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Protection des réseaux à courant continu de forte puissance
Justine DesclouxRTE-CNER-DCCL G2Elab
10-02-2012
IEEE PES – Chapitre FrançaisSoirée Doctorants
Titre
Objectifs
Projet européen
• FP7 EC-G n°249812• Fin mars 2013
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20122
Objectifs
• Développer une gestion innovante pour intégrer l’énergie éolienne à grande échelle dans les réseaux électriques européens
• Essais en laboratoire et en conditions réelles (démonstrateurs)
• 18 groupes de travail
Titre 26 partenaires 10 états membres représentés Coordonné par RED ELECTRICA DE ESPAÑA
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20123
Source: http://www.twenties-project.eu
Titre
RTE
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20124
Source: http://www.twenties-project.eu
• Étude de la faisabilité technique et économique des réseaux offshore à courant continu
• WP5 – WP11
TitreWP11 – DC GRID• Spécifier le contrôle et la stratégie pour un réseau DC
• Effectuer des tests à échelle réduite
• Vérifier la sécurité d’un réseau HVDC, avec des disjoncteurs DC
• Déterminer les spécifications sur un disjoncteur DC par des mesures sur un prototype
• Construire un plan de développement à 5 ans sur la technologie HVDC
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20125
• Construire un plan de développement à 5 ans sur la technologie HVDC
• Construire un plan de développement à 20 ans sur la conception de réseau HVDC
2 thèses
Pierre RaultJustine Descloux
Protections Contrôle commande
Titre
Liaisons HVDC
Avantages du courant continu• Connexion de réseaux non synchrones
• Réglage du flux de puissance
• Transport de fortes puissances sur de longues distances
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20126
Source: Sustainable energy systems with HVDC transmission, G. Asplund, IEEE PES 2004
Titre
Plan de développement de l’éolien offshore dans la mer du Nord
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20127
Source: http://www.greenunivers.com
Currently operating offshore cableUnder construction or planned offshore cableUnder study by TSO Under study by TSO/EWEA recommendation Proposed by EWEA in the 2020 timeframeProposed by EWEA in the 2030 timeframeProposed offshore nodeConcession and development zones
Titre
Plan
• Contexte des travaux
• Problématique
• Modélisation des réseaux DC
• Algorithmes envisageables
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20128
• Algorithmes envisageables
• Protection principale, secours
• Performances
• Perspectives
Titre
Objectifs des travaux
Algorithmes de détection de défauts d’isolement rapide et sélectif dans le réseau DC
Plan de protection complet applicable à toutes les architectures de réseau envisageables
Zone de protection
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-20129
+320 kV DC
-320 kV DC
400 kV AC
Rés
eau
DC
filtre AC
filtre DCVSC
transfo
Titre
Protection des réseaux MTDC
• Liaison HVDC point à point
• Réseau MTDC radial • Réseau MTDC bouclé/maillé
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201210
Titre
Contraintes diverses
Interaction AC/DC
• Ne pas déclencher lors d’un défaut côté AC
Protection du matériel
• Surintensités dramatiques générées par les défauts
• Matériel le plus contraignant : diodes
• Imax = 2 pu (4 kA)
AC DC
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201211
• Ne pas déclencher lors d’un défaut côté AC
• Temps de réponse inférieur à celui des protections AC
Propagation des signaux jusqu’aux
capteurs
Détection du défaut
Application des règles de sélectivité
Ouverture des organes de coupure
∆t1 ∆t2 ∆t3 ∆t4
Titre
Contraintes sur l’algorithme
Contrainte temporelle
• dI/dt ~ 108 A/s
Protections DC• Impédance (notion de réactance difficile à définir)
• Dynamiques différentes
• Algorithmes de protection AC non transposables directement au cas DC
2x 104
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201212
• dI/dt ~ 108 A/s
• Régime permanent atteint très tard
• VSC peu robuste aux surintensités (diodes notamment)
• L’élimination du défaut doit être effectuée pendant la phase transitoire des signaux -1 0 1 2 3 4 5
x 10-3
0
0.5
1
1.5
2x 10
temps [s]
cour
ant
[A]
Titre
Contraintes sur la coupure DC
Coupure DC• Disjoncteurs mécaniques
•Beaucoup trop lents (~ 20 ms*)
• Coupure hybrides (~ 2 ms*)
• Coupure purement statique (~ 200 µs*)
* temps indicatifs
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201213
Source: ABB
Technologie hybride
* temps indicatifs
• Ouverture en moins de 5 ms
• Pouvoir de coupure d’environ 10 kA
performances attendues dans le cadre de Twenties
Titre
Plan
• Contexte des travaux
• Problématique
• Modélisation des réseaux DC
– Modèle et résultats
• Algorithmes envisageables
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201214
• Algorithmes envisageables
• Protection principale, secours
• Performances
• Perspectives
Titre
Modélisation du réseau DC
+320 kV DC
-320 kV DC
3
3.5x 105
2x 104
