Réseaux électriques et intégration d'énergies renouvelables
Description
L’électricité est un vecteur d’énergie capable fournir des services énergétiques variés de façon très efficace. De plus, le potentiel de production d'électricité décarboné (hydro, solaire et éolien), actuellement sous-exploité, est très grand. Ainsi, la part de l'électricité dans dans la consommation d’énergie finale, qui a déjà doublé sur les 50 dernière années, a vocation a encore beaucoup augmenter.
Au 20e siècle, le développement des réseaux d’électricité
jusqu’à l’échelle continentale a permis de fournir cette énergie de
façon fiable et économiquement efficace, via la construction de grandes
unités de production centralisées (centrales nucléaires, à charbon ou
grands barrages). Au 21e siècle, cette organisation est remise en question
par le développement d'énergies renouvelables variables et dispersées (solaire et éolien). Les programmes politiques de
dérégulation économique sont également à l’origine de grands changements
d’organisation des systèmes électriques. Cependant, la variabilité temporelle et spatiale des sources
renouvelables renforce l’intérêt des réseaux comme moyen de solidarité
énergétique entre les régions.
Les réseaux combinent des composants technologiques de plus en plus
complexes (convertisseurs à électronique de puissance), avec d’indispensables organes de contrôle (au
sens large, qui inclut les fonctions de surveillance, coordination,
optimisation…). En effet, le maintien en bon état de fonctionnement (stabilité) des réseaux est un problème
de contrôle complexe qui nécessite une bonne association du matériel et du logiciel.
Dans le vaste ensemble de problématiques des réseaux, ce cours propose d’aborder :
- la description matérielle des réseaux électriques : architecture, acteurs et composants principaux
- la physique du transfert de puissance en régime alternatif (lien entre puissances active & réactive, tension et phase)
- la physique et les dispositifs de régulation de l'équilibre offre-demande (en particulier régulation de fréquence)
- les effets d'une part croissante de sources renouvelables variables sur les sujets ci-dessus
Période(s) du cours
Prérequis
Notions d’énergie électrique à connaitre (par exemple en ayant suivi l’électif 1A « Énergie Électrique (ENE) ») :
- Analyse des circuits électriques en régime sinusoïdal : amplitudes et impédances complexes
- Puissances en régime alternatif : P (active), Q (réactive) et S (apparente)
Si certaines de ces notions n’ont pas été acquises précédemment, des ressources seront fournies pour une mise à niveau en autonomie.
Syllabus
Description matérielle des réseaux électriques
- Architecture des réseaux : transport, distribution
- Technologie des composants : lignes & câbles, machines, convertisseurs HVDC
- Principes physiques : modélisation, équation des flux de puissance
- Changements liés aux nouvelles énergies renouvelables
Régulation, optimisation et estimation d’état des réseaux électriques
- Stabilité et régulations des réseaux : architecture de commande, effet de l’inertie (e.g. effet des renouvelables), régulation fréquence primaire et secondaire, régulation de tension
- Estimation d’état des réseaux électriques : principes et application à des cas simples en statique
Composition du cours
L’enseignement est sous forme de cours et de séances d’exercices, dont une bonne partie sur ordinateur.
Répartition des heures (27 h présentiel) :
Cours : 10,5 heures, TD : 10,5 heures, TP : 4,5 heures, Évaluation (examen écrit) : 1,5 heures.
Ressources
Équipe pédagogique CentraleSupélec :
- Pierre Haessig, responsable de cours
Interventant·e·s de l’industrie :
- RTE : technologies et évolutions des réseaux de transport d’électricité
- GE Vernova : outils logiciels pour le pilotage et l'optimisation du fonctionnement des réseaux
Logiciels utilisés : Matlab, avec Simulink et la toolbox open source Matpower.
Résultats de l'apprentissage couverts par le cours
Réseaux électriques
- savoir décrire l’architecture des réseaux et leurs principaux composants
- savoir décrire les principaux mécanismes de régulation du réseau et la physique (fréquence, inertie) qui les sous-tend
- effectuer une analyse de répartition des flux de puissance (power flow) et une estimation de l’état sur des exemples de réseaux simples, à l’aide de programmes informatiques
Support de cours, bibliographie
MATPOWER User’s Manual https://matpower.org/docs/MATPOWER-manual.pdf
P. Jeannin et J. Carpentier, “Réseaux de puissance - Méthodes de résolution des équations”, Techniques de l'Ingénieur, Réf : D1120 v1, 1994.