Conception et calcul des systèmes électriques pour les centrales éoliennes

La conception et le calcul des systèmes électriques des centrales éoliennes sont une discipline technique complexe qui exige une compréhension complète des principes de génie électrique, de la conversion de l'énergie éolienne, des exigences d'intégration du réseau et des normes de sécurité.Une installation consiste en des systèmes nécessaires pour capter l'énergie éolienne, pointer la turbine dans le vent, convertir la rotation mécanique en énergie électrique et d'autres systèmes pour démarrer, arrêter et contrôler la turbine.

Comprendre l'architecture du système électrique éolien

L'architecture électrique d'une centrale éolienne comprend plusieurs systèmes interconnectés qui travaillent ensemble pour convertir l'énergie cinétique éolienne en énergie électrique de qualité du réseau. Au centre de toute éolienne se trouve un système électrique complexe conçu pour capturer, convertir et transmettre l'énergie éolienne, avec des éoliennes équipées de générateurs qui produisent de l'énergie électrique lorsque le vent tourne les pales de turbine. Le système électrique complet s'étend du générateur logé dans chaque turbine nacelle par des systèmes de collecte, des transformateurs, des commutateurs, des dispositifs de protection et, en fin de compte, au point de raccordement du réseau.

Les centrales éoliennes modernes utilisent des conceptions électriques sophistiquées qui doivent équilibrer l'efficacité, la fiabilité, la rentabilité et la conformité au réseau. L'ingénierie éolienne met l'accent sur la nécessité de composants électriques hautement efficaces tels que les génératrices, les transformateurs et l'électronique de puissance.

Composants électriques primaires

Le système électrique d'une centrale éolienne est constitué de plusieurs composants critiques qui fonctionnent en coordination. Le générateur convertit la rotation mécanique en énergie électrique, produisant généralement de l'énergie à des tensions relativement basses. Une éolienne moderne est souvent équipée d'un transformateur qui augmente la tension du terminal de la génératrice, habituellement une tension inférieure à 1 kV (E.g. 575 ou 690 V), en une tension moyenne autour de 20-30 kV, pour la connexion électrique locale dans un parc éolien.

Au-delà du générateur et du transformateur, le système électrique comprend des convertisseurs de puissance pour turbines à vitesse variable, relais de protection, disjoncteurs, commutateurs de déconnexion, systèmes de surveillance et équipement de commande. Chaque composant doit être correctement dimensionné et coordonné pour assurer un fonctionnement sûr et fiable dans toutes les conditions de fonctionnement, y compris le fonctionnement normal, les perturbations du réseau et les conditions de défaillance.

Technologies et configurations du générateur de turbine éolienne

Le choix de la technologie de générateur a des répercussions importantes sur la conception et les caractéristiques de performance d'une éolienne. Différents types de générateurs offrent des avantages distincts en termes d'efficacité, de coût, de compatibilité du réseau et de capacités de contrôle.

Générateurs d'induction à vitesse fixe

L'éolienne à vitesse constante ou fixe utilise un générateur d'induction de cage d'écureuil asynchrone (SCIG) directement connecté au réseau électrique à l'aide d'un transformateur de puissance de montée en puissance, et puisque le générateur d'induction de cage d'écureuil puise toujours de l'énergie réactive du réseau AC, ce concept nécessite un compensateur de puissance réactif, comme une banque de condensateurs.

Les systèmes à vitesse fixe présentent l'avantage de la simplicité et de la faible coût; toutefois, les principaux inconvénients de ce concept sont l'incapacité de supporter le contrôle de la vitesse, l'exigence d'un réseau rigide (tension et fréquence fixes) et la nécessité d'une structure mécanique robuste pour supporter les contraintes mécaniques élevées causées par les rafales de vent.

Systèmes de générateurs à vitesse variable

Les éoliennes modernes utilisent principalement des configurations à vitesse variable qui offrent des performances supérieures et une compatibilité avec le réseau. Le rotor se connecte au générateur, soit directement (si c'est une turbine à entraînement direct) soit par un arbre et une série de rapports (une boîte de vitesses) qui accélèrent la rotation et permettent un générateur plus petit physiquement.

Les turbines à entraînement direct simplifient les systèmes de nacelle et peuvent accroître l'efficacité et la fiabilité en évitant les problèmes de boîte de vitesses, en connectant directement le rotor au générateur pour produire de l'électricité. Ces systèmes éliminent la boîte de vitesses, qui est l'un des composants les plus exigeants en maintenance, bien qu'ils nécessitent des générateurs plus gros et plus coûteux pour gérer les faibles vitesses de rotation du rotor.

Considérations relatives à la conception du système électrique

La conception d'un système électrique pour une centrale éolienne nécessite une analyse minutieuse de multiples facteurs techniques, économiques et réglementaires. Le processus de conception doit tenir compte des conditions spécifiques au site, des capacités de l'équipement, des exigences du réseau et des objectifs opérationnels.

Évaluation des ressources éoliennes

La conception de tout système électrique éolien repose sur une compréhension approfondie de la ressource éolienne disponible. L'énergie disponible pour une éolienne est basée sur la densité de l'air (habituellement environ 1,2 kg/m3), la surface balayée des pales de turbine et la vitesse du vent, la vitesse du vent étant la plus variable. Les ingénieurs doivent analyser la distribution de la vitesse du vent, les modèles directionnels, les caractéristiques de turbulence et les variations saisonnières pour bien dimensionner les composants électriques et prévoir la production d'énergie.

