perturbations svres comme des courts-circuits, la perte

des groupes de production ou de lignes. Cette capacit est dtermine par les caractristiques

de charge du rseau et les dispositifs de rgulation et de protection. Lanalyse de la stabilit

aux grandes perturbations ncessite la prise en compte de la non linarit des quations

dynamiques des dispositifs de rseau comme le transformateur avec rgleur en charge et les

limiteurs de courant dexcitation du gnrateur. La dure dtude de cette stabilit est

typiquement de quelques secondes quelques dizaines de minutes. Le critre de stabilit en

grande perturbation consiste garder la tension de tous les nuds du rseau dans des valeurs

acceptables suite une grande perturbation et suite aux actions de rglage du rseau.

o Stabilit de tension statique : cest la capacit dun rseau lectrique contrler la tension aux nuds suite des perturbations comme laugmentation progressive de charge ou de petits

changements du rseau. Cette forme de stabilit est dtermine par les caractristiques des

charges et les dispositifs de rgulation et de protection linstant tudi. Ce concept est utilis

pour dterminer comment la rponse en tension volue en fonction de petites modifications du

rseau nimporte quel instant. Les analyses statiques peuvent tre utilises pour calculer la

marge de stabilit, identifier des variables influenant la stabilit et examiner ltat du systme

dans un grand nombre de configurations. Le critre de stabilit aux petites perturbations est

satisfait sil y a laugmentation de lamplitude de tension dun nud quelconque du rseau lors

de laugmentation de la puissance ractive injecte dans ce mme nud.

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Stabilit moyen-terme : il sagit de grandes excursions de tensions et de frquence, avec des dynamiques rapides ou lentes, et des temps typiques dtude jusqu quelques minutes.

Stabilit long-terme : frquence du systme uniforme, dynamique lente, temps dtude jusqu des dizaines de minutes.

Dans la figure 2.7, la dynamique des diffrents moyens du systme et de diffrents types dtude est

ainsi prsente.

Figure. 2.7.- Constantes de temps pour la dynamique de diffrents moyens et tudes du systme lectrique [NOV-04]

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2.3.-Production Dcentralise 2.3.1.- Dfinition de la Production Dcentralise

Le raccordement au rseau de nouveaux producteurs fait merger de nouveaux concepts. Ainsi, pendant la

dernire dcennie, les termes de Production Dcentralise, Production Distribue, Gnration dEnergie

Distribue, Gnration Disperse, Ressources dEnergie Distribus ont envahi la littrature scientifique,

politique et conomique du systme lectrique.

Il ny a pas un seul critre pour dfinir la signification de chaque terme ; chaque association, groupe de

travail ou auteur a sa propre dfinition. Ainsi, le terme Production Dcentralise ne fait pas rfrence tous

les producteurs raccords au systme lectrique. Seuls quelques-uns remplissant certaines conditions font

partie de la Production Dcentralise. Gnralement, le paramtre utilis est le point de raccordement au

rseau. La Production Dcentralise est dfinie, dans cette thse, comme toute source dnergie raccorde au

rseau de transport, de rpartition ou distribution et qui fait partie des nergies non conventionnelles

(olienne, solaire, piles combustible entre autres) ou conventionnelles de petite puissance < 200MW

(micro-turbines gaz, cognration, moyen de stockage de lnergie entre autres), hors des grandes centrales.

Finalement, il faut retenir que la Production Dcentralise est reprsente non seulement par les moyens de

gnration dnergie mais aussi par les moyens de stockage capables de fournir une certaine puissance. Les

technologies de stockage sont varies et vont des systmes lectrochimiques aux barrages hydro-lectriques

en passant par les super capacits, volants dinertie, supraconducteurs entre autres,

2.3.2.- Production Dcentralise et Production Centralise

Historiquement, le renforcement des rseaux lectriques a t effectu avec linsertion des nouvelles units

de production centralises, la construction des nouvelles lignes lectriques et lextension de systmes de

distribution traditionnels. Aujourdhui, la libralisation du march de lnergie encourage lintgration de

nouveaux producteurs dcentraliss. En comparant la production centralise, les avantages et inconvnients

de la production dcentralise sont les suivants :

Les nouveaux petits producteurs sont souvent bass sur des nergies renouvelables. Ils constituent des productions dnergie moins polluantes que les centrales thermiques et nuclaires.

