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#3 Îlotage

Thématiques• Déconnexion d’un micro réseau (quartier îloté)• Stockage de l’électricité• Production photovoltaïque locale

Cas d’utilisation• Ilotage d’un quartier BT

Chiffres clés

Quartier îloté comprenant :• 8 clients tertiaires consommant de 20 à 230 kW selon le moment de l’année• 3 producteurs représentant une pointe de production cumulée de 430 kWc

L’îlotage consiste en la déconnexion d’une poche de consommateurs du réseau normal de distribution.

Objectifs et expression du besoin

Définition de l’îlotage dans le projet NICE GRID Dans le cadre du projet NICE GRID, l’îlotage se définit comme la déconnexion d’un réseau basse tension (BT) alimenté par un poste de distribution publique (HTA/BT) de manière manuelle ou automatique, programmée ou inopinée. Durant l’îlotage, le quartier est alimenté pour une durée limitée par un système de stockage et par une production locale photovoltaïque.

Durant cet ilotage, le système de stockage, et en premier lieu les convertisseurs de puissance, assure la stabilité de l’alimentation du quartier (fréquence et tension).

Lorsque la période prévue pour l’ilotage s’est écoulée ou lorsque le réseau amont est revenu à la normale, la synchronisation et la reconnexion au réseau se font sans coupure du réseau iloté et donc sans impact sur l’alimentation des clients du micro-grid, qu’ils soient consommateurs ou producteurs.

Figure 1 : Schéma de principe de l’îlotage.

L’enjeu consiste à maintenir, durant les phases d’îlotage, l’équilibre production et consommation tout en garantissant la stabilité de la tension et de la fréquence (plages de fonctionnement réglementaires), sans générer de perturbations complémentaires (Harmoniques / Flicker). De plus, le système doit maintenir un plan de protection des biens et des personnes adapté en cas de défauts électriques survenant sur la poche îlotée ou chez les clients.

Le quartier îlotéUn quartier situé dans la zone industrielle de Carros a été retenu pour l’expérimentation des solutions d’îlotage car il offrait des conditions propices pour tester l’ilotage, à savoir une assez bonne concordance de l’énergie produite et de l’énergie consommée dans le quartier, surtout durant les mi-saisons (printemps et automne)

Ce quartier est alimenté par le poste HTA/BT (400 kVA) de Dock Trachel où sont raccordés :

• 8 clients tertiaires consommant jusqu’à 230 kW en pointe en hiver surtout

• 3 producteurs PV totalisant un total de 430 kWc en pointe :

Figure 2 : Plan du site

Ce site a été retenu principalement en raison du niveau important de refoulement dû à la forte concentration de productions PV. Le refoulement désigne l’énergie renvoyée de la Basse Tension (BT) vers la moyenne tension (HTA) quand la production PV locale est supérieure à la consommation locale.

Figure 3 : Courbes de charge du poste Dock Trachel du Lundi 15 avril 2013 au Dimanche 21 Avril 2013.

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Les cas d’usageDeux variantes de l’îlotage sont testées : Les ilotages programmés (sans coupure) et les ilotages inopinés (faisant suite à une coupure du réseau amont)

ÎLOTAGE PROGRAMME ÎLOTAGE INOPINE

Le premier, dit îlotage programmé, est sollicité par le gestionnaire de réseau pour un effacement total des échanges de puissance entre le réseau normal et le micro-réseau. Généralement réalisé sur une durée limitée (typiquement 4 heures), celui-ci est préparé à J-1 afin de mettre le système de stockage au niveau de charge requis en début d’ilotage pour tenir durant la période d'îlotage ciblée. La déconnexion et la reconnexion de la poche BT du réseau normal de distribution se font sans coupure ni perturbation pour les clients qui y sont raccordés.

Le second, dit îlotage inopiné, permet de palier à l'absence d'alimentation HTA amont. Après détection de la défaillance, le micro-réseau est maintenu coupé pendant 3 minutes pour permettre une éventuelle reconfiguration des boucles d'alimentation HTA par le gestionnaire de réseau. Si à l'issue de cette période l’alimentation amont n’est pas revenue, le système de stockage réalimente la poche, avec le soutien des centrales de production PV. La durée des îlotages inopinés est dépendante du retour à la normale de la tension amont, de la capacité locale de production des énergies renouvelables et de l'état de charge du système de stockage. Au retour de la tension amont, le système se recouple au réseau normal de distribution sans coupure ni perturbation pour les clients.

