Etude de la protection de découplage Pour le raccordement d`une

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Protections des installations de production raccordées au réseau public de distribution
Etude de la protection de découplage
Pour le raccordement d’une production décentralisée en h.t.a.
Historique du document : D-GR1-RTA-17
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A
B
Date de publication
04 Octobre 2013
11 Aout 2014
Résumé / Avertissement
Ce document décrit l’étude de la protection de découplage pour le raccordement d’une production
décentralisée en H.T.A.
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SOMMAIRE
1 Objet et critère de déclenchement de l'étude .............................................. 3
2 Rappel de la réglementation ......................................................................... 3
3 Choix du type de protection de découplage ................................................ 4
3.1
3.2
Hypothèses ........................................................................................................................4
Critères de décision ...........................................................................................................4
4 Détermination du risque de maintien en réseau séparé ............................. 7
4.1
Classification des machines...............................................................................................7
4.2 Diagrammes ∆P/∆Q d’une machine synchrone .................................................................7
4.3 Risque de maintien en réseau séparé en présence de plusieurs machines synchrones . 11
4.4 Risque de maintien en réseau séparé en présence de machines à électronique de
puissance ................................................................................................................................. 11
4.5 Risque de maintien en réseau séparé en présence de machines asynchrones .............. 11
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1 Objet et critère de déclenchement de l'étude
L’objet du document est de définir le type de protection de découplage minimal à prévoir dans le cadre des
études menées par GEREDIS Deux-Sèvres.
Cette étude est à faire systématiquement lors d’un raccordement de producteur.
2 Rappel de la réglementation
Les articles des textes réglementaires concernant la fonction de découplage sont rappelés ci-après.
Décret du 23 avril 2008 relatif aux prescriptions techniques générales de conception et de fonctionnement
pour le raccordement d’installations de production aux réseaux publics d’électricité
Article 5
Seules peuvent être raccordées à un réseau public d'électricité les installations de production dotées d'un
dispositif de protection leur permettant d'être séparées automatiquement du réseau public d'électricité dans
certaines situations anormales.
Arrêté du 23 avril 2008 relatif aux prescriptions techniques de conception et de fonctionnement pour le
raccordement à un réseau public de distribution d’électricité en basse tension ou en moyenne tension d'une
installation de production d'énergie électrique
Article 7
I. - Toute installation de production doit disposer, par conception, d'une fonction de protection, dite « protection
de découplage », permettant de séparer automatiquement l'installation de production du réseau public de
distribution d'électricité en cas d'apparition sur ce dernier de l'un ou plusieurs simultanément des défauts
suivants :
a) Défaut HTA à la terre ;
b) Défaut entre phases pour la HTA ;
c) Défaut entre conducteurs pour la BT ;
d) Création d'un sous-réseau séparé ;
e) Tout défaut autre que les défauts susmentionnés survenant pendant le régime spécial d'exploitation instauré
lors de travaux sous tension effectués sur le réseau aérien HTA.
II. - Les prescriptions techniques fonctionnelles minimales de la fonction de protection visée au I sont
conformes à la documentation technique de référence du gestionnaire du réseau public de distribution
d'électricité et au guide C 15-400. Elles sont communiquées au producteur par le gestionnaire précité. Ces
prescriptions prennent en compte les différents régimes d'exploitation du réseau public de distribution
d'électricité, y compris le régime spécial d'exploitation instauré pour les travaux sous tension effectués sur le
réseau aérien HTA.
III. - La fonction de protection visée au I ne doit pas interférer avec le fonctionnement normal des protections et
automatismes installés par le gestionnaire du réseau public de distribution d'électricité. En outre, les seuils des
phénomènes qui la déclenchent doivent être coordonnés avec ceux du dispositif de protection du gestionnaire
du réseau public de distribution d'électricité de manière à respecter l'aptitude de l'installation de production à
poursuivre son fonctionnement en cas d'atteinte des valeurs extrêmes de fréquence et de tension du réseau
(régime exceptionnel) qui sont précisées aux articles 11 à 14. Toutefois, le réglage des seuils de
déclenchement de la fonction de protection pourra être adapté à la demande du gestionnaire du réseau de
distribution d'électricité en cas de présence d'automatismes de réenclenchement sur le réseau public de
distribution d'électricité (réseau aérien).
UTE C15-400 de juillet 2005
Ce Guide Pratique décrit les différents schémas d’installation de groupes de production, qu’ils soient raccordés
au RPD en BT ou en HTA (objet de l’étude). Il introduit les appellations des différents types de protection de
découplage cités dans ce document (B1, H1, H2, H3, H4, H5).