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201215
-1 0 1 2 3 4 5
x 10-3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
temps [s]
cour
ant
[A]
-1 0 1 2 3 4 5
x 10-3
0
0.5
1
1.5
temps [s]
cour
ant
[A]
Titre
Simulations du réseau DC
Modèle détaillé
Câble DC
• Toutes les fréquences (DC -> fréquences générées par le défaut)
• Phénomènes de propagation
• WideBand
3
2
1
21
ZZZ
ZZ
Z
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201216
Convertisseurs
• Modèle VSC détaillé à deux niveaux
• Multi-niveaux par la suite
• Commande L2EP
• WideBand
• Dépendant de la fréquence
4
3
434241
3231
ZZZZ
ZZZ
Titre
Caractéristiques des protections
1
100km
ProtectionProtection
• Capteur de courant• Interface de calcul• Organe de coupure DC
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201217
100km
250km
150 km
Emplacement
• A chaque extrémité de câble
• Sur chaque pôle
• Avant chaque jeu de barre
Titre
Caractéristiques du défaut
200 MW600 MW
40GVA 10GVAReprésentation
• Résistance constante• Entre l’âme et l’écran d’un des
pôle
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201218
200 MW200 MW
10GVA 10GVAConfiguration
• Rdef = 1 Ω
• 30 km de la station de gauche
Titre
4000
6000
8000
10000
cour
ant
[A]
Résultats issus du modèle
• Courant en bout de ligne • Courant dans les diodes
0.5
1
1.5
2
2.5x 104
cour
ant
[A]
-0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.020
2000
temps [s]
cour
ant
[A]
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201219
I > 2 pu 5ms après le défaut• Rapidité nécessaire
• Objectif : détecter le défaut de manière sélective dès l’arrivée du premier front d’onde
-1 0 1 2 3 4 5
x 10-3
-0.5
0
0.5
temps [s]
cour
ant
[A]
Titre
Plan• Contexte des travaux
• Problématique
• Modélisation des réseaux DC
• Algorithmes envisageables
– Principes envisageables
– Protection principale
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201220
– Protection principale
– Secours
• Performances
• Perspectives
Titre
Méthodes envisageables
Analyse locale fine
Analyse locale
• Courant et dérivée, tension
• Ne peut utiliser que l’atténuation des signaux
• Demande des seuils très fins et des capteurs de mesures très performants
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201221
Analyse locale fine
• Méthodes liées à la propagation (ondelettes, …)
Analyse comparative
• Communication
• Mesures faites en plusieurs points (différentielles, …)
Titre
Résultats issus du modèle
• Courant • Dérivée du courant
0
2
4
6
8
10x 107
dI/d
t [A
.s-1
]
liaison en défautliaison saine
1
1.5
2
2.5
3
3.5x 104
cour
ant
[A]
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201222
• La différence d’amplitude des signaux pour une liaison saine / en défaut est trop faible pour être sélective
0 5 10 15 20
x 10-3
-4
-2
0
temps [ms]
dI/d
t [A
.s-1
]
0 5 10 15 20
x 10-3
-0.5
0
0.5
temps [s]
cour
ant
[A]
Titre
Méthodes liées à la propagation
Réflexions multiples
• Connues sur un modèle
• Réseau réel : présence de nombreuses discontinuités (chambres de jonction, impuretés, etc…)
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201223
Mise en oeuvre
• Signaux plus complexes => temps de calcul plus élevé et risque d’erreurs plus grand
• Pour l’instant, aucune méthode connue n’assurant la sélectivité sans communication
Titre
Analyse comparative
Liaison de communication
Câble bipolaire
Utilisation d’une fibre optique
• La sélectivité peut être assurée
• Le risque de dysfonctionnement est faible, même en cas de défaut
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201224
Hypothèses
• Vitesse de propagation dans la fibre optique : 200 km/ms
• Synchronisation des données horodatées
Titre
Méthodes envisageables
I1 I2Détection
• N’importe quel signal peut être utilisé
• Tension, courant, dérivées, …
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201225
Sélectivité
• Courant différentiel
• Critère directionnel
Titre
Courant différentiel
Orientation capteurSens du courant
• Liaison en défaut • Liaison saine
I I II
Idiff = I1+I2
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201226
Avant le défaut
Premier front
Régime permanent
Idiff = 0 Idiff = 0
Idiff > 0
Idiff = 0Idiff > 0
Idiff < 0
I1 I1 I2I2
Temps
Transitoire
Propagation
Titre
Algorithme de protection principal envisagé
Liaison en défaut Liaison saine
• Courant différentiel adapté à la dynamique des réseaux DC
4
5
6x 104
cour
ant
[A] 0
5000
cour
ant
[A]
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201227
• Rapidité => utiliser le moins d’échantillons possibles
• Ajout d’un blocage si dépassement d’un seuil négatif
0 0.005 0.01 0.015 0.02
0
1
2
3
temps [s]
cour
ant
[A]
0 0.005 0.01 0.015 0.02-15000
-10000
-5000
temps [s]co
uran
t [A
]
Titre
Algorithme de protection principal envisagé
• Existence d’un courant différentiel non nul
=> perturbation dans le réseau (DC ou AC)
• N’importe quel seuil >0 et tenant compte des incertitudes permet la détection
• Compromis entre rapidité et gamme de défauts détectés