Figure 4 : Logigrammes des deux modes d’ilotage, avec ou sans coupure initiale

Déploiement et implantation

Architecture retenue

Figure 5 - Schéma de principe général

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Pour réaliser le système de stockage permettant l’îlotage plusieurs architectures étaient envisageables :

• 1 Power Converter System (PCS) associé à 1 batterie.• N PCS associés à 1 batterie (solution retenue)• N PCS associés à N batteries.

A - BatteriePour la partie batterie, les contraintes d’implantation sur le site et de mise en œuvre de la batterie ont conduit à n’utiliser qu’une seule et unique batterie. Cela présentait un double avantage :

• Dissociation des parties conversion & stockage (batterie) pour une intégration optimisée en regard de la place disponible.

• Utilisation d’un container standard de SAFT intégrant l’ensemble des auxiliaires nécessaires à l’exploitation des batteries Lithium-Ion.

B – Power Converter System (PCS)Issus d’une longue lignée de produits (UPS / INVERTER PV), les produits SUNSYS PCS² de SOCOMEC sont des convertisseurs de puissance bidirectionnels basés sur une architecture modulaire composée de modules de puissances de 33kVA remplaçables en fonctionnement :

Figure 6 : Architecture modulaire des SUNSYS PCS².

Une architecture modulaire composée de 4 SUNSYS PCS² de 66 kVA a été privilégiée. Cette architecture présente un certain nombre d’avantages :

• Facilité de manutention et d’intégration.

• Taux de disponibilité accru. En cas d’éventuelles maintenances préventives ou curatives, ce n’est pas tout le système qui est indisponible. Seul le module de puissance de 33 kVA ou l’unité de conversion en question est stoppée.

• Possibilité d’accroître la durée de vie en exploitant le nombre de convertisseurs juste nécessaire aux besoins avec une recherche du meilleur point de fonctionnement pour maximiser le rendement.

Tout comme les onduleurs photovoltaïques, la grande majorité des convertisseurs de puissance des systèmes de stockage fonctionnent en mode générateur de courant. Pour fonctionner, ces onduleurs et convertisseurs ont impérativement besoin d’une référence en tension et en fréquence fournie par le réseau normal de distribution.

Leur utilisation est donc limitée à un fonctionnement connecté réseau (On-Grid).

L’îlotage consistant en une déconnexion du réseau normal de distribution, ce sont des convertisseurs de puissance bidirectionnels fonctionnant en mode générateur de tension qui s’imposent.

Lors des phases d’îlotage, le système de stockage devient le référent et assure la régulation en tension et en fréquence du micro-réseau. En fonction de l’équilibrage production / consommation, il

passera indifféremment du mode charge au mode décharge sans perturbation.

C- Le Système de Contrôle de l’Îlotage Le système de Contrôle de l’îlotage est à proprement parler le cœur du dispositif. Il se compose essentiellement de :

• 1 Automate Programmable Industriel (API),• 1 Interface Homme Machine (IHM),• 1 Carte électronique de synchronisation, couplage, régulation(s)

& protection(s).

Il assure l’ensemble des fonctionnalités telles que la communication avec la batterie, le suivi des grandeurs électriques des réseaux amont et aval, le plan de protection, le maintien de la tension et de la fréquence du micro-réseau, le recouplage au réseau amont en fin d’ilotage…

D- Le coffret de couplage :Le coffret de couplage assure la connexion de puissance entre le transformateur HTA et le tableau BT du poste HTA/BT, appelé aussi TIPI (Tableau Interface de Puissance et d’Information). Dit autrement, il assure la connexion entre le réseau normal de distribution et le micro-réseau. Par ailleurs ce coffret de couplage sert à l’acquisition des grandeurs électriques à l’amont et à l’aval de la coupure réseau, qui sont nécessaires aux déconnexions et reconnexions au réseau amont.

Il se compose notamment du disjoncteur de couplage (DJC) piloté directement par le contrôleur d’îlotage.

E-Le coffret de branchement-stockage :Le coffret de branchement-stockage permet la connexion de puissance entre le système de stockage et le tableau BT du poste HTA/BT (appelé aussi TIPI).

Il contient essentiellement un disjoncteur (disjoncteur du stockage, DJS) qui est actionné à l’ouverture et à la fermeture par le système de contrôle d’Îlotage.