Les données sur les ressources éoliennes influent directement sur la sélection des turbines, la capacité électrique et les facteurs de capacité prévus. Le facteur de capacité indique la quantité d'énergie produite par une source par rapport à la quantité maximale d'énergie qu'elle pourrait fournir, exprimée en pourcentage, et est habituellement déterminé au cours d'une seule année.

Exigences relatives à la connexion au réseau

La conception efficace de l'électricité est essentielle dans la conception des parcs éoliens et l'interconnexion au réseau électrique, les professionnels de l'énergie éolienne prenant en considération des facteurs tels que la transmission de l'énergie, la régulation de la tension et la stabilité du réseau lors de la conception des systèmes électriques.

Les spécifications strictes pour la régulation de la qualité de l'alimentation du réseau portent sur des aspects tels que le changement de tension et de clignotant, le fonctionnement en état stationnaire et les systèmes de commande pour assurer une connexion fiable.

Débit de charge et dimensionnement du système

Les ingénieurs doivent calculer les débits prévus selon divers scénarios d'exploitation, notamment la production minimale, la production maximale et les conditions d'urgence. Ces calculs déterminent la capacité requise des transformateurs, la capacité de transport de courant des câbles et la capacité de réglage des appareils de commutation et de protection.

La conception électrique doit tenir compte de la puissance maximale attendue tout en minimisant les pertes dans des conditions d'exploitation typiques. Une centrale éolienne utilisera un transformateur de transition pour augmenter la tension (réduction ainsi du courant requis), ce qui réduit les pertes de puissance qui se produisent lors de la transmission de grandes quantités de courant sur de longues distances avec des lignes de transmission.

Calcul des paramètres électriques pour les systèmes d'énergie éolienne

Les ingénieurs doivent déterminer les niveaux de tension, les débits de courant, les pertes de puissance, les courants de court-circuit et les paramètres de protection par une analyse systématique.

Calculs de la puissance de sortie

Le calcul de la puissance fondamentale des éoliennes est lié à la vitesse du vent et à la puissance électrique. Le calcul de la puissance d'une turbine consiste à appliquer la formule P = 0,5 * ρ * A * Cp * v^3, où P est la puissance en watts, ρ est la densité de l'air, A est la surface balayée en mètres carrés, Cp est le coefficient de puissance, et v est la vitesse du vent en mètres par seconde.

Les turbines éoliennes ne peuvent jamais être meilleures que 59,3% efficaces en raison de la loi Betz, avec la limite Betz à 59,3%. Cette limitation aérodynamique fondamentale signifie que même les turbines parfaitement conçues ne peuvent pas extraire toute l'énergie cinétique du vent.

Calculs de tension et de courant

Pour calculer la puissance de sortie de l'éolienne, utilisez la formule suivante : Puissance (W) = Tension (V) × Courant (A), convertissant la lecture du courant des milliampères (mA) en ampères (A) en divisant la valeur par 1000. Pour les systèmes triphasés, qui sont standard dans les applications de l'énergie éolienne, la relation devient plus complexe.

Pour la puissance en trois phases : P = √3 × V line × I line × pf. Cette formule tient compte des relations de phase dans les systèmes en trois phases et comprend le facteur de puissance, qui représente l'angle de phase entre la tension et le courant.

Un générateur de turbine de 5 MW produit souvent une tension moyenne (690 V ou 3,3 kV) à l'intérieur; un transformateur sur place fait des pas qui atteignent la tension de collecte de la ferme éolienne (habituellement 33 kV) puis la tension de transmission (p. ex. 110 à 220 kV).

Calculs de la perte de puissance

La réduction des pertes électriques est essentielle pour maximiser la production d'énergie et les rendements économiques.Les pertes d'énergie se produisent dans les générateurs, transformateurs, câbles et convertisseurs électroniques de puissance.

Les pertes de câbles peuvent être calculées selon la formule suivante : P loss = I2 × R, où je suis le courant et R est la résistance du câble. Puisque la résistance augmente avec la longueur du câble et diminue avec la surface de section transversale du conducteur, les ingénieurs doivent équilibrer le coût des conducteurs plus grands par rapport à la valeur des pertes réduites sur toute la durée du projet.

Les pertes de transformateurs comprennent à la fois les pertes sans charge (pertes de base) et les pertes de charge (pertes de cuivre).Les pertes sans charge se produisent en continu chaque fois que le transformateur est sous tension, tandis que les pertes de charge varient avec le carré du courant de charge.

Calculs du courant à court-circuit

L'analyse des courts-circuits détermine les courants de défaillance maximums qui peuvent s'écouler pendant les pannes électriques. Ces calculs sont essentiels pour sélectionner les disjoncteurs, les fusibles et les autres dispositifs de protection avec une capacité d'interruption adéquate. Le courant de court-circuit dépend de l'impédance de la source (grid), des transformateurs, des câbles et des générateurs.

Les générateurs de turbine éolienne contribuent aux courants de court-circuit différemment selon leur technologie. Les générateurs et les générateurs synchrones avec convertisseurs de puissance à grande échelle ont des caractéristiques de courant de défaut différentes de celles des générateurs d'induction directement connectés.

Conception et sélection des transformateurs

Les transformateurs sont des composants essentiels des systèmes électriques d'énergie éolienne, augmentant la tension du niveau de générateur au niveau du système de collecte et, en fin de compte, aux tensions de transmission.

Transformateurs de turbines

Chaque éolienne comprend généralement un transformateur dédié situé soit à l'intérieur de la base de la tour, soit sur un support adjacent à la tour. Ces transformateurs augmentent la tension du générateur au niveau du système de collecte à moyenne tension. Le transformateur doit être dimensionné pour gérer la puissance nominale de la turbine plus toutes les charges auxiliaires.