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201228
Calcul du courant différentiel
Si Idiff > +Ith pour 3 échantillons consécutifs – envoi de l’ordre d’ouverture
Si Idiff < -Ith pour 3 échantillons consécutifs – blocage pendant ∆t
Sinon – attente
• Compromis entre rapidité et gamme de défauts détectés
• Seuil choisi : Ith = 2 kA
Titre
Modélisation de la protection
Capteur de courant
Fibre optique
• Bande passante (DC – 10 kHz)
• Limitation du temps de montée (80 kA/ms)
• Saturation (30 kA)
• Précision (98%)
• Bruit blanc (+ ou – 2 A)
0 1 2 3 4 5
5000
10000
15000
cour
ant
[A]
I mesuréI réel
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201229
Temps de calcul (différentielle)
Fibre optique
• 1 pas de temps vu la simplicité du calcul
• Retard dû à l’échange d’informations entre protections (propagation)
• Traitement des informations (encodage/décodage)
0 1 2 3 4 5
x 10-3temps [s]
Organe de coupure
• Ouverture en 300 µs
Titre
0
10000
20000
20000
Algorithme de protection principal envisagé
I2
I1
Pr1 Pr2
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201230
0 0.5 1 1.5
x 10-3
0
10000
0 0.5 1 1.50123x 10
4
I2
Idiff
TempsTpropagation info
Titre
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-15000
-10000
-5000
0
15000
Algorithme de protection principal envisagé
I4
I1Pr1
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201231
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
0
5000
10000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10-3
-15000
-10000
-5000
0
5000
Idiff
Temps
Pr4
Titre
Performances théoriques
Courant liaison en défaut
CB1 CB2
• Ouverture CB1 et CB2 à t = 0.986 ms
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201232
• Aucune diode des VSC n’est affectée
-5 0 5 10 15 20
x 10-4
-5000
0
5000
10000
15000
20000
temps [s]
cour
ant
[A]
Titre
Protection différentielle
Liaisons saines
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201233
• Aucune autre protection en déclenche, le système redevient stable
• Le report de charge sera géré par les boucles de régulation (temps de réponse long), mais non pris en compte ici
Titre
Protection différentielle Courants sources
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201234
Puissance échangée avec le réseau AC
• Le transfert de puissance revient à la valeur de référence
Titre
Influence de la résistance de défaut
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
tem
ps o
uve
rture
[ms]
Ith=2kAIth=3kA
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201235
• Rmax dépend de l’architecture du réseau et du seuil choisi
0 50 100 1500.9
1
1.1
Rdef [Ohm]
tem
ps o
uve
rture
[ms]
Titre
Manœuvres sur le réseau
Variation du transit de puissance
• Temps de réponse des boucles de contrôle de l’ordre de 100 ms
Déconnexion d’une liaison
• Suite à un défaut ou non
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201236
Enclenchement de ligne
• Fort appel de courant pour charger les capacités des câbles
• Non admissible pour le réseau
• Enclenchement progressif
• Apparition d’un transitoire mais de faible amplitude
Titre
Mise en place d’un secours
X
• La protection principale n’a pas déclenché (problème algorithme ou CB)
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201237
• Surintensité au niveau de la station
• Engendre l’ouverture de tous les CB du jeu de barre
• Seuil : 2 pu (au plus proche de la contrainte)
Titre
Action du secours
Liaison en défaut
CB1XCBS2• CB1 ouvre à t = 0.986 ms
• CB2 n’ouvre pas
• Les CB s2 ouvrent à t = 2.571 ms
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201238
• Aucune diode des VSC n’est affectée
Titre
Conclusion sur le plan de protection
Protection MTDC maillés avec VSC
Première stratégie de plan de protection Protection différentielle
Ne dépend pas du point de fonctionnement, contrairement au secours
Performances attendues pour le moyen de coupure Contrainte temporelle diodes (pire cas) : 3 ms
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201239
Vérifier la robustesse de l’algorithme Erreurs de mesures Résistance de défaut
Assurer le secours pour tous les cas de résistance de défaut
Convertisseurs multi-niveaux => dynamiques différentes
Titre
MMC – technologie SIEMENS
Sou
rce
: Han
i Saa
d
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201240
Sou
rce
: Han
i Saa
d
• Les grandeurs sont plus lisses, le besoin de filtrage est bien inférieur
• => dI/dt plus grand que dans le cas où il y a une inductance de lissage
Titre
Maquette de réseau DC – L2EP
Simulation temps réel d’un réseau AC
Supervision
locale
Supervision
localeAmplificateur
de puissance
Amplificateur
de puissanceSimulation temps
réel des fermes éoliennes
• Démonstrateur TWENTIES (qui sera implanté au L2EP)
PROTECTION DES RESEAUX DC 10-02-201241
Disjoncteur DC
Supervision
générale
Supervision
générale
RéseauIEC 61850
Protection des réseaux à courant continu de forte puissance
Justine Descloux
10-02-2012
IEEE PES – Chapitre FrançaisSoirée Doctorants
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