Toutefois, il est à noter que les protections H4 et H5 jusqu’à présent nécessaires aux installations de 10MW et
plus ont été adaptées pour être utilisées par les centrales de 5MW et plus devant répondre à l’évolution de la
réglementation concernant leur domaine de fonctionnement.
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Choix du type de protection de découplage
2.1
Hypothèses
Le raccordement considéré est celui correspondant au régime normal d’alimentation. Des dispositions
complémentaires peuvent être nécessaires pour un fonctionnement sur les éventuelles liaisons de secours.
2.2
Critères de décision
Les centrales de production pouvant fonctionner en parallèle avec le réseau public de distribution HTA sont
classées en deux catégories selon leur puissance de production :
•
les centrales de puissance nominale apparente inférieure ou égale à 250 kVA,
•
les centrales de puissance nominale apparente supérieure à 250 kVA.
Pour chacun de ces deux cas, les critères de décisions ci-après permettent de déterminer, pour une installation
donnée de production, le type de protection de découplage minimale nécessaire au bon fonctionnement du
réseau. Pour prémunir son installation du risque de trop nombreux découplages intempestifs, le producteur
peut opter pour une des protections plus performante que celle résultant des critères de décision (voir
Tableau1).
Enfin, en cas d’évolution majeure du réseau (notamment partage d’un départ dédié), GEREDIS Deux-Sèvres
pourra refaire la présente étude en se basant sur les nouvelles hypothèses et, le cas échéant, demander la
modification du type de protection de découplage par avenant à la convention de raccordement.
Nota :
La puissance nominale apparente, exprimée en kVA, est égale à la somme des puissances apparentes
nominales des machines électriques données dans les fiches de collecte.
La puissance maximale de production exprimée en MW, est égale à la somme des puissances actives en
régime continu des générateurs électriques du Site, puissances données dans les fiches de collecte et à
défaut, à la somme des produits des puissances nominales apparentes par le facteur de puissance nominal de
chaque machine tournante, soit la somme de Sn machine tournante x cosphin machine tournante.
Sites de puissance inférieure à 250 kVA dont le raccordement est envisagé en HTA
Dans ce cas, la protection de découplage peut être :
ou bien une protection externe de type B.1,
ou bien une protection intégrée aux onduleurs ou sectionneurs automatiques de l’installation et conforme à
la DIN VDE0126-1-1 ou DIN VDE0126.
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Sites de puissance supérieure à 250 kVA
L’arbre de décision suivant présente les différents cas de figure :
H.4
Oui
Production > 5 MW
Départ HTA dédié
Non
Télé découplage
obligatoire
Oui
ou par dérogation
(5)
H.5 avec ouverture
du départ par
l’automate du poste
(2)
source
Non
H.4
S Production >25 % Sn
transformateur
Oui
Risque de fonctionnement
en réseau séparé
( poste et rame )
avec relais 49,5 – 50,5 Hz
H.4.1
Oui ou par dérogation (5)
Oui
Départ HTA dédié
(1)
Non
Non
Départ HTA aérien avec
automatisme de ré
enclenchement rapide
Télé découplage
obligatoire
Oui
Non
H.2 avec ouverture
du départ par
l’automate du poste
(2) (4)
source
H.4.1
H.3 (3)
Non
Risque de fonctionnement
en réseau séparé
( poste et rame )
Oui
avec relais 47,5 – 51 Hz (1)
Non
H.2
P Production > 25% P * max(6)
du départ
Non
H.1
(1)
Oui
Départ HTA aérien avec
automatisme de ré
enclenchement rapide
Oui
H.3
(3)
Non
H.2
Voir § - Erreur ! Source du renvoi introuvable..
(2)
Le départ Producteur est ouvert par ordre de l’automate du poste source, notamment en cas de permutation
automatique de transformateur, de déclenchement d’une Protection Voltmétrique Homopolaire HTB, d’ouverture de l’arrivée
du transformateur.
(3)
La protection de type H.3 est associée à un relais de présence tension en retour pour permettre l’extinction du
défaut et prévenir les faux couplages.
(4)
Dans le cas rare d’un départ dédié en aérien avec automatisme de ré enclenchement rapide, le type de protection
de découplage minimal est le type H.3
(5)
La dérogation, à valider par le Demandeur, consiste à installer selon le cas une protection H.5 ou H.2 tant qu’il n’y
a pas d’autres utilisateurs sur le départ. Si, par la suite, le départ accueille d’autres utilisateurs, l’étude est refaite. GEREDIS
Deux-Sèvres pourra demander l’installation d’une protection H.4 ou H.4.1 (ajout d’un télé-découplage) par avenant à la
Convention de Raccordement.
(6)
Voir la définition de P* max dans le Glossaire.
