Réseaux électrique et raccordement des installations photovoltạques au réseau
Introduction
Global energy consumption is continually rising, while fossil fuel resources are depleting The liberalization of electricity markets and government incentives are fostering the growth of decentralized renewable energy production across various countries Among renewable sources, wind turbines and photovoltaic (PV) systems are gaining significant attention.
This chapter outlines the context of our research focused on connecting photovoltaic (PV) systems to the French distribution network It begins by detailing the nature and structure of distribution networks, as well as the currently developed renewable energy sources The chapter then explores the interactions between distribution networks and PV systems, highlighting the impacts of PV systems on network operations and vice versa Finally, it provides a review of the behavior of PV systems in response to voltage dips and describes the objectives of the thesis.
Réseaux électriques et productions décentralisées
Architecture des rộseaux ộlectriques franỗais
The electrical system is organized into multiple levels, each designed for specific functions and characterized by voltage levels suitable for those roles It is divided into three main subdivisions: transmission, distribution, and distribution networks Distinct boundaries can be established between the voltage levels of the electrical network, defined by substations and transformers.
High-voltage transmission networks (HV) are essential for transporting electricity from major production centers to consumption regions at voltages of 400 and 225 kV At this voltage level, interconnections between regions are facilitated nationally, enabling the import and export of electrical energy on an international scale.
High voltage distribution networks (HT, 90 and 63 kV) play a crucial role in regional electricity transport, channeling energy from the transmission network and smaller production sources to consumption areas and directly serving large industrial clients.
The centralized management of voltage and frequency in transmission and distribution networks involves monitoring active and reactive power, as well as voltage levels These measurements are collected at control centers, providing essential data for operators responsible for maintaining network stability and coordinating energy production This systematic approach ensures efficient operation and management of the electricity grid.
19 réseaux est le gestionnaire du réseau de transport, le RTE (Réseau de Transport d’Electricité) en France Cette entitộ exploite et entretient le rộseau public de transport franỗais
Figure I.1 Le rộseau ộlectrique franỗais [RAMI_06]
Distribution networks serve as the primary supply system for the majority of customers, excluding a few large industrial clients fed directly by high voltage networks These networks are categorized into two levels: medium voltage (20 kV) and low voltage (400 V) Medium voltage distribution networks transport energy to low voltage networks and directly supply industrial clients, which account for 15-20% of the industrial sector Low voltage networks cater to customers with lower energy demands, such as small businesses, service establishments, and residential clients The distribution network is designed, sized, and operated to prevent overload from power flows originating from the distribution network through substations (63kV/20kV and 20kV/0.4kV) Until recently, the operation of the distribution network was based on the principle of unidirectional power flow from the source substation to consumers.
Depuis quelques décennies, plusieurs pays se focalisent sur la recherche et le développement de sources d’énergies renouvelables afin de remplacer en partie les sources d’énergies
20 conventionnelles pour la production de l’électricité Actuellement, il existe diverses sources d’énergies renouvelables [LE_08] :
Wind energy is harnessed by converting the kinetic energy of the wind into electrical energy using wind turbines The main types of generators employed are synchronous and asynchronous, with their connection to the grid occurring either directly or through power electronics interfaces In remote locations, and considering the intermittent nature of wind energy, turbines are typically paired with energy storage systems and/or diesel engines There are two primary installation options for wind farms: offshore (at sea) and onshore (on land) The capacity of a wind farm can range from a few megawatts to several hundred megawatts.
Photovoltaic panels convert solar energy directly into electrical energy using semiconductor materials based on the P-N junction principle, predominantly made from crystalline silicon Many photovoltaic systems are connected to the low voltage grid and integrated with buildings, while others serve isolated sites in conjunction with storage systems Additionally, photovoltaic systems can be installed in large parks spanning several hectares, connecting directly to the medium voltage grid.