Le choix des transformateurs de turbine doit tenir compte du rapport de tension, de l'impédance, de la méthode de refroidissement, de la classe d'isolation et de la protection de l'environnement. Les éoliennes offshore nécessitent des transformateurs avec une protection contre la corrosion accrue et la capacité de résister aux environnements marins difficiles.

Transformateurs de postes

Dans une centrale éolienne à échelle de service, chaque turbine produit de l'électricité qui se dirige vers une sous-station où elle se transfère ensuite au réseau, avec une sous-station reliant le réseau de transport au réseau de distribution qui fournit de l'électricité à la collectivité. Ces transformateurs doivent gérer la production combinée de plusieurs turbines et sont généralement dimensionnés avec une certaine marge pour l'expansion future.

Les spécifications des transformateurs de sous-station comprennent la puissance nominale (MVA), les rapports de tension, l'impédance, le type de changeur de robinet (à charge ou hors charge), le système de refroidissement et les caractéristiques de protection.

Considérations de chargement et de température des transformateurs

Les transformateurs peuvent généralement gérer des surcharges à court terme au-delà de leur cote de plaque signalétique, mais une surcharge soutenue réduit la durée de vie de l'isolation. Les applications d'énergie éolienne présentent des modèles de charge uniques en raison des conditions de vent variables.

Les systèmes de refroidissement des transformateurs doivent être adaptés à l'environnement d'installation et aux conditions de chargement.Les méthodes de refroidissement courantes comprennent l'air naturel immergé par l'huile (ONAN), l'air forcé immergé par l'huile (ONAF) et les conceptions de type sec. Le choix dépend de la puissance nominale, des conditions environnementales, des exigences de sécurité incendie et des considérations d'entretien.

Conception et calcul du système de câbles

Le système de câbles d'une centrale éolienne recueille l'énergie de chaque turbine et la transmet à la sous-station et, en fin de compte, au point de raccordement du réseau. La conception du câble consiste à choisir les tailles de conducteurs appropriées, les types d'isolation, les méthodes d'installation et l'itinéraire pour assurer une transmission d'énergie sûre, fiable et économique.

Méthodologie de calibrage des câbles

Le calibrage des câbles doit satisfaire à de multiples critères, notamment la capacité de transport du courant (amplitude), les limites de chute de tension, la capacité de résistance à court-circuit et la résistance mécanique. L'ampacité dépend du matériau conducteur (cuivre ou aluminium), de la surface transversale, du type d'isolation, de la méthode d'installation, de la température ambiante et de la résistivité thermique du sol pour les câbles enfouis.

Les calculs de chute de tension garantissent que la tension de chaque turbine reste dans des limites acceptables dans toutes les conditions de charge. La chute excessive de tension peut entraîner un déplacement hors ligne des turbines ou un fonctionnement inefficace. La chute de tension d'un câble est calculée comme suit : ΔV = I × (R × cos(λ) + X × sin(λ)) × L, où je suis courant, R est résistance par unité de longueur, X est réactivité par unité de longueur, φ est l'angle du facteur de puissance et L est la longueur du câble.

Architecture du système de collecte

Les systèmes de collecte de parcs éoliens utilisent généralement des configurations radiales ou en boucle. Les systèmes radiaux relient des chaînes de turbines en série à la sous-station, offrant une simplicité et un coût moindre, mais avec une redondance réduite.

La tension du système de collecte est généralement comprise entre 11 et 36 kV, 33 kV étant couramment utilisée pour les parcs éoliens de plus grande taille. Les tensions de collecte plus élevées réduisent le courant et les pertes connexes, mais nécessitent un équipement plus coûteux.

Considérations relatives à l'installation des câbles

La méthode d'installation affecte de façon significative la performance et le coût des câbles. Les options incluent l'enfouissement direct, l'installation dans les conduits ou les conduits, les plateaux de câbles et les lignes aériennes.

La profondeur de l'enfouissement doit fournir une protection mécanique adéquate tout en permettant une dissipation thermique acceptable. L'enfouissement plus profond offre une meilleure protection mais augmente la résistance thermique, réduisant ainsi l'ampacité.

Systèmes de commutation et de protection

Les systèmes de commutation et de protection sont essentiels pour assurer la sécurité du fonctionnement, la protection de l'équipement et la fiabilité du système.

Types et applications de commutateurs

Les centrales éoliennes utilisent divers types de commutateurs selon le niveau de tension et l'application. Les commutateurs à moyenne tension aux niveaux de turbine et de sous-station utilisent généralement des disjoncteurs à vide ou à SF6. Ces appareils doivent avoir une tension nominale adéquate, une puissance nominale continue, une capacité d'interruption de court-circuit et des mécanismes de fonctionnement appropriés.

Les configurations de commutateurs comprennent des conceptions métalliques, des fermetures métalliques et des fixations sur coussin. Les commutateurs métalliques offrent une sécurité et une fiabilité maximales, mais à un coût plus élevé. Les commutateurs montés sur coussin sont courants pour les applications au niveau de la turbine, offrant une protection contre les intempéries et un coût raisonnable.

Systèmes de relais de protection

Les relais de protection surveillent les paramètres électriques et déclenchent le fonctionnement du disjoncteur lorsque des conditions anormales sont détectées. Les systèmes de protection de l'énergie éolienne doivent traiter les surintensités, les surtensions, les sous-tensions, les déviations de fréquence, les défauts au sol, la protection différentielle et la perte de synchronisation.