Principales fonctions

Le Black StartLa fonction Black Start, communément appelée “couplage à l’arrêt” dans le monde des groupes électrogènes, consiste, à redémarrer le micro-grid après les 3 minutes de coupure consécutives à une panne du réseau amont (Cf 1.3 Ilotage inopiné). Lors des îlotages inopinés, il produit un rétablissement progressif de la tension d’alimentation du micro-réseau par les convertisseurs et la batterie dans le but d’éviter les effets de courants d’appel trop importants (Ex : pointes magnétisantes de transformateurs).

Le statismeUne installation composée de plusieurs systèmes de conversion de type générateur de tension nécessite de mettre en œuvre des principes de répartition de puissances actives (P) et réactives (Q) entre les différentes machines afin d’éviter les échanges de courant.

Cet équilibrage entre les unités de production est réalisé, sans communication, durant les phases d’îlotage entre les unités de production grâce au principe de statisme (droop). Celui-ci est fondé sur les équations conventionnelles, définissant les grandeurs P & Q de générateurs couplés sur une même ligne, qui mettent en évidence les relations directes et proportionnelles liant la fréquence (F) à la puissance active (P) et la tension (U) à la puissance réactive (Q).

Ainsi, la fréquence et la tension peuvent être ajustées respectivement par régulation de la puissance active et réactive du système.

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66kVA

33kVA

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Protection du réseauDes augmentations/diminutions anormales des paramètres électriques nominaux (tension, courant fréquence) représentent des défauts électriques. Les plus fréquents sont : surcharge, court-circuit, surtension, chute de tension.

Les tests ont prouvé la capacité des systèmes de stockage à fournir le courant de court-circuit nécessaire pour déclencher correctement les protections des consommateurs. Si le PCS a assez de courant pour éliminer le défaut, le fonctionnement du micro-réseau peut être maintenu. Sinon, le système de stockage se met automatiquement en mode sécurité et arrête de fournir en énergie le micro-réseau, ce qui plonge dans le noir la zone entière.

L’équilibre Production / Consommation :Durant les phases d’îlotage, l’enjeu principal consiste à maintenir l’équilibre entre la production PV et la consommation dictée par la charge, tout en conservant la tension et la fréquence dans les plages de fonctionnement réglementaires et pour un réseau BT très souvent déséquilibré entre ses 3 phases.

Dans ce mode de fonctionnement, le système de stockage assure en priorité la régulation de tension & de fréquence du micro-réseau. En fonction de l’équilibrage production / consommation, il passera indifféremment du mode charge au mode décharge et ceci sans aucune perturbation perceptible par les consommateurs.

Par ailleurs une régulation de la production PV par augmentation de la fréquence du micro-réseau a été testée avec succès sur le Concept Grid d’EDF R&D, qui permet ainsi de diminuer à distance la production PV lorsque la batterie atteint son état de charge maximal et que la production PV reste excédentaire. Ajoutons que ce dispositif ne nécessite aucun outil de communication avec les onduleurs PV car ils disposent quasiment tous en base de cette fonctionnalité, même si elle est généralement inactivée sur les réseaux français.

Le synchro-couplage :En fin d’îlotage programmé ou inopiné, pour éviter une coupure de l’alimentation, la reconnexion du micro-réseau au réseau normal de distribution est réalisée grâce à la synchronisation de ceux-ci puis à leur couplage (passage à zéro de l’angle φ).

Figure 8 : Principe de synchronisation de 2 sources.

Premiers résultats

Concept GridEn Juin et Juillet 2015, avant de procéder à la mise en œuvre et à l’exploitation réelle du système d’îlotage à CARROS, deux sessions de tests ont été organisées au Concept Grid (réseau de distribution électrique expérimental d’EDF LAB / Les Renardières).

Près de 150 séquences de tests ont été déroulées afin de valider les fonctionnalités, les performances et la robustesse d’un système d’îlotage (à échelle réduite) dans des conditions proches de la réalité.

Figure 9 - Islanding testing system at Concept Grid

Ainsi, la démonstration a été faite de :

• la qualité de l’énergie (tension / fréquence/ harmoniques) distribuée par le système dans les phases transitoires (déconnexion / black start / synchronisation / couplage) ou stabilisées des îlotages programmés et inopinés sur des charges diverses (résistives, inductives et/ou capacitives / équilibrées ou déséquilibrées / stables ou variables),

• la régulation de la production PV en fonction de la consommation, l’état de charge de la batterie et de la puissance disponible.

• la capacité à respecter le plan de protection du réseau BT et des clients, et ce dans des cas de fonctionnements normaux ou anormaux par simulation de défaillances du système.

Implantation sur site L’implantation sur site à Carros s’est déroulée sur la première moitié de l’année 2015. Voici quelques illustrations de l’installation finale.