Thermal solar energy involves capturing solar radiation and storing it in passive systems like greenhouses, conservatories, or glazed facades In active systems, this energy is redistributed using a heat transfer fluid, which can be water, antifreeze, or air Thermal solar energy has various applications, including water heating, home heating, crop drying, absorption refrigeration for buildings, and high-temperature production.
Geothermal power plants harness the heat from underground water reservoirs in specific geographical areas This thermal energy can be utilized directly or transformed into electrical energy using turbines and alternators Typically, the capacity of geothermal plants ranges from 5 to 50 MW.
Biomasse et déchets : certaines centrales thermiques à flamme utilisent comme source primaire des combustibles issus de la biomasse (bois, biogaz, paille, déchets organiques, etc.) ou de déchets industriels et domestiques
Small hydropower plants operate on the same principle as traditional centralized hydropower stations They are strategically located near consumers to harness local small watercourses The power output of these plants ranges from a few kilowatts to several megawatts.
A hydrolienne harnesses the kinetic energy of marine currents, similar to how a wind turbine captures the kinetic energy of air The turbine in a hydrolienne converts hydraulic energy into mechanical energy, which is then transformed into electrical energy by an alternator While the potential power of hydroliennes is promising, they are still in the research and development phase.
Our study focuses on photovoltaic (PV) systems, which have seen significant growth in recent years Solar energy is an abundant and renewable resource that is environmentally friendly, silent, and unobtrusive for nearby residents Additionally, integrating this energy source into buildings is straightforward, making it an attractive option for sustainable energy solutions.
Figure I.2 Puissance installée cumulée des installations PV dans le monde
La Figure I.2 présente l’évolution de la puissance installée cumulée des installations PV dans le monde de 2000 à 2009 [EPIA_10] Cette figure montre la forte progression des installations
PV raccordées au réseau À la fin de 2008, cette puissance installée approchait 16 GW, et en
2009 près de 23 GW étaient installés qui produisent environ 25 TWh d'électricité sur une base annuelle [EPIA_10] Quatre pays ayant la capacité installée cumulée des systèmes PV plus de
The countries leading in installed capacity are Germany (5.3 GW), Spain (3.4 GW), Japan (2.1 GW), and the United States (1.2 GW), collectively accounting for nearly 80% of the global capacity Meanwhile, other nations such as Australia, China, France, Greece, India, Italy, South Korea, and Portugal are rapidly increasing their capacities due to new policies and economic support plans.
Figure I.3 Capacité installée des systèmes PV dans le monde
Since the publication of the decree on July 10, 2006, regarding the conditions for purchasing energy produced by photovoltaic installations in France, there has been a significant increase in the number of requests for connecting these installations to the public distribution network, as illustrated in Figure I.4 [ESPRIT_10a].
Figure I.4 Nombre de demandes de raccordement au réseau de distribution
Interaction entre le réseau de distribution et les systèmes PV
The photovoltaic sector is actively supported by government initiatives aimed at combating climate change, increasing the share of renewable energy in the energy mix, and bolstering the industrial sector This industry possesses unique characteristics that contribute to its growth and sustainability.
- La puissance de production des installations varie de quelques kW à plusieurs MW
- Le nombre de producteurs peut devenir à terme très important,
Most connections are made to the low-voltage section of the public distribution network As of December 31, 2009, 99.95% of photovoltaic installations in France were connected at low voltage, with 90% of these systems having a capacity of less than 3 kW.
- Les installations comportent des convertisseurs statiques (pas de machines tournantes)
- Les équipements (onduleurs et modules) disponibles sur le marché sont variés,
- La production d’énergie est naturellement intermittente,
- Le raccordement des installations est le plus souvent le résultat d’initiatives individuelles et donc n’est pas planifié
Influence des systèmes photovoltạques sur le réseau de distribution
In the past, distribution networks operated as passive elements where power flowed unidirectionally from the source to end consumers However, with the integration of decentralized production, power flows and voltages are now influenced not only by loads but also by sources Due to the technical characteristics of photovoltaic (PV) installations, connecting PV systems to the grid can significantly impact its operation The most notable effects of PV systems on distribution networks include:
The presence of photovoltaic (PV) generators significantly impacts voltage levels and network regulation devices Voltage fluctuations occur due to the active and reactive power injections into the grid Particularly during periods of high sunlight and low consumption, the voltage at certain nodes can exceed permissible limits A study conducted by the University of Agriculture and Technology in Tokyo reveals that in Ota City, which has around 550 PV installations, energy injections into the grid can elevate voltage levels to a threshold that causes disconnection of certain systems, especially during weekends when consumption is low.