Les systèmes de protection modernes utilisent des relais à microprocesseurs offrant de multiples fonctions de protection, des capacités de communication, des enregistrements d'événements et des diagnostics avancés. Les paramètres de protection doivent être soigneusement coordonnés pour assurer un fonctionnement sélectif, où le dispositif de protection le plus proche d'une faille fonctionne en premier, réduisant ainsi l'ampleur des pannes.

Conformité au code de grille

Les exploitants de grilles précisent les exigences de protection que doivent respecter les centrales éoliennes, notamment la protection anti-escale pour empêcher le parc éolien de continuer à énergiser une section de grille désenclenchement, les capacités de franchissement des failles pour rester branchées pendant les perturbations du réseau et les réglages spécifiques de tension et de fréquence.

Les exigences de la conduite par défaut sont devenues de plus en plus strictes à mesure que la pénétration de l'énergie éolienne s'est accrue. Les éoliennes modernes doivent rester connectées et soutenir le réseau pendant les périodes de voltage et les excursions de fréquence qui auraient fait que des conceptions antérieures ont été lancées hors ligne.

Qualité de l'alimentation et intégration du réseau

Les centrales éoliennes doivent fournir une puissance électrique de haute qualité qui répond aux exigences des opérateurs du réseau. La qualité de l'énergie comprend la régulation de la tension, la stabilité de la fréquence, la distorsion harmonique et le flicker.

Règlement sur la tension

Le maintien de la tension dans les limites spécifiées est essentiel pour la stabilité du réseau et la protection de l'équipement. Les centrales éoliennes peuvent provoquer des fluctuations de tension dues à la puissance variable et à la consommation ou à la production d'énergie réactive.

Les appareils de régulation de la tension peuvent comprendre des changeurs de robinets sur charge sur les transformateurs de sous-station, des compensateurs VAR statiques (SVC) ou des compensateurs statiques synchrones (STATCOMs). Le choix dépend de l'ampleur et de la vitesse des variations de tension, de la résistance du réseau et des considérations économiques.

Distortion harmonique

Les convertisseurs électroniques de puissance dans les éoliennes modernes génèrent des courants harmoniques qui peuvent fausser les formes d'onde de tension. Une distorsion harmonique excessive peut causer une surchauffe des équipements, une interférence de communication et une mauvaise utilisation du relais de protection.

L'analyse harmonique consiste à calculer les courants harmoniques de chaque turbine, en considérant leur propagation par le système de collecte et les transformateurs, et en déterminant la distorsion de tension au point de couplage commun. Des filtres harmoniques peuvent être nécessaires si la distorsion calculée dépasse les limites.

Gestion de l'énergie réactive

Les exploitants de réseaux ont généralement besoin de centrales éoliennes pour fonctionner dans une plage de facteurs de puissance spécifiée ou pour fournir une puissance réactive définie. Les éoliennes modernes peuvent générer ou absorber de l'énergie réactive par l'intermédiaire de leurs convertisseurs électroniques de puissance, fournissant un support précieux au réseau.

La capacité de réaction d'un parc éolien dépend des capacités de turbine, des impédances des transformateurs, de la capacité des câbles et de tout autre équipement de compensation réactif.

Systèmes de contrôle et de surveillance

Des systèmes de contrôle et de surveillance sophistiqués sont essentiels pour optimiser les performances des parcs éoliens, assurer leur fonctionnement sûr et répondre aux exigences des exploitants de réseaux, allant des contrôleurs de turbine individuels aux systèmes de contrôle de surveillance et d'acquisition de données (SCADA) qui gèrent des parcs éoliens entiers.

Systèmes de commande de turbine

Le système de tangage ajuste l'angle des pales de l'éolienne par rapport au vent, contrôlant la vitesse du rotor et en réglant l'angle des pales d'une turbine, le système de tangage contrôle la quantité d'énergie que les pales peuvent extraire.

Les contrôleurs de turbine modernes intègrent des algorithmes avancés pour le suivi maximal des points de puissance, la réduction de charge et les fonctions de soutien du réseau. Ils communiquent avec le système SCADA du parc éolien, fournissant des données opérationnelles et des commandes de réception pour la réduction de puissance ou d'autres modes opérationnels.

Systèmes SCADA

Les systèmes SCADA se concentrent sur les communications entre les composants des centrales éoliennes et les acteurs, tels que les éoliennes, la définition de modèles d'information des centrales éoliennes et un modèle d'échange d'informations. Le système SCADA surveille la performance des turbines, les conditions environnementales, les paramètres électriques et l'état des équipements.

Les systèmes SCADA collectent de grandes quantités de données qui peuvent être analysées pour optimiser les performances, prédire les besoins de maintenance et diagnostiquer les problèmes. Les algorithmes d'analyse et d'apprentissage automatique avancés sont de plus en plus utilisés pour extraire des informations de ces données, en améliorant la disponibilité et en réduisant les coûts d'exploitation.

Interface de grille et communication

Les centrales éoliennes doivent communiquer avec les exploitants de réseaux pour recevoir des instructions d'expédition, signaler l'état d'exploitation et coordonner les opérations pendant les perturbations du réseau.

Le contrôleur de l'installation s'interface entre le système SCADA du parc éolien et le système de gestion de l'énergie de l'opérateur du réseau. Il met en œuvre le contrôle de l'énergie active pour suivre les instructions d'expédition, gère l'énergie réactive pour maintenir la tension ou les points de réglage du facteur d'énergie et coordonne la réponse de la turbine pendant les événements du réseau.

Systèmes de sécurité et mise à l'eau

La sécurité électrique est primordiale dans la conception des centrales éoliennes. Les systèmes de sécurité protègent le personnel et l'équipement des risques électriques, y compris les chocs, les éclairs d'arc et les frappes éclair.