Figure 1 - Arbre de décision pour les sites de puissance supérieure à 250 kVA
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Protection de découplage compatible
Le Producteur peut choisir une autre protection de découplage dans les limites du tableau suivant :
Type de Protection résultant des
arbres de décision
DIN VDE 0126 ou DIN VDE 0126-1-1
B.1
H.1
H.2
H.3
H.4.1
H.4
H.5
Types de protections compatibles
Départ aérien avec
Départ souterrain
automatismes de
Ré enclenchements Rapides
Sans objet
Sans objet
H.1, H.3, H.4.1
H.1, H.2, H.4.1
H.3, H.4.1
H.2, H.4.1
Sans objet
H.4.1
H.4.1
Sans objet
Sans objet
Sans objet
Sans objet
Sans objet
Sans objet
H.4
Tableau 1 – Types de protections de découplage compatibles
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3 Détermination du risque de maintien en réseau séparé
Plutôt qu’utiliser une démarche déterministe qui aurait conclu qu’un réseau séparé peut se produire dans la
grande majorité des cas (cas d’égalité entre production et consommation dans la zone de réseau considéré),
GEREDIS Deux-Sèvres a préféré se baser sur une approche probabiliste en tenant compte des plages de
variation ∆P et ∆Q définies ci-après.
La méthode d’étude ci-dessous est valable pour tout raccordement au réseau public de distribution HTA si les
conditions suivantes sont respectées :
les régulations de tension fonctionnant à la demande de GEREDIS Deux-Sèvres, dans les installations
de production de puissance supérieure à 1 MW ont des temps de réponse supérieurs à plusieurs
secondes,
les installations de production constituées de machines synchrones fonctionnent sans dispositif de
réglage fréquence puissance,
les installations de production constituées de machines équipées d’onduleurs à commutation forcée
fonctionnent sans dispositif de réglage de la tension. L’injection est faite par contrôle du courant en
sortie de l’électronique qui est synchronisée à la tension du réseau.
Cette méthode ne s’applique donc pas au raccordement d’installations de production sur un réseau non relié à
un grand réseau interconnecté et aux installations de production supérieure à 5 MW équipées de régulation de
tension et de fréquence-puissance avec des temps de réponse très faibles.
3.1
Classification des machines
Le risque de maintien en réseau séparé dépend en premier lieu du type de machines couplées au réseau
séparé. On distingue deux groupes de machines :
machines ayant l’aptitude à fonctionner en réseau séparé : il s’agit d’une part des machines
synchrones, qui disposent de leur propre système d’excitation et qui n’ont pas besoin d’être
synchronisées à la tension du réseau pour injecter leur puissance, et d’autre part des machines à
électronique de puissance, pour lesquelles on a constaté qu’elles pouvaient maintenir des réseaux
séparés stables.
machines n’ayant pas l’aptitude à fonctionner seules en réseau séparé : il s’agit des machines
asynchrones, qui ont besoin d’un apport externe de puissance réactive pour fonctionner.
La méthode d’étude du risque de maintien en réseau séparé intègre donc la présence ou non des machines de
ces deux groupes.
3.2
Diagrammes ∆P/∆
∆Q d’une machine synchrone
On montre qu’il est possible, à partir d’un faible nombre de paramètres, d’évaluer avec une précision
satisfaisante le risque de maintien en réseau séparé avec une machine synchrone reprenant une poche de
réseau, ces paramètres sont :
écart entre les puissances actives et réactives produite par la machine et consommée par les charges
de la poche au moment de la séparation du réseau.
inertie de la machine
seuils de réglage des relais de fréquence et de tension de la protection de découplage de la machine.
On définit ainsi des diagrammes ∆P / ∆Q donnant les conditions d'écarts de puissance active et
réactive permettant à la protection de découplage de la machine (relais de fréquence et relais à
maximum de tension) de détecter en moins de 400 ms le maintien en réseau séparé.
Les écarts ∆P et ∆Q de puissance active et réactive sont définis comme suit :
∆P/Pn = (Pmachine – Pcharge)/Pn
avec Pn puissance active nominale de la machine
Pmachine puissance active maximale fournie par la machine (Pmachine peut être inférieure à Pn).
Pcharge puissance active consommée par les charges avant ilotage
∆Q/Qmachine = (Qmachine – Qcharge)/Qmachine
avec Qmachine puissance réactive fournie par la machine avant ilotage.
Qcharge puissance réactive consommée par les charges avant ilotage.
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Les diagrammes donnés ci-dessous ont été établis pour :
•
•
•
trois valeurs de la constante d’énergie cinétique réduite H : 1s, 3s et 5s ;
les deux niveaux de réglage des relais de fréquence utilisés pour les protections de découplage :
[47,5 - 51 Hz] et [49,5 - 50,5 Hz] ;
un réglage du relais à maximum de tension à 115% de la tension nominale.