The impact of photovoltaic (PV) systems on protection plans is minimal regarding fault currents in the distribution network However, the selectivity and sensitivity of network protections may be compromised, potentially leading to unnecessary tripping of healthy circuits or failure to detect actual faults.
The quality of energy is significantly impacted by various factors, including the injection of current harmonics from power electronic interfaces Ineffective filters in inverters can lead to increased harmonic distortion (THD), especially when these devices operate at reduced power levels, resulting in functional disruptions in electronic equipment, unexpected circuit breaker trips, and measurement errors in energy meters Additionally, a study in Spain revealed that current inverters in the European market inject a direct current (DC) component into the grid, which can impair the functionality of differential circuit breakers, cause inaccuracies in energy meters, shorten the lifespan of network components through increased corrosion, and lead to transformer saturation Furthermore, the integration of photovoltaic (PV) systems can create phase imbalances, particularly when single-phase inverters are used, which can disrupt the balance of a three-phase PV system and negatively affect the low voltage network.
The intermittent nature of decentralized energy production (DEP) negatively impacts the quality of energy supplied to customers, significantly compromising the overall service quality.
Influence sur les pertes dans les réseaux de distribution : une étude d’EDF R&D
Research indicates that large-scale photovoltaic (PV) farms, typically connected to dedicated high-voltage distribution lines, can lead to increased energy losses In contrast, residential PV installations, located closer to consumption points, are more effective in minimizing these losses.
Influence du réseau de distribution sur le fonctionnement des installations photovoltạques
The characteristics and operation of distribution networks, along with potential disruptions, can significantly affect the normal functioning of photovoltaic (PV) systems This impact typically arises from either the inherent features of the distribution networks or from voltage quality issues caused by other network users, or a combination of both factors.
[ESPRIT_10a] Ces effets entraợnent gộnộralement des dộcouplages injustifiộs des onduleurs Les influences du réseau de distribution sur le fonctionnement des installations photovoltạques peuvent se résumer comme suit :
In France, the low voltage neutral system employed is of the TT type, which utilizes circuit breakers or residual current devices to protect individuals by tripping in the event of current leakage Photovoltaic (PV) installations can generate leakage currents due to the capacitive characteristics of the panels and inverters, particularly from EMC filter capacities When alternating current is present in a direct current circuit, these capacities can lead to significant leakage currents in the grounding connection, which can pose a danger to individuals in case of direct contact with the ground wire Additionally, these leakage currents may cause nuisance tripping of the mandatory residual current devices in France.
The initial voltage level of the grid, excluding photovoltaic (PV) systems, is a crucial parameter for the sizing and operation of PV installations, as well as for the types of decoupling protection employed.
Voltage dips are considered one of the most serious disturbances affecting service quality due to their impact on sensitive processes The severity and duration of these dips depend on the characteristics of the network and the connected generation units Testing has been conducted to analyze these effects.
The European DISPOWER project has tested 12 PV inverters that comply with the DIN VDE 0126 standard The aim of these tests was to assess the sensitivity of the inverters to voltage dips.
Figure I.5 Courbes de tolérance en tension des onduleurs limite de 200 ms fixée dans la DINVDE 0126
The results of the tests are illustrated in Figure I.5, which displays the depth of voltage dips on the vertical axis and their duration on the horizontal axis It is noteworthy that the DIN VDE 0126 standard requires inverters to disconnect within 200 ms if the voltage drops below 80% of the nominal voltage (Un) Additionally, some inverters disconnect at 85% Un, and in all cases, they do so in significantly shorter times than 200 ms, highlighting their high sensitivity to voltage dips [DIN_0126_1].