Conception du système de mise à l'eau

Un système de mise à la terre complet fournit un chemin de faible impédance pour les courants de défaillance, stabilise la tension en fonctionnement normal et protège contre les coups de foudre. Le système de mise à la terre comprend des conducteurs de mise à la terre d'équipement, des électrodes de mise à la terre et l'interconnexion de toutes les structures métalliques.

Les tours de turbine éolienne doivent être mises à la terre efficacement pour dissiper les courants de foudre en toute sécurité. La résistance à la mise à la terre doit être aussi faible que possible, généralement inférieure à 10 ohms. Pour atteindre une faible résistance à la mise à la terre, il peut être nécessaire de disposer de systèmes d'électrodes étendus, en particulier dans les zones à haute résistivité du sol.

Protection contre la foudre

Les éoliennes sont particulièrement vulnérables aux coups de foudre en raison de leur hauteur et de leur emplacement exposé. Les systèmes de protection contre la foudre comprennent les terminaux d'air sur les bouts de pales, les conducteurs descendants à travers les pales et la tour, et les systèmes de mise à la terre pour dissiper l'énergie de la foudre en toute sécurité dans la terre.

Les dispositifs de protection contre les surtensions protègent les équipements électroniques sensibles contre les surtensions causées par les éclairs ou les commutations. Ces dispositifs doivent être correctement notés et coordonnés pour assurer une protection efficace sans trébuchage de nuisances.

Analyse des risques de flash d'arc

Les risques d'arc éclair posent de sérieux risques pour le personnel travaillant sur des équipements électriques sous tension. L'analyse d'arc éclair calcule l'énergie incidente qui pourrait être libérée lors d'une défaillance d'arc, permettant une sélection adéquate des équipements de protection individuelle et l'établissement de pratiques de travail sûres.

L'énergie incidente dépend du courant de court-circuit disponible, du temps de dégagement du dispositif de protection et de la distance par rapport à l'arc. On peut réduire l'énergie incidente en réduisant le courant de défaut (par le biais des dispositifs de limitation du courant), en réduisant le temps de dégagement (par une protection plus rapide) ou en augmentant la distance de travail.

Considérations électriques liées au vent en mer

Les centrales éoliennes offshore présentent des défis uniques en matière de conception électrique en raison de l'environnement marin, de plus grandes distances par rapport à la rive et de la difficulté d'accès pour l'entretien et les réparations.

Systèmes de câbles sous-marins

Les parcs éoliens offshore exigent des câbles sous-marins pour transmettre l'énergie des turbines offshore aux sous-stations côtières. Ces câbles doivent résister à des conditions maritimes difficiles, notamment la pression de l'eau, les courants, les activités de pêche et les ancres des navires.

Les câbles sous-marins utilisent généralement une construction à trois axes avec armure pour la protection mécanique. Le parcours du câble doit être soigneusement étudié pour éviter les obstacles et minimiser la longueur. L'enfouissement du câble assure une protection contre les dommages externes, mais augmente le coût d'installation et la complexité.

Sous-stations offshore

Les grands parcs éoliens offshore comprennent souvent des sous-stations offshore qui collectent de l'énergie des turbines et de la tension de pas jusqu'à des niveaux élevés pour la transmission à terre. Ces sous-stations doivent être conçues pour une exploitation sans pilote dans des environnements marins difficiles, avec une haute fiabilité et des capacités de surveillance à distance.

Les plateformes de sous-station offshore doivent fournir des bases stables pour l'équipement électrique lourd, la protection contre les vagues et les conditions météorologiques, et l'hébergement pour le personnel d'entretien pendant les visites de service. L'équipement électrique doit être adapté aux environnements marins avec une protection accrue contre la corrosion et l'étanchéité environnementale.

Transmission HVDC

Pour les parcs éoliens offshore situés loin de la rive, la transmission à courant direct haute tension (HVDC) peut être plus économique que la transmission par courant alternatif. HVDC élimine les pertes de puissance réactives associées aux câbles longs AC et permet de raccorder à des réseaux CA faibles.

La technologie de convertisseur HVDC pour vent offshore comprend les convertisseurs à ligne (LCC) et les convertisseurs de tension source (VSC). La technologie VSC est généralement préférée pour les applications éoliennes offshore en raison de sa capacité à contrôler l'énergie active et réactive indépendamment, la capacité de démarrage noir et la distorsion harmonique réduite.

Optimisation économique des systèmes électriques

La conception des systèmes électriques implique de nombreux compromis entre les coûts d'immobilisation, les coûts d'exploitation, les pertes d'énergie et la fiabilité. L'optimisation économique vise à minimiser le coût du cycle de vie tout en répondant aux exigences techniques et réglementaires.

Considérations relatives aux coûts d'immobilisations

Les coûts de raccordement au réseau (c.-à-d., ligne de raccordement, nouvelle ou mise à niveau, coûts d'interconnexion) sont inclus dans CAPEX. Les coûts d'équipement varient selon les cotes, les spécifications et les conditions du marché.

Les choix de conception ont une incidence importante sur les coûts d'immobilisations. Les tensions élevées des systèmes de collecte réduisent les coûts de câble, mais augmentent les coûts des commutateurs et des transformateurs.

Évaluation des pertes d'énergie

Les pertes électriques représentent l'énergie qui aurait pu être vendue, ce qui rend la réduction des pertes économiquement valable. La valeur de la réduction des pertes dépend des prix de l'électricité, qui peuvent varier en temps de journée et de saison.