Le temps ncessaire pour linstallation de la production centralise et les lignes de transport inhrentes est normalement long (de 7 10 ans) cause des tudes environnementales ncessaires

lapprobation des projets, lexpropriation des terrains, le dimensionnement et enfin la construction.

Par contre, le temps dinstallation dune production dcentralise peut tre assez court, jusqu

moins de 6 mois.

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Les grandes centrales ont besoin dinfrastructures spciales comme des routes pour fournir les quipements. Des lignes lectriques ddies sont quelquefois ncessaires pour fournir lnergie

durant les travaux.

Le risque des investissements est moins critique dans le cas de la production dcentralise due lindpendance du prix des matires primaires, hors cognration ; cela a dailleurs t confirm

pendant la crise de 1979. Par ailleurs, la production dcentralise peut tre place l, o il y a un

besoin dnergie et elle suppose donc une rduction des pertes et un risque financier rduit.

La drgulation ou libralisation ont largi le cercle des acteurs de production dcentralise. Et mme si pour linstant, ce sont le mcanisme de subvention qui fait vivre la filire, cela reprsente

un effet moteur pour les petites entreprises et lconomie du pays. Des accords ventuels entre petits

producteurs pourraient former une offre globale dans le march de lnergie et activer les

mcanismes de concurrence.

Le temps pour mettre en service lnergie est bien plus rduit que dans le cas de la production centralise parce que la capacit de rgulation de la production centralise est bien plus restreinte

Ainsi les centrales nuclaires ont une capacit rduite de rgulation et ils doivent, de ce fait,

fonctionner dans une plage troite par rapport la puissance nominale, S > 85% Sn

Toutefois, la production dcentralise ne peut tre une alternative elle seule car des impacts ngatifs peuvent apparatre ( chapitre 4).

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2.3.3.- La Protection de la Production Dcentralise

La lgislation franaise prvoit diffrents types de protection selon lobjectif final de celle-ci. Ainsi, trois

types principaux de protection peuvent tre numrs : la protection de dcouplage, les protections des

machines et les protections du rseau proprement dites.

Les protections dans le rseau ont pour but llimination de dfauts dans le rseau, c'est--dire la protection des biens et des personnes. Cette tche est normalement ralise par des mesures du

courant (et mesures de la tension homopolaire).

La protection entre le rseau et la production dcentralise (ou protection de dcouplage) est place au le point de raccordement de la production dcentralise et du rseau. Le but de cette protection

est de protger les gnrateurs dun mauvais tat de fonctionnement dans le rseau,ou, les personnes

charges de la rparation du rseau. Ainsi, lorsquun tronon est dconnect, il faut viter que les

producteurs dcentraliss nlectrocutent les agents responsables de la maintenance ou de la

rparation.

Figure. 2.8.- Protection de dcouplage dans le rseau de distribution 20 kV [ENA-04]

HTB/HTA

D

D

~

Dp

Rame Rseau Distribution

GED

Rglage

tension

P constant

Relais

Protection

Charge

Mesure U

OD

D - Disjoncteur

Dp - Disjoncteur de raccordement du producteur

OD - Ordre de dclenchement

TT - Transformateur de tension

U - Tension compose

TT

Les conditions anormales peuvent se produire lors dlotages non intentionnels et autres vnements

qui provoquent une grande variation de la tension et de la frquence. Dans la figure 2.8, un exemple

de protection de dcouplage est montr. Elle prend en compte la mesure de tension et partir de

celle-ci, elle identifie la frquence du rseau. Ensuite, les valeurs de tension et frquence sont

compares aux seuils qui dtermineront le dclenchement de la protection. Ces seuils ne sont pas

uniques. En France et pour les rseaux de distribution, il en existe 5 types diffrents. Le choix du

type de protection installer par le producteur relve de la responsabilit de la compagnie de gestion

du rseau de raccordement (soit le transport ou la rpartition soit la distribution), [EDF-00].