Les autres hypothèses retenues sont :
•
•
•
•
régulation à tan phi constant sur la machine ;
pas de régulation de fréquence sur la machine ;
tension au point de raccordement du producteur de 20,4 kV. ;
charges mixtes formées de résistances et de machines tournantes.
Relais de fréquence 49,5 - 50,5 Hz – Energie cinétique réduite machine H = 1 s
Zone de fonctionnement des relais
49,5 Hz - 50,5 Hz - 115% Un
Inertie H = 1 s
∆P/Pn (%)
100
fonctionnement
max f et max U
50
fonctionnement
max U
fonctionnement max f
0
fonctionnement
min f et max U
non fonctionnement
-50
fonctionnement min f
-100
-150
-200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
∆Q/Qmachine (%)
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49,5 Hz - 50,5 Hz - 115% Un
Inertie H = 3 s
∆P/Pn (%)
100
fonctionnement
max f et max U
50
fonctionnement
max U
0
fonctionnement
min f et max U
non fonctionnement
-50
-100
-150
-200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
∆Q/Qmachine (%)
49,5 Hz - 50,5 Hz - 115% Un
Inertie H = 5 s
∆P/Pn (%)
100
fonctionnement
max f et max U
50
fonctionnement
max U
0
fonctionnement
min f et max U
non fonctionnement
-50
-100
-150
-200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
∆Q/Qmachine (%)
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Relais de fréquence 47,5 - 51 Hz – Energie cinétique réduite machine H = 1 s
47,5 Hz - 51 Hz - 115% Un
Inertie H = 1 s
∆P/Pn (%)
100
fonctionnement
max f et max U
50
fonctionnement
max U
0
fonctionnement
min f et max U
non fonctionnement
-50
-100
-150
-200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
∆Q/Qmachine (%)
Zone de fonctionne ment des re la is
4 7,5 Hz - 5 1 Hz - 1 15% U n
Inertie H = 3 s
∆P/Pn (%)
100
f onc tionnement
m ax f et max U
f onc tionnem ent m ax f
50
f onc tionnem ent
max U
0
-50
no n foncti onnement
fonct ionnement
m in f et max U
-1 00
-1 50
fonct ionnement min f
-2 00
-20 0
-1 50
-1 00
-50
0
50
100
∆Q/Q machine (%)
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47,5 Hz - 51 Hz - 115% Un
Inertie H = 5 s
∆P/Pn (%)
100
fonctionnement
max f et max U
50
0
fonctionnement
max U
non fonctionnement
-50
-100
fonctionnement
min f et max U
-150
-200
-200
-150
-100
-50
0
50
100
∆Q/Qmachine (%)
3.3 Risque de maintien en réseau séparé en présence de plusieurs machines
synchrones
Les machines interagissent entre elles et contribuent ensemble au maintien de la fréquence et de la tension. Il
est possible d’évaluer le risque de maintien en réseau séparé à partir des diagrammes ∆P/∆Q présentés cidessus en assimilant les machines synchrones à une machine synchrone équivalente.
3.4 Risque de maintien en réseau séparé en présence de machines à électronique
de puissance
Il n’est pas aisé d’évaluer le risque de fonctionnement en réseau séparé pour une machine à électronique de
puissance reprenant une poche de réseau comme c’est le cas pour une machine synchrone. Cependant, les
retours d’expérience tant en France qu’en Europe ont permis de constater que le risque était réel et que leur
comportement était très proche de celui des machines synchrones. Ainsi, on considère que le risque de
fonctionnement en réseau séparé est avéré dans tous les cas pour les machines à électronique de puissance.
Dans le cas où plusieurs machines cohabitent, la présence d’une machine à électronique de puissance suffit
également à rendre le risque avéré.
3.5
Risque de maintien en réseau séparé en présence de machines asynchrones
Les machines asynchrones ne peuvent à elles seules maintenir un réseau séparé, sauf dans le cas très
particulier d’adéquation entre la puissance réactive disponible sur le réseau, notamment grâce aux gradins de
condensateurs, et la puissance réactive nécessaire à l’excitation des machines asynchrones (phénomène
d’auto-excitation). Nous négligeons ce phénomène dans le cadre de cette étude, étant donnée la probabilité
très faible d’un maintien durable de la fréquence et de la tension dans les plages de non fonctionnement des
relais de la protection de découplage.
L’étude du risque de maintien en réseau séparé est donc inutile dans ce cas.
Par contre, lorsque des machines asynchrones se retrouvent couplées avec une ou plusieurs machines
synchrones ou à électronique de puissance, ces dernières peuvent éventuellement fournir la puissance
réactive nécessaire à l’excitation des machines asynchrones. L’étude du risque de maintien en réseau séparé
est alors nécessaire.
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