L'évaluation des pertes devrait tenir compte de la nature variable des pertes et des prix de l'électricité.Les pertes sont les plus élevées pendant les périodes de vent élevé lorsque les turbines produisent une puissance maximale, ce qui peut coïncider avec des prix élevés de l'électricité.

Fiabilité et disponibilité

La fiabilité du système électrique affecte la production et les revenus énergétiques. Les défaillances de l'équipement entraînent une perte de production jusqu'à ce que les réparations soient terminées. Le coût des temps d'arrêt dépend des prix de l'électricité et de la durée des pannes.

L'analyse de fiabilité devrait tenir compte des taux de défaillance des composants, des temps de réparation et de l'incidence des défaillances sur la production d'énergie. Les configurations redondantes peuvent être justifiées pour les composants critiques où les défaillances causent des pannes prolongées ou affectent de grandes parties du parc éolien.

Technologies émergentes et tendances futures

Les systèmes électriques d'énergie éolienne continuent d'évoluer avec des technologies avancées, des exigences changeantes du réseau et une échelle de projet croissante.

Turbines plus grandes et plus hautes tensions

Les turbines modernes dépassent maintenant 15 MW par unité, ce qui rend les parcs éoliens offshore moins nombreux à produire des quantités massives d'électricité. Les turbines plus grandes réduisent le nombre d'unités nécessaires pour une capacité donnée, simplifient potentiellement les systèmes de collecte et réduisent les coûts.

La tendance vers les turbines plus grandes est particulièrement marquée dans les applications offshore où les coûts d'installation favorisent moins, les unités plus grandes. Générateurs de turbines sont conçus pour des sorties de puissance et des tensions plus élevées, réduisant les exigences de transformation et améliorant l'efficacité.

Intégration du stockage de l'énergie

L'alimentation en énergie continue est assurée même pendant les accalmies éoliennes. Le stockage de l'énergie peut déplacer la production d'énergie éolienne vers des périodes de demande et de prix plus élevés, fournir des services de réseau tels que la régulation de la fréquence et améliorer la capacité de l'énergie éolienne.

L'intégration du stockage d'énergie avec les centrales éoliennes nécessite une conception prudente du système électrique pour tenir compte du débit bidirectionnel, gérer les cycles de charge et de décharge et coordonner le fonctionnement du stockage avec les exigences de production de turbine et de réseau.

Services de réseau avancés

Les centrales éoliennes modernes sont de plus en plus censées fournir des services de réseau au-delà de la production d'énergie, notamment la réponse en fréquence, le support de tension, la réponse par inertie et la capacité de démarrage noir.

L'ingénierie éolienne continue de progresser avec un effort constant d'innovation dans la conception électrique, avec des efforts de recherche et développement axés sur l'amélioration de l'efficacité des composants électriques, l'optimisation des processus de conversion de puissance et l'exploration de techniques avancées d'intégration du réseau.

Digitalisation et fermes éoliennes intelligentes

Les éoliennes sont maintenant équipées de capteurs qui surveillent les performances, les conditions météorologiques et la santé mécanique en temps réel, et ces données améliorent la maintenance et prolongent la durée de vie des turbines.

Les parcs éoliens intelligents utilisent des analyses avancées pour optimiser les performances, prévoir les défaillances avant qu'elles ne se produisent et coordonner le fonctionnement de la turbine pour maximiser la production d'énergie tout en minimisant les charges.

Normes et codes pour les systèmes électriques d'énergie éolienne

La conception des systèmes électriques éoliens doit être conforme à de nombreux codes et normes qui garantissent la sécurité, la fiabilité et l'interopérabilité, normes élaborées par des organisations internationales, des organismes nationaux et des groupes industriels.

Normes internationales

La norme CEI 61400 précise les exigences essentielles de conception pour assurer l'intégrité technique des éoliennes et est pertinente pour tous les sous-systèmes d'éoliennes tels que les pièces de structure, les mécanismes de contrôle et de protection, les systèmes électriques et les systèmes mécaniques.

Parmi les autres normes internationales pertinentes, on peut citer la norme CEI 61000 pour la compatibilité électromagnétique, la norme CEI 60076 pour les transformateurs de puissance et la norme CEI 62271 pour les commutateurs à haute tension.

Codes nationaux et régionaux

Aux États-Unis, le Code national de l'électricité (NEC) prévoit des exigences complètes pour la conception et l'installation des systèmes électriques. D'autres pays ont des codes similaires qui doivent être suivis.

Les codes de raccordement au réseau précisent les exigences techniques que les producteurs doivent satisfaire pour se connecter au réseau électrique. Ces codes varient selon le pays et l'opérateur du réseau, mais s'appliquent généralement aux limites de tension et de fréquence, à la qualité de l'énergie, au passage des pannes et aux capacités de contrôle.

Meilleures pratiques de l'industrie

Outre les normes et les codes obligatoires, les meilleures pratiques de l'industrie fournissent des conseils sur la conception, l'installation et l'exploitation des systèmes électriques d'énergie éolienne.

La mise en oeuvre des meilleures pratiques de l'industrie permet de s'assurer que les projets d'énergie éolienne atteignent les performances, la fiabilité et la sécurité prévues.

Exemple de conception pratique et calculs

Pour illustrer l'application des principes de conception électrique, il faut considérer un exemple pratique d'un parc éolien terrestre de taille moyenne, qui illustre les calculs clés et les décisions de conception qui ont été pris dans le cadre de la mise au point d'un système électrique.

Paramètres du projet

Supposons qu'un parc éolien de 20 turbines, chacune de 3 MW, soit une capacité totale de 60 MW. Les turbines sont disposées en quatre chaînes de cinq turbines chacune. La tension du générateur est de 690 V, et la tension du système de collecte est de 33 kV. La distance entre la sous-station du parc éolien et le point d'interconnexion du réseau est de 5 km, et la tension de transmission est de 132 kV.