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Paramtre Type 1.1 Type 1.2 Type 1.3 Type 1.4 Type 1.4

modifi Type 1.5

Dconnexion

distance Non Non Non Oui Oui Non

Vo max

(%Vnom)

10%

100 ms

10%

to +500 ms

10%

to +500 ms

10%

to +500 ms

10%

to +500 ms

10%

to +500 ms

V max (%V

nom)

115%

100 ms

115%

100 ms

115%

100 ms

115%

200 ms

115%

200 ms

115%

200 ms

V min1 (%V

nom)

85%

100 ms

85%

100 ms

85%

t1+500 ms

85%

t1+500 ms

85%

t1+500 ms

85%

t1+500 ms

V min2 (%

V nom)

25%

100 ms

25%

100 ms

25%

100 ms

25%

100 ms

fmax(Hz) 51 51 50.5 51

t1+500 ms

50.5

100 ms

51

t1+500 ms

fmin(Hz) 47.5

100 ms

47.5

100 ms

49.5

100 ms

47.5

t1+500 ms

49.5

100 ms

47.5

t1+500 ms

Tableau. 2.1.- Diffrents seuils de dclenchement selon le type de protection de dcouplage [EDF-00]

Protections des producteurs et rseaux industriels tertiaires :

o Protections des rseaux industriels : il sagit typiquement dinterrupteurs placs au point de raccordement avec le rseau principal et qui sont dclenchs par mesure de courant.

o Sont dsignes comme protection des producteurs toutes les diffrentes protections existantes pour assurer la scurit des machines et turbines (survitesse, excitation,

surintensit, tempratures entre autres)

2.3.4.-La Capacit de Black-Start de la Production Dcentralise

La procdure de reprise du systme inclut lensemble des actions ncessaires pour reprendre le systme

aprs un incident majeur ou black-out. Normalement, les lgislations obligent les diffrentes entreprises et

oprateurs prvoir une procdure pour la reprise gnrale du systme en cas de dfaillance : la faon de re-

nergiser le systme, lordre des synchronisations raliser, lordre des charges ralimenter. Cette

procdure de reprise gnrale inclut diffrentes tches telles que :

La dfinition et la dmarcation de chaque zone implique dans laction.

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La description des mthodes appliquer pour le diagnostic et ltat des centrales comme premire tape avant de commencer la reprise globale.

La description des tapes de renvoi de la tension.

La description des accords pour entreprendre des actions coordonnes par rapport aux niveaux de la tension, et des puissances active et ractive.

La description de la squence et de lordre des charges rcuprer dans les diffrents niveaux de tension.

La description dune procdure de communication (priorits, portes paroles, entre autres) Les oprateurs du rseau de transport ont la responsabilit dtablir le plan de restauration et doivent

tenir compte de tous les acteurs du systme. Un lment cl dans la reprise gnrale est la possibilit de

dmarrage de certaines units sans soutien externe de tension (black-start). Le temps pour le dmarrage des

diffrentes units est un des paramtres les plus importants dans le contrle, la restauration et la cration de

sous-systmes indpendants. La table suivante montre le temps estim pour dmarrer diffrents moyens de

production.

Type de centrale Temps de dmarrage

Centrales thermiques classiques Quelques heures

Centrales nuclaires De 20 30 heures

Turbines gaz Quelques dizaines de minutes

Groupes hydrauliques Quelques minutes

Turbines oliennes Trs rapides

Piles combustible Trs rapides

Panneaux photovoltaques Trs rapides

Cognration Dpend du systme

Tableau. 2.2.-Temps ncessaire pour le dmarrage de diffrentes centrales

La capacit black-start de la production dcentralise peut tre rsume dans le tableau 2.3 [VAR-01]:

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Type de Production centralise

Flexibilit de la

gnration Rserves

Contrle de la

frquence

Contrle de la

tension

Capacit Black-start

ParticipationAu courant De dfaut

Centrales traditionnelles Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Cognration Oui Oui Oui Oui Oui Oui Groupes Diesel Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Turbines oliennes Machine

asynchrone Couple

directement au rseau

Non Non Non Non Non Non


asynchrone double

alimentation

Oui Oui Oui Oui Oui Non


synchrone Couple travers

dun convertisseur

Oui Oui Oui Oui Oui Non

Photovoltaque Non Non Oui Oui Oui Non Micro-turbine Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Piles combustible Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Stirling Oui Oui Oui Oui ? Oui Hydro Oui Oui Oui Oui Oui Oui

Tableau. 2.3.- Performances techniques de diffrents moyens de production

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2.3.5.- Impacts de la Production Dcentralise

La production dcentralise peut occasionner quelques impacts sur le systme lectrique. Ces impacts

peuvent tre classs en deux groupes : les impacts sur la distribution et les impacts sur le transport.