Les creux de tension sont ainsi l’une des principales causes de déclenchements des systèmes
PV [IEEE_00] La déconnexion d'un nombre important de systèmes PV pourrait avoir des impacts locaux et globaux sur le fonctionnement du réseau, en particulier sur des réseaux faibles
In photovoltaic systems, inverters convert the direct current generated by solar panels into sinusoidal alternating current through pulse width modulation (PWM) However, the performance of transformerless inverters can be compromised by voltage asymmetry in the grid, which may introduce even harmonics due to nonlinear loads, resulting in the injection of a DC component into the output voltage of the inverter.
Conclusions
This chapter provides a concise overview of the current French electrical grid in the context of integrating renewable energy sources into the distribution network It examines the significant impacts of photovoltaic (PV) systems on the distribution network, as well as the critical effects of network characteristics and disturbances on PV system performance The study focuses on the connection of PV systems in relation to voltage dips caused by short circuits, exploring the interaction between the electrical grid and PV systems under various short-circuit scenarios Voltage dips can sometimes lead to unjustified disconnections of PV systems, highlighting the need for effective solutions for decoupling protections and the implementation of intelligent controls integrated into inverters to ensure optimal operation of the entire system when connecting PV systems to the grid.
Modélisation des réseaux, de leurs systèmes de
Introduction
The development of tailored models is crucial for simulating the dynamic behavior of photovoltaic (PV) systems during grid voltage dips A comprehensive model that includes networks, PV inverters, and protection systems must be created, ensuring it is both accurate and easy to implement This chapter will outline the component models used for this purpose.
This article will first introduce the fundamentals of distribution networks and their protection systems, as well as the current structures of photovoltaic (PV) inverters and the decoupling protections for grid-connected PV systems Subsequently, the development of models will be discussed.
- Les réseaux de distribution HTA et BT (urbain et rural)
- Les systèmes de protection du réseau HTA (avec ou sans ré enclenchement) et BT (fusibles et disjoncteurs)
- Les systèmes de protection de découplage des PV respectant la norme DIN VDE
0126 ou les recommandations de ERDF
Two types of PV inverters are offered: the current injector model and the detailed model, which includes a dynamic average model comprising MPPT, chopper, and inverter These models will be discussed in detail in Chapters III and IV.
All models are developed using Matlab/Simulink, which is well-suited for block-based simulation and modeling However, this software is less commonly used for electrical network simulations To address this limitation, we will integrate the SimPowerSystem Toolbox with Matlab/Simulink to effectively manage the simulation of both three-phase and single-phase networks.
Réseaux de distribution et leur systèmes de protection
Distribution networks serve as the supply systems for the majority of customers, excluding a few large industrial clients who are directly connected to high-voltage electrical transmission or distribution networks These networks are categorized into two sub-levels: medium voltage networks, typically operating at 20 kV in France, and low voltage networks, which operate at 400 V in France.
Constitution des réseaux de distribution HTA Nous pouvons distinguer deux types principaux de réseaux HTA, selon la nature des
Nous allons donner plus de détails dans les points suivants, [GROSS_86]
Réseaux ruraux – en majorité aériens :
In low-density areas such as rural regions, small towns, or villages, overhead power lines are predominantly used These lines typically consist of three conductors for three phases or four conductors for three phases and a neutral, depending on whether the neutral is distributed They can also include three-phase or single-phase antennas with either two or one conductor In France, only three-phase lines with three conductors are utilized, as the neutral is not distributed.
In densely populated areas, underground connections are predominantly utilized, consisting mainly of three-phase cables with synthetic or paper insulation These network types enhance the quality of power supply while minimizing environmental impact, offering benefits such as improved aesthetics and insensitivity to weather conditions.