Taille du transformateur de turbine

Chaque turbine nécessite un transformateur pour passer de 690 V à 33 kV. Le transformateur doit gérer la puissance nominale de la turbine plus les charges auxiliaires. En supposant que 50 kW de charge auxiliaire, la capacité requise du transformateur est d'environ 3,05 MVA. Un transformateur standard 3,15 MVA serait sélectionné, fournissant une petite marge pour la capacité de surcharge.

L'impédance du transformateur affecte la régulation de la tension et les courants de court-circuit. Une impédance typique pour ce transformateur de taille est 6%. Cette impédance limite les courants de court-circuit tout en fournissant une régulation de tension acceptable. Le transformateur devrait avoir un système de refroidissement ONAN adapté pour l'installation extérieure.

Système de collecte Taille de câble

Pour les câbles du système de collecte, calculez le courant à 33 kV pour une turbine de 3 MW : I = P / ( √3 × V × pf) = 3.000.000 / ( √3 × 33.000 × 0.95) , 55 A. C'est le courant d'une seule turbine. Le câble reliant la cinquième turbine dans une chaîne à la quatrième turbine doit transporter le courant des cinq turbines, ou environ 275 A.

Pour l'installation en milieu direct dans un sol typique, un câble conducteur en aluminium de 95 mm2 peut avoir une ampacité d'environ 300 A, ce qui donne une capacité suffisante avec une marge raisonnable. La chute de tension doit être calculée pour vérifier qu'il reste dans les limites acceptables, généralement 2 à 3 % de la tension nominale.

Taille du transformateur de sous-station

Le transformateur de sous-station fait passer la tension de 33 kV à 132 kV pour la transmission au réseau. Le transformateur doit gérer la production totale de 60 MW. Compte tenu des pertes de transformateur et des charges auxiliaires, un transformateur de 63 MVA serait approprié. Cela fournit une certaine marge pour l'expansion future ou la surcharge temporaire dans des conditions de vent élevé.

Le transformateur devrait avoir un changeur de robinet à charge pour assurer la régulation de la tension. Une plage de robinets typique est ±10% en 1,25%, permettant un réglage de tension pour compenser les variations de charge et de tension du réseau. L'impédance du transformateur devrait être coordonnée avec les exigences de protection du système, généralement dans la plage de 10-15% pour ce transformateur de taille.

Estimation de la perte de puissance

Pour les transformateurs, supposons des pertes sans charge de 5 kW et des pertes pleine charge de 25 kW par transformateur. Avec 20 transformateurs fonctionnant à un facteur de capacité moyen de 35 %, les pertes annuelles de transformateurs seraient d'environ : (20 × 5 kW × 8760 h) + (20 × 25 kW × 0,352 × 8760 h) 1 414 000 kWh.

Pour une estimation simplifiée, il faut supposer une longueur moyenne de câble de 500 m par turbine et une résistance de 0,32 ohms/km pour un câble de 95 mm2. Le courant moyen à 35 % de la capacité est d'environ 55 A × 0,35 = 19,25 A. Pertes de câble par turbine : I2 × R × heures = 19,252 × 0,32 × 0,5 × 8760 ↓ 520 kWh. Pertes totales de câble pour 20 turbines : environ 10 400 kWh par année.

Ces calculs montrent que les pertes de transformateurs dominent dans cet exemple. Choisir des transformateurs à plus haut rendement pourrait réduire considérablement les pertes d'énergie à vie, bien qu'il faille les équilibrer avec les coûts initiaux plus élevés.

Entretien et essais des systèmes électriques

Les programmes d'entretien devraient être fondés sur les recommandations du fabricant, les normes de l'industrie et l'expérience d'exploitation.

Entretien préventif

L'entretien préventif comprend des inspections régulières, des essais et l'entretien de l'équipement électrique pour prévenir les défaillances et prolonger la durée de vie de l'équipement.

Les raccords électriques doivent être inspectés et serrés au besoin, car les raccords en vrac peuvent causer une surchauffe et des défaillances. Les aiguillages doivent être inspectés pour détecter les signes d'arc, de contamination ou d'usure mécanique. Les relais de protection doivent être testés périodiquement pour vérifier le bon fonctionnement et le bon réglage.

Surveillance de l'état

Les techniques courantes de surveillance de l'état des équipements électriques comprennent la surveillance des décharges partielles pour les équipements à haute tension, l'analyse des gaz dissous pour les transformateurs remplis d'huile et la surveillance des vibrations pour les équipements rotatifs.

Les systèmes avancés de surveillance de l'état peuvent fournir un avertissement rapide des problèmes à résoudre, permettant de planifier l'entretien pendant les pannes prévues plutôt que de réagir à des défaillances imprévues.

Essais de mise en service et d'acceptation

Avant d'entrer en service commercial, une centrale éolienne doit être mise en service et soumise à des essais complets pour vérifier que tous les systèmes fonctionnent correctement et répondent aux spécifications de conception. Les essais comprennent la vérification des réglages et du fonctionnement des relais de protection, des mesures du rapport de rotation et de l'impédance des transformateurs, de la résistance à l'isolation des câbles et des essais à haut potentiel, ainsi que des mesures de résistance des systèmes de mise à la terre.

Les mesures de la qualité de l'énergie doivent être effectuées pour vérifier la conformité aux exigences du code de grille pour les variations d'harmoniques, de clignotants et de tension. Le système de commande de la centrale doit être testé pour vérifier la bonne réponse aux commandes de l'opérateur de la grille et les perturbations de la grille.