Dun premier ct, les principaux impacts sur le systme de distribution sont les suivants [CAI-04],

[CAN-00] et [AMP-00]:

Impacts sur le sens traditionnel dcoulement de lnergie, le systme lectrique a t dimensionn

pour un flux de puissance du systme de transport vers le systme de distribution dans une dynamique

top-down. Ainsi, il est possible que lnergie soit injecte partir du systme de distribution dans le

systme de rpartition et de transport. Ceci implique un besoin de bidirectionnalit dans lquipement

mis en jeu.

Impacts sur le plan de protection, dimensionnement des seuils des protections, slectivit entre protections et possibilit dune mauvaise opration, dclenchements intempestifs, aveuglement des

protections.

Impacts sur le profil de la tension cause des injections ou demandes dnergie.

Impacts sur la stabilit du systme cause de linsertion de machines synchrones qui changent le temps critique dlimination de dfaut du systme.

Impacts sur la qualit de lnergie (forme et valeur efficaces de la tension, dsquilibres entre autres).

Impacts sur la planification du rseau, son contrle et son exploitation. Ceci implique une nouvelle observabilit des rseaux de distribution car ils ont t conus comme un lment passif. Avec la

production dcentralise, ces rseaux deviennent actifs. La production dcentralise devrait tre, dans

lidal, contrlable par les compagnies lectriques et les oprateurs de la distribution (DNO,

Distribution Network Operators), ce qui signifie une augmentation des donnes acqurir par le

systme SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

Impacts conomiques sur les marchs de lnergie : des associations et accords entre producteurs dcentraliss pourraient favoriser la concurrence et, au final,une baisse du prix de lnergie (march

journalier, mcanismes de compensations des quilibres, march des rserves, services systmes).

Dun autre ct, les principaux impacts quune grande quantit dinsertion de la production dcentralise

peut provoquer dans le systme de transport, sont les suivants :

Le risque de congestion dans des zones spcifiques : linsertion des sources intermittentes est normalement localise dans des zones o les conditions climatiques sont plus appropries. Ceci

provoque le besoin dun renforcement local du rseau vu les possibilits de congestions locales.

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Lintermittence des sources dnergie provoque une incertitude dans le systme en terme de quantit dnergie gnre et de la localisation de linjection : le rseau lectrique doit tre prt accueillir

un nombre important de producteurs sans connatre a priori ni la position, ni la puissance quils vont

dbiter.

Le changement des marges dexploitation comme consquence du besoin dun systme de suivi non seulement de la charge mais aussi de lintermittence des sources.

Lapparition des flux dnergie ractive inattendus dans le systme de transport lorsque le flux de puissance active est infrieur la puissance naturelle de la ligne [AMP-00].

Liaison Q fournie vide

(MVAr/km)

Q absorbe en

charge max

(MVAr / km)

P maximale

admissible

(MVA)

Puissance

naturelle

(MVA)

Ariennes 63 kV 0.012 0.400 85 10

Ariennes 225 kV 0.130 1.400 425 130

Ariennes 400 kV 0.600 9.000 2350 550

Souterraines 63 kV 0.320 0.400 120 100

Souterraines 225 kV 4.500 0.140 240 1500

Tableau. 2.4.- Puissances ractives et puissance naturelle triphase de quelques lignes et cbles

La fermeture ou le non remplacement des grandes centrales cause des raisons conomiques et environnementales.

La perte de la production dcentralise par des conditions climatiques rudes, soit la dconnexion des oliennes par vents excessivement forts (> 25 m/s onshore ou 34 m/s offshore).

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2.4.- Les incidents majeurs

Dans ce paragraphe, le systme lectrique est dfini comme une infrastructure critique pour les

activits des diffrents pays. Ces infrastructures critiques peuvent subir des incidents majeurs. Les incidents

majeurs peuvent tre provoqus par des causes naturelles ou techniques, bien que les sabotages ou attentats

ne puissent pas non plus tre rejets comme causes initiales. Les principales attaques terroristes qui peuvent

tre envisags dans le systme sont brivement dcrites. Les mcanismes dorigine naturelle donnant lieu aux

grandes pannes lectriques et incidents majeurs sont ensuite dtaills. Finalement, quelques constats sur les

dernires grandes perturbations lectriques dans le monde sont apports. A partir de ces constats, des

nouvelles leons peuvent tre tires et quelques solutions techniques peuvent tre envisages