The 20kV HTA network must maintain a short-circuit power capacity (PCC) exceeding 30 MVA at the source substations Typically, rural substations are limited to two HTB/HTA transformers, while urban substations can have up to three The maximum allowable power per outgoing line is capped at 5 MVA for rural areas and 6 MVA for urban settings, dictated by a 400 A limit on the outgoing cells from the source substation The number of non-telecontrolled circuit breakers depends on the type of network and load distribution.
In urban networks, the typical cross-section of lines is either 150 or 240 mm², with an average length of a 240 mm² cable run being less than 5 km Rural networks may also feature 240 mm² sections, but primarily at the output of the source station Aerial networks often utilize 148 mm² sections for main connections and 54 mm² for secondary connections It is important to note that most lines in rural areas are overhead, while urban areas predominantly use underground cables.
La valeur de la réactance en mode direct des lignes aériennes HTA (exprimée en mΩ/m, ou en Ω/km) peut être de 0.30 données par la norme NF C13-205, ou 0.35 (habituellement utilisée)
La capacité homopolaire des lignes aériennes est usuellement prise égale à 5 pF/m Les câbles souterrains ont des capacitộs homopolaires plus importantes (de 0.155 àF/km pour une section de 50 mm 2 )
Le tableau suivant indique les régimes de neutre HTA utilisés par EDF selon type de réseau
HTA alimentés par le transformateur
Valeur du courant capacitif vu par le transformateur
NI 150 A RPN 80 Ω Avec politique de terre BT et HTA associée
Neutre Impédant 1000A (RPN 12 ou BPN
40 ou RPN 4 + BPN 12) Tableau II.1 Régime de neutre HTA
Le réseau de distribution BT est constitué par [TI_D4815] :
- un tableau de distribution BT ou un disjoncteur BT,
- un ou plusieurs départs BT aériens ou souterrains,
- un ou des branchements BT desservant la clientèle
Les schémas des réseaux BT sont très différents selon les modes d’exploitations et les habitudes des distributeurs On décrit, ci-après, les principaux schémas utilisés à EDF :
An underground BT network is utilized in urban areas, connecting the customer's chain to the upstream of the HTA/BT transformation station.
Le réseau comporte en série les protections suivantes :
- les coupe-circuits à fusibles (AD) d’accompagnement de ce disjoncteur ;
- les coupe-circuits à fusibles sectionneurs (FC) de pied de colonnes montantes des immeubles (ce fusible n’existe pas dans le réseau de type urbain avec branchement individuel)
- les coupe-circuits à fusibles sectionneurs (FD) des départs BT ;
- l’interrupteur sectionneur pour la basse tension
- les coupe-circuits à fusibles Fu HTA du transformateur HTA/BT
FC : fusible de pied de colonne
Fu AD : fusible accompagnent disjoncteur d : disjoncteur du client
FC : fusible de pied de colonne
Fu AD : fusible accompagnent disjoncteur d : disjoncteur du client
Figure II.1 Réseau de type souterrain
An overhead low voltage (BT) network is utilized in rural areas, connecting the customer's chain to the upstream of the high voltage to low voltage (HTA/BT) transformation station.
Ce réseau comporte les protections suivantes
- les coupe-circuits à fusibles (AD) d’accompagnement de ce disjoncteur ;
- les coupe-circuits à fusibles sectionneurs (FD) des départs BT Dans le cas d’un réseau de type rural avec poste sur poteau et branchement individuel, il n’y a pas de fusible
FD au niveau des protections du réseau BT
HTA/BT Éclateur ou Parafoudre
D ou FD : disjoncteur ou fusible départ BT
FC : fusible de pied de colonne
Fu AD : fusible accompagnent disjoncteur d : disjoncteur du client
HTA/BT Éclateur ou Parafoudre
D ou FD : disjoncteur ou fusible départ BT
FC : fusible de pied de colonne
Fu AD : fusible accompagnent disjoncteur d : disjoncteur du client
Figure II.2 Réseau de type aérien
The network may include a circuit breaker (D) for a pole-mounted installation, or both a switch (I) and a circuit breaker (D) for a rural network featuring a simplified low cabin and individual connections.