Considérations environnementales dans la conception du système électrique

Les facteurs environnementaux influent sur la conception des systèmes électriques et doivent être soigneusement pris en considération pour assurer un fonctionnement fiable et minimiser les impacts environnementaux.

Effets du climat et des conditions météorologiques

Les températures extrêmes affectent les performances et les performances de l'équipement. Les températures ambiantes élevées réduisent la capacité de transport de courant des câbles et des transformateurs, tandis que les températures basses peuvent affecter les propriétés d'isolation et le fonctionnement mécanique des commutateurs.

L'humidité, les sprays de sel dans les zones côtières et la pollution industrielle peuvent causer la corrosion et la contamination des équipements électriques. L'équipement pour les environnements difficiles devrait avoir une cote de protection environnementale appropriée et des matériaux résistant à la corrosion.

Champs électromagnétiques

Les transformateurs, les câbles et les sous-stations produisent tous des CEM, la résistance au champ diminuant rapidement avec la distance de la source.

Si les niveaux calculés dépassent les limites, des mesures d'atténuation comme l'augmentation des distances de séparation, le blindage des câbles ou l'optimisation des arrangements de phase peuvent être nécessaires. Les préoccupations du public au sujet des CEM devraient être traitées par une communication transparente sur les niveaux de terrain et les normes de sécurité applicables.

Émissions sonores

Les équipements électriques, y compris les transformateurs et les commutateurs, peuvent générer du bruit sonore pouvant être soumis à des limites réglementaires, en particulier pour les installations situées près des zones résidentielles. Le bruit de transformateur est causé par la magnétostriction dans le noyau et peut être réduit par une conception soignée, des enceintes d'échantillonnage du son ou des distances de séparation accrues.

Si les niveaux prévus dépassent les limites, des mesures d'atténuation telles que des barrières acoustiques, des enceintes d'équipement ou d'autres moyens de sélection peuvent être nécessaires. Des mesures de bruit doivent être effectuées pendant la mise en service pour vérifier la conformité aux limites.

Principaux paramètres électriques Résumé

La conception réussie des centrales éoliennes exige un examen attentif de nombreux paramètres et de leurs interactions. La liste suivante résume les paramètres électriques critiques qui doivent être calculés et précisés:

• Calibre de puissance des turbines[ - La puissance nominale de chaque générateur d'éoliennes, qui varie généralement de 1,5 MW à plus de 15 MW pour les machines modernes à échelle de services publics
• Tension et fréquence du générateur[ - Tension produite par le générateur, généralement 690V ou 3,3 kV, et fréquence électrique, habituellement 50 ou 60 Hz selon la grille
• Rapports de puissance et de tension des transformateurs[ - Les rapports de puissance et de transformation de tension MVA pour transformateurs de turbine et transformateurs de sous-station
• Tension du système de collecte[ - Niveau de tension moyen utilisé pour le système de collecte de parcs éoliens, généralement de 11 kV à 36 kV
• Capacité de transport de courant par câble[ - Ampacité du système de collecte et des câbles de transmission dans des conditions d'installation spécifiées
• Impédance de ligne[ - La résistance et la réaction des câbles et des lignes aériennes, affectant la chute de tension et les pertes de puissance
• Niveau de court-circuit - Courants de défaut maximum pouvant s'écouler pendant les pannes électriques, déterminant la capacité d'interruption requise des dispositifs de protection
• Valeurs des dispositifs de protection[ - La tension, le courant et les valeurs d'interruption des disjoncteurs, des fusibles et autres dispositifs de protection
• Exigences de régulation de la tension[ - Les limites acceptables de variation de tension au point d'interconnexion et dans tout le système de collecte
• Facteur de puissance et capacité de puissance réactive[ - Rapport puissance réelle/puissance apparente et capacité de générer ou d'absorber la puissance réactive pour le support de tension
• Limites de distorsion harmonique - Les niveaux maximaux admissibles de courant et de tension harmoniques pour assurer la qualité de la puissance
• Facteur de capacité[ - Le rapport entre la production d'énergie réelle et la production maximale théorique, qui affecte l'utilisation des équipements et l'économie
• Pertes de système[ - L'énergie électrique perdue dans les transformateurs, câbles et autres équipements, réduisant la livraison nette d'énergie
• Résistance du système d'arrondi - Résistance à la terre du système d'échouement, affectant la sécurité et l'efficacité de la protection contre la foudre

Conclusion

La conception et le calcul des systèmes électriques des centrales éoliennes constituent un défi d'ingénierie multiforme qui exige l'intégration des principes de génie électrique, de la technologie éolienne, des exigences du réseau et de l'optimisation économique.

Le système électrique doit transformer efficacement l'énergie éolienne variable en électricité de qualité du réseau tout en assurant la sécurité, la fiabilité et la viabilité économique.

La conception de systèmes électriques adéquats est essentielle au succès des projets d'énergie éolienne. Des systèmes bien conçus maximisent la production d'énergie, minimisent les pertes, assurent un fonctionnement sûr et fournissent les services de soutien du réseau de plus en plus nécessaires aux exploitants de systèmes.

Pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur les systèmes d'énergie éolienne et le génie électrique, des ressources sont disponibles auprès d'organismes comme le Department of Energy Wind Energy Technologies Office [, le Laboratoire national des énergies renouvelables[ et la IEEE Power and Energy Society[. Ces organismes fournissent des publications techniques, des normes, des programmes de formation et des résultats de recherche qui appuient l'avancement continu des systèmes d'énergie éolienne.