2.4.1.- Le systme lectrique : une infrastructure critique

La dpendance des socits vis--vis de lnergie lectrique est telle que les systmes lectriques

reprsentent des points sensibles dans la vie normale et la dfense dun pays et elle est ncessaire au

droulement normal de la vie quotidienne. Labsence de service dnergie provoque des problmes comme le

manque de chauffage, deau chaude et froide, de communications et larrt des oprations industrielles entre

autres. Les attentats du 11-S et 11-M (11 septembre 2001 et 11 mars 2004), ont fait dcouvrir que tout

pouvait arriver et quune ventuelle attaque terroriste au sein du systme lectrique pouvait crer des

consquences nfastes tant civiles que militaires. Un exemple de limportance du systme lectrique a pu tre

constate aprs lattentat du 11-M Madrid. Les toutes premires mesures prises par le gouvernement furent

la protection des rserves deau, des installations susceptibles de propager un attentat biologique ou chimique

et enfin celle des centrales lectriques. Dans la figure 2.9, deux photos illustrent ce commentaire ; gauche,

il est montr un de trains attaqus le 11-M ; droite, des soldats qui sont chargs de la surveillance de la

centrale thermique du Narcea (Principaut des Asturies, Espagne ).

Figure. 2.9.- Attentat 11-M : surveillance de larme espagnole aprs lattentat (Photo gauche : El Mundo : Rapport du 11-M, le 8 avril 2004 ; Photo droite : La Nueva Espaa, le 7 Avril 2004) Les attaques au systme lectrique peuvent revtir diffrentes formes [AMI-02], [JON-99], [JAM-96] et [D16-04]:

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Attaques directes sur le systme lectrique : le rseau lectrique peut tre lui-mme lobjectif primaire des actions terroristes. Ainsi, il est relativement simple dimaginer des actions sur les

centrales, ses lignes critiques, les principaux postes sources ou les transformateurs. Dautres attaques

pourraient frapper les communications et les marchs de llectricit ; le pire des cas tant une action

sur une centrale nuclaire ou un incident majeur donnant lieu un black-out gnralis.

Attaques des systmes de communications : les systmes dinformation et communication sont ncessaires lacquisition des donnes et au contrle du systme, et ce, pour lestimation de son tat

ainsi que les dcisions correctives et prventives prendre pour viter les dysfonctionnements. Par

ailleurs, la libralisation du march de lnergie a mis en vidence le besoin de coordination des

diffrents acteurs ; de ce fait, linformation doit leur tre mise disposition pour un fonctionnement

harmonieux. La scurit du systme dpend de lintgrit des communications associes aux systmes

dinformation. Une mauvaise protection des ces donnes pourrait donner lieu lintrusion dagents

externes et non autoriss et donc, la possibilit de situations incontrlables et anormales pouvant

endommager le systme et provoquer des situations catastrophiques.

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2.4.2.- Le dispatching du systme : labsence du risque zro

La drgulation du systme lectrique a chang le traditionnel monopole du march de llectricit.

Suite cette drgulation, de nouveaux acteurs sont apparus. La taille des nouveaux acteurs est variable, elle

va de nouvelles entreprises de gnration, ou de nouveaux distributeurs aux agents responsables de la

commercialisation de lnergie ou encore de nouveaux oprateurs indpendants des deux parties : technique

et conomique.

OprateurMarch

Distributeurs

OprateurTransport

Offres degnration

Offres deconsommation

Autres gnrations

changesinternationaux

RseauTransport

Entrepriseslectriques

Flux dnergieFlux dinformation

OprateurMarch

Distributeurs

OprateurTransport

Offres degnration

Offres deconsommation

Autres gnrations

changesinternationaux

RseauTransport

Entrepriseslectriques

Flux dnergieFlux dinformationFlux dnergieFlux dinformation

Figure. 2.10.- Dispatching journalire du systme : boucles entre les oprateurs

Lopration journalire est organise normalement la veille (J-1). Loprateur du march propose un

plan de production pour le lendemain. Ce plan est valu par loprateur technique afin de dterminer sa

viabilit tudie par rapport aux rgles de scurit : critre (N-1) et une tude de risque rduite du systme

dans de telles conditions dexploitation. Si le risque du dispatching est lev, lexploitant prend des mesures

pour diminuer ces risques. Dailleurs, il accepte que le systme soit sauvegard dans certains points de

fonctionnement par des dlestages car il y a des vnements de probabilit plus faible : ainsi peuvent

apparatre des vnements aux consquences svres et pour lesquels le systme nest pas dimensionn. La

figure 2.11 [RTE-02] montre les diffrentes zones de risque auquel loprateur pourrait tre confront dans le

planning journalier. Il est donc vident que le risque zro nexiste pas et que le systme ne prvoit que les

incidences les plus probables.