In this type of network, there is no fuse disconnect switch installed at the HTA/BT transformer, although their implementation is being considered However, there are surge arresters or lightning protectors in place to safeguard the transformer against atmospheric disturbances.
Les transformateurs HTA/BT utilisés ont les puissances normalisées suivantes :
- transformateurs ô type poteau ằ : 50, 100 et 160 kVA,
- transformateurs ô type cabine ằ : 160, 250, 400, 630 et 1 000 kVA
Les tableaux BT normalisés comportent 4 ou 8 départs selon les modèles, un départ provisoire, un dispositif de réalimentation et une alimentation pour l’éclairage public
HTA/BT d’alimentation Tableau BT correspondant
Tableau II.2 Tableaux BT correspondant à la puissance du transformateur HTA/BT
1 Nombre de départ de distribution publique
The range of switchboards is designed to closely match the existing public distribution HTA/BT transformer range in terms of electrical specifications It considers the permanent overload capacities and permissible current intensities for the conductors connecting the transformer to the switchboard.
Departures can be either aerial or underground, consisting of overhead lines or underground distribution cables that connect to building columns and individual connections The utilized sections include:
- en aérien torsadé : 70 et 150 mm² Alu avec neutre 54,6 ou 70 mm²,
- en souterrain : 150 et 240 mm² Alu avec neutre 50, 70 ou 95 mm²
Les branchements sont réalisés en aérien torsadé ou souterrains avec des conducteurs de 16,
25, 35 ou 50 mm² Alu avec neutre 16, 25, 35 ou 50 mm²
Protections des réseaux de distribution
The distribution network protection system is designed for a unidirectional flow of power from the source substation to consumers This protection system must meet specific objectives to ensure efficient and safe power distribution.
- Assurer la continuité de fourniture aux consommateurs,
- Préserver la sécurité des personnes et des biens,
- Eviter la destruction partielle ou totale des matériels
Protection systems are designed to detect and eliminate insulation defects of all kinds, whether single-phase or multi-phase, primarily based on amperometric protection principles Their objective is to isolate the defective component, which may include the feeder section, the feeder itself, a busbar system, or the HTA/BT transformer along with their connections to the HTA busbars The French HTA protection plan is organized into three levels.
Niveau 1 : la protection des départs
La protection des départs est composée de deux types de protections : l’EPAMI (Ensemble des Protections Autonomes à Maximum d’Intensité), et l’EPATR (Ensemble des Protections Autonomes de Terre Résistante)
The EPAMI protection system is designed to detect single-phase, two-phase, or three-phase overcurrents It consists of two phase relays, Rephi, and a homopolar relay, Rh The Rephi relay is set to a threshold of 0.8 times the biphasic short-circuit current (Iccbi) at the point of origin, where the short-circuit impedance is highest Meanwhile, the Rh relay is adjusted to 1.2 times the capacitive current of the starting point A 20% margin is implemented to prevent unnecessary tripping of the protection system.
The EPATR time-dependent (or inverse time) protection selectively addresses earth faults that are not detected by constant time ampere protections, eliminating the need for earth fault location devices This protection mechanism operates more swiftly as the fault current intensity increases.
Grâce à un relais à temps inverse, le départ en défaut déclenche avant les autres départs On obtient donc la sélectivité
Modélisation des réseaux de distribution
Les comportements des systèmes PV raccordés au réseau de distribution face au creux de tension sont très compliqués Ils dépendent de nombreux facteurs : la structure des systèmes
To comprehensively study the behavior of PV systems connected to the distribution network in the face of voltage dips, considering all influencing factors, it is necessary to develop and model different types of distribution networks with their real protection systems, as well as PV inverter models with various types of disconnection protection This section will describe the models of the components used for this purpose, including PV configuration, network setup, network protection systems, and fault types.