Figure 10 : Batterie 250 kW / 620 kWh pour l’ilotage

Figure 11 : Convertisseurs de puissance pour l’ilotage

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Figure 12 : Armoire de contrôle commande et interface de pilotage en local

Résultats techniquesEn septembre 2015, la version îlotage du système a été implémentée au poste HTA/BT “Dock Trachel” de Carros pour procéder aux premiers tests de validation sur le terrain. L’objectif était principalement de valider les séquences fonctionnelles ainsi que l’absence d’influence des centrales PV (dans leur configuration d’origine) sur le comportement du système de stockage. A noter que ces essais ont d’abord été réalisés durant un week-end, donc avec une consommation réduite dans le quartier, afin de limiter les risques de perturbation pour les clients. Plusieurs îlotages programmés et inopinés ont ainsi été réalisés avec succès.

En octobre 2015, d’autres îlotages ont eu lieu pendant des jours de semaine, donc dans des conditions réelles de production PV et de consommation pour valider définitivement la solution installée. La durée de cinq heures d’îlotage (programmé) a été atteinte le 6 octobre 2015. Un jour nuageux (6/10) et un jour ensoleillé (7/10) ont été testés, les variations brusques de production ou de consommation locales se sont révélés sans influence sur la tension et la fréquence du micro-réseau.

Lors de cet ilotage de 5h réalisé le 6 octobre 2015, le ciel était un peu nuageux, les périodes de charge et de décharge de la batterie se sont donc succédées sans aucun impact sur la qualité de l’onde électrique (tension et fréquence). L’ensoleillement étant un peu

faible ce jour là, la batterie s’est lentement déchargée en passant d’un état de charge de 72% à 50% environ.

Evolution de l’état de charge de la batterie (SOC) durant l’ilotage de 5h du 6 octobre 2015

Les mesures de variation de la tension et de la fréquence réalisées lors des ilotages présentent un niveau de qualité très supérieur aux normes exigées dans ce domaine (norme EN 50160).

Critère EN 50160

Résultats Ilotage programmé

Ecart relatif de tension <10% 0.42%

Ecart relatif de fréquence <1% 0.05%

THD_V <8% 1.72%

D’autres essais d’ilotage se sont déroulés à l’automne 2016 et ont permis d’atteindre 8h d’ilotage le 19 septembre 2016 sans aucun impact pour les clients raccordés à la poche ilotée.

Perspectives La solution d’îlotage qui a été testée avec succès dans le projet NICE GRID pourrait être répliquée de manière intégrale ou partielle :

Situation de réseau Application de la solution NICE GRID

L’îlotage de quartiers connectés au réseau de distribution métropolitain et dont l’alimentation amont est robuste et fiable : C’est l’exemple du quartier de la 1ère rue à Carros

La solution NICE GRID peut répondre aux besoins du GRD pour une alimentation de substitution ou de secours (à l’instar d’un groupe électrogène), mais demeure aujourd’hui trop couteuse et complexe au regard des solutions actuellement déployées. Cependant, le système de stockage pouvant aussi fonctionner en mode « connecté réseau », il est à même de fournir d’autres services (Ecrêtage des pointes de production ou consommation, décalage de production dans le réseau, Régulation de tension ou fréquence…) au réseau électrique, l’îlotage constituant alors un service supplémentaire.

Les réseaux dits «  isolés », c'est-à-dire n’étant pas raccordé à un réseau amont

La solution d’îlotage associant production PV et stockage électrique développée dans NICE GRID , éventuellement couplée à un générateur auxiliaire, peut être intéressante pour alimenter un site isolé, recharger la batterie et éventuellement réduire la consommation d’un groupe électrogène. Ajoutons toutefois que la solution de Nice Grid offre d’autres fonctionnalités comme le fonctionnement indifférencié entre les modes ONGRID et OFFGRID (Cf ci-après).

Les réseaux dit «  à alimentation amont fragile (réseau de transport fragiles, aléas climatiques, risques de congestions du réseau amont)

Plusieurs initiatives dans les réseaux iliens montrent l’intérêt d’une solution d’îlotage comme celle développée dans NICE GRID. La solution de stockage et de synchro-couplage sont des atouts pour assurer la stabilité de l’alimentation des clients finaux. En outre, cette solution pourrait être adaptée dans des pays avec une importante ressource photovoltaïque et de fréquentes coupures d’alimentation de longue durée.