Profondeurcoupure

potentielle(MW)

Courbe isorisque correspondant au risque maximal accept

Seuil consquencesinacceptables

(600 MW pour un vnement

simple en THT)

ZONE 1: zone des vnements hors normes

ZONE 2: zone de consquences inacceptablesSolution plus coteuse si besoin

Evnenementsdimensionns

ZONE 3: zone des risques inacceptablesSolution plus coteuse si besoin

ZONE 4: zone des risques acceptables

vnements non dimensionns Probabilit faible

Perte jeu de barres 400 kV Pertedune ligne

Pertedun groupe

Courbe isorisque (risque maximal accept)

Profondeurcoupure

potentielle(MW)

Courbe isorisque correspondant au risque maximal accept

Seuil consquencesinacceptables

(600 MW pour un vnement

simple en THT)

ZONE 1: zone des vnements hors normes

ZONE 2: zone de consquences inacceptablesSolution plus coteuse si besoin

Evnenementsdimensionns

ZONE 3: zone des risques inacceptablesSolution plus coteuse si besoin

ZONE 4: zone des risques acceptables

vnements non dimensionns Probabilit faible

Perte jeu de barres 400 kV Pertedune ligne

Pertedun groupe

Courbe isorisque (risque maximal accept)

Figure. 2.11.- Niveaux de risque dans le dispatching journalier

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2.4.3.- Mcanismes de formation des incidents majeurs

Les incidents majeurs sont normalement provoqus partir dune cause initiale sur laquelle

viendront se greffer des vnements connexes qui conduiront jusqu la panne totale (black-out) ou partielle

(brownout).

Figure. 2.12.- Exemples des causes initiales donnant lieu des incidents majeurs

Les causes initiales perturbatrices peuvent tre classifies selon leur nature :

Naturelles : des conditions mtorologiques adverses telles que temptes, ouragans, tremblements de terres, tsunamis, chutes darbres, etc.

Techniques : courts-circuits, dysfonctionnements des protections, pertes dlments dans le systme (transformateurs, gnrateurs,..), brusques variations de charge

Les mcanismes des incidents majeurs rsultent ensuite de la combinaison des diffrents vnements

tels quune variation de la charge, une perte dune ou plusieurs lignes, de la perte de gnrateurs ou de

lapparition des tensions basses dans quelques nuds du rseau.

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Une fois que les premires causes initiales apparaissent [TI-01], la perte du systme survient dans

les secondes ou minutes qui suivent. Gnralement, la perte totale du systme est le rsultat dun ou plusieurs

mcanismes:

Cascade de surcharges : la cascade de surcharges consiste au dclenchement progressif des lments du rseau. Ce dclenchement est provoqu par une premire perturbation initiale (par exemple, un

court-circuit, la perte dun gnrateur, des tensions basses dans quelque nud, une variation brusque

de charge). La perturbation initiale induit une nouvelle rpartition de charges dans le systme dans

laquelle, des surcharges apparaissent sur quelques composantes (lignes, transformateurs). Ces

surcharges donnent lieu la dconnexion des lignes et ensuite, de nouvelles surcharges sont

constates comme rsultat du rapport de la charge de la ligne ouverte par les protections de surcharges

sur dautres lignes. Ainsi, louverture des lignes par surcharges est propage tout au long du systme.

Ce phnomne est aussi nomm effet domino ou chteau de cartes, car le systme est perdu par la

squence de pertes des lignes et lments. Cette succession de dclenchements peut finalement causer

la perte du systme par diffrentes raisons finales : croulement de tension (chute progressive de la

tension dans quelques noeuds), cration des sous rseaux instables ou bien la perte de synchronisme

de certaines machines gnratrices.

CASCADEde

SURCHARGES

Type de phnomne

vnement

Courts-circuitsOuvertureouvragesTransport

Variationcharge

Dconnexionproduction

Tensions basses

Protectionsurcharges

Nouvelleconfiguration

rseau

ECROULEMENTde TENSION

SOUS-RESEAUX

PERTE duSYNCHRONISME

CASCADEde

SURCHARGES

Type de phnomne

vnement

Courts-circuitsOuvertureouvragesTransport

Variationcharge

Dconnexionproduction

Tensions basses

Protectionsurcharges

Nouvelleconfiguration

rseau

ECROULEMENTde TENSION

SOUS-RESEAUX


Figure. 2.13.- Cascade de surcharges

Le temps douverture des protections de surcharges dpend de la svrit de la surcharge. Ainsi pour

des surcharges lgres, loprateur du systme dispose dun temps relativement suffisant pour

rsoudre le problme en changeant la distribution des flux de puissances dans le systme. Par contre,

si la surcharge est grave, le temps du dclenchement des protections de surcharges est trs court, de

lordre de quelques secondes.

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Svrit de la surcharge dans la ligne

(en pourcentage par rapport la

puissance nominale de la ligne)

Ordre de grandeur du temps douverture

des protections de surcharge

130% 20 minutes

150% 10 minutes

170% Dizaines de seconds

Tableau. 2.5.- Temps douverture des lignes par les protections de surcharges

Ecroulement de tension : la cause initiale de lcroulement de tension est labsence dnergie ractive dans le systme. La chute de tension dans certains nuds du systme au-dessous dun niveau

de tension dit critique, implique une descente progressive de la tension qui finit par provoquer le

dclenchement des protections de gnrateurs, des surcharges dans les lignes (tension basse, courant

lev) ou la perte de synchronisme de quelque gnrateur. La dynamique de lcroulement de tension

varie de lordre de la minute quelques minutes.

CHUTEde TENSION

Type de phnomne

vnement

Dclenchementgnrateurs

Variation de la charge

Ouvertureouvrages

SURCHARGES

PERTE duSYNCHRONISMEProtection

des groupes

SURCHARGES

CHUTEde TENSION

Type de phnomne

vnement

Dclenchementgnrateurs

Variation de la charge

Ouvertureouvrages

SURCHARGES

PERTE duSYNCHRONISMEProtection

des groupes

SURCHARGES

Figure. 2.14.- Chute de tension

Dviation en frquence : la dviation de la frquence est le rsultat dun dsquilibre entre la puissance gnre et la puissance consomme. Les dviations en frquence sont la consquence dune

variation dans la charge ou dans la gnration. Afin de limiter les dviations en frquence, le systme

compte avec des rserves dnergie (rapides, rserves primaires et secondaires ; lentes, rserves

tertiaires) pour garder la frquence dans lintervalle des valeurs normales (50.5 49.5 Hz). Si la

rserve primaire nest pas suffisante, la frquence peut atteindre des valeurs anormales. Les solutions

une dviation de frquence sont : le dlestage de charges intentionnel ou non-intentionel

(dconnexion de charges, load shedding) et lincrment de la puissance produite (rserves, unit de

secours). La dynamique de la frquence est trs rapide (de lordre de la seconde)

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Figure. 2.15.- Dviation en frquence

DEVIATIONFREQUENCE

Type de phnomne

vnement

Courts-circuits Dconnexionproduction

Variationcharge

Rserves primairesinsuffisantes

Protectiongroupes

SOUS-RESEAUX DEVIATIONFREQUENCE

Type de phnomne

vnement

Courts-circuits Dconnexionproduction

Variationcharge

Rserves primairesinsuffisantes

Protectiongroupes

SOUS-RESEAUX

Perte du synchronisme : en tat normal de fonctionnement, toutes les machines tournent synchrones, par contre, suite certaines perturbations, quelque machine synchrone peut subir une grande variation

dangle interne et donc, suivre une variation de vitesse provoquant la perte du synchronisme de la

machine. Dans la figure 2.16, il est montr le schma qui peut donner naissance la perte du

synchronisme dune machine synchrone connecte au rseau.

Figure. 2.16.- Perte du synchronisme


Type de phnomne

vnement

Courts-circuits

Dclenchementproduction

Ouvertureouvrages

Tensions basses

Protectiongroupes

SOUS-RESEAUX

MISE hors TENSION


Type de phnomne

vnement

Courts-circuits

Dclenchementproduction

Ouvertureouvrages

Tensions basses

Protectiongroupes

SOUS-RESEAUX

MISE hors TENSION

Les incidents majeurs ne sont pas une nouveaut dans le fonctionnement des rseaux lectriques, ils

frappent le systme de temps en temps, provoquant souvent de graves consquences sociales et conomiques.

Dans les tableaux suivants quelques statistiques des derniers bla

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