Les sites dits «  à alimentation secourue  »  par exemple pour des sites sensibles tels que hôpitaux, salles de marchés, bases militaires, industries de pointe

L’îlotage n’est pas nouveau dans le paysage électrique car de nombreux sites ont une alimentation électrique sécurisée par groupe électrogène. Les solutions d’îlotages inopiné ou programmés, telles qu’expérimentées dans NICE GRID, pourraient être répliquées lorsque les clients en question disposent de ressources locales renouvelables suffisantes. La plupart des projets en cours disposent toutefois d’un groupe diesel d’appoint.

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Messages Clés• L’îlotage testé dans NICE GRID en 2015 est une première mondiale,

avec 5 heures d’îlotage sans machines tournantes. D’autres tests menés en septembre 2016 ont permis d’atteindre 8h d’ilotage dans une journée sans aucune coupure pour les clients.

• Cette solution permet de maintenir les productions locales mêmes quand elles sont excédentaires pour le micro-réseau (elles rechargent alors la batterie).

• Le fonctionnement de l’îlotage inopiné est automatique  : le déclenchement est la perte de tension amont. Ainsi, le système redémarre automatiquement en cas de coupure réseau et se resynchronise automatiquement lorsque la tension amont revient.

• Les manœuvres de reprise d’alimentation sont réalisées sans coupure d’alimentation après la synchronisation au réseau principal.

• La solution d’îlotage peut être vue comme un service supplémentaire apporté par le stockage, s’ajoutant ainsi aux nombreux services en mode « connecté réseau » (intégrations des ENRs, soutien local à la régulation de tension, services systèmes pour le RPT, réduction de la demande de pointe, évitement/décalage d’investissement dans les réseaux électriques…)

• Le système de stockage n’émet pas de gaz à effet de serre et présente une pollution sonore moindre par rapport à un groupe électrogène.

• Le système d’îlotage assure en outre la protection contre les défauts électriques, et ce sans changer le plan de protection existant des clients. Les convertisseurs de puissances peuvent délivrer 1.5 fois leur intensité maximale en cas de court circuit sur le réseau aval.

• La solution d’îlotage développée dans NICE GRID répond techniquement à des situations de défaillance du réseau amont pour une poche.

• Compte tenu des coûts de la solution, des contraintes techniques liées à la solution (encombrement, complexité de l’installation), et de la fiabilité du réseau public de distribution métropolitain, Enedis n’envisage pas aujourd’hui de déployer cette solution sur le réseau qu’elle exploite.

• Elle pourrait présenter plus d’intérêt pour des structures à l’alimentation secourue actuellement par des groupes électrogènes, sous réserve d’une production locale suffisante et d’une rentabilité économique.

L’application à des micro-réseaux de distribution à l’alimentation amont fragile, comme les systèmes insulaires, ou à l’International, peut être une autre piste de développement, au vu des avantages de la solution (synchro couplage sans coupure, flexibilité de la batterie pour l’équilibre production/consommation, capacité à stocker la production locale en phase d’îlotage, stabilité et qualité de l’onde délivrée par les PCS).

Glossaire

Terme Définition

Protection anti-îlotage Voir note ERDF sur le sujet :• Norm ERDF 13E : http://www.erdf.fr/sites/default/files/documentation/ERDF-NOI-RES_13E.pdf

Le refoulement Le refoulement désigne l'énergie renvoyée de la Basse Tension (BT) vers la moyenne tension (HTA) quand la production PV locale est supérieure à la consommation locale

Blackstart Le Blackstart est la remise sous tension d’une poche coupée, à partir de moyens de production locaux ou d’une batterie.

Concept Grid Site d’essai du groupe EDF situé en Seine et Marne (77)

Norme EN50160 Standard définissant les caractéristiques de tension en termes de fréquence, de magnitude, de forme d’onde et de symétrie.

THD_V Taux de Distorsion Harmonique

Tableau de distribution Basse Tension Tableau de distribution connecté en BT en aval du transformateur et assurant la distribution de puissance entre les différents clients et producteurs du quartier.

Power Converter System (PCS) Convertisseurs de puissance bidirectionnels de AC → DC et DC → AC, utilisés pour connecter les batteries (DC) au réseau de distribution (AC) et pour les charger/décharger.

Synchronisation

La synchronisation consiste à superposer la courbe de tension des deux sources. Comme il est impossible d’agir sur la tension ou la fréquence du réseau public de distribution, la synchronisation est réalisée en ajustant la tension (U), la fréquence (F) et les différentes phases (φ) du micro-réseau aux valeurs du réseau public.