Deux types de réseaux de distribution sont modélisés :
- Réseau à Basse tension urbain et rural
- Réseau HTA urbain et rural
Modélisation des réseaux à basse tension
Réseau BT urbain Description du réseau
This urban network features individual connections, including a transformer, two low voltage (BT) feeders, and four BT connections serving customers The neutral system is grounded through a 40 Ohm resistance at each junction accessory, spaced every 20 meters.
Figure II.5 Réseau urbain étudié
Le réseau BT triphasé avec neutre distribué est illustré dans la Figure II.5, il est composé de
23 nœuds, chaque accessoire de jonction (tous les 20m) est mis à la terre par une impédance
41 équivalente de terre de 40Ω La longueur de deux départs est comprise entre 160m et 170m et la longueur de quatre branchements est comprise entre 1m et 15m
The network has been designed with two types of lines: two underground cable departures of 240mm² and four branch connections of 35mm² The cable models were utilized with the following parameters.
Tableau II.5 Réseau urbain étudié
Figure II.6 Modélisation d’une section de câble sous Matlab – Simulink
We have introduced a new method for accurately modeling 4 or 5 conductor lines or cables (three conductors, neutral, and screens) using the line (or cable) parameter matrix Figure II.6 illustrates the model of a 240 mm² cable section featuring a neutral and screen The conductors, neutral, and screen are represented by a matrix containing the eigenvalues and mutual values of resistance and inductance Capacities are modeled using localized parameters in either π or Γ configurations.
Matrice des résistances pour 50m de câble souterrain de 240mm 2
Matrice des inductances pour 50m de câble souterrain de 240mm 2
Les valeurs de capacité pour 50 m de câble souterrain de 240 mm 2
Le réseau amont a été modélisé par une source de tension triphasée avec les paramètres : Rs=0.015 Ohms et Ls=0.25mH
Residential loads are represented by variable single-phase PQ loads (a series RL circuit) ranging from several tens of kW, with a power factor of tgφ = 0.4 The single-phase photovoltaic (PV) production varies from a few kW and is located at nodes N23, N21, and N24.
Paramètres du transformateur HTA/BT
- Paramètres de l’enroulement primaire (50% Zt) : U = 20kV ; R1 = 17.25 Ω ; L1 = 183 mH
- Paramètres de l’enroulement secondaire : U = 0.4kV ; R2 = 0.0023 Ω ; L2 = 0.024 mH ; Rmag = 143 kΩ ; Lmag = 1.3691*10 6 (H)
Réseau BT rural Description du réseau
This article discusses a rural electrical network featuring pole-mounted transformers and individual connections, characterized by a low voltage (BT) system The neutral grounding is implemented using a 40 Ohm resistance, ensuring safety and stability in the network's operation.
Le réseau BT triphasé avec neutre est alimenté par un transformateur de 160kVA, 20/0.4kV Il est composé de 14 nœuds, 10 charges et 2 productions de PV La configuration de ce réseau
43 et sa longueur des lignes sont illustrées dans la Figure II.7
Figure II.7 Réseau BT rural étudié
Le réseau a été composé de ligne 70mm² torsadé et de ligne 54mm 2 en conducteurs nus
Le modèle de câble est été utilisé avec les paramètres suivants :
Tableau II.6 Paramètres de câbles du réseau BT
Le réseau amont a été modélisé par une source de tension triphasée avec les paramètres : Rs 0.3536 Ohms et Ls= 0.0056270 H
Paramètres du transformateur HTA/BT
- Paramètres de l’enroulement primaire : U = 20kV ; R1 = 110.25 Ω ; L1 = 0.889 H
- Paramètres de l’enroulement secondaire : U = 0.4kV ; R2 = 0.001 Ω ; L2 = 0.003mH et Rmag = 3750 kΩ, Lmag= 11937 (H)
Toutes les charges résidentielles sont modélisées par des charges monophasées PQ (un circuit RL série) variables de quelques kW ; les productions de PV monophasées de 3 kW
44 sont placées aux nœuds : N05, N11 Le Tableau III.6 présente les puissances active et réactive des charges
Charges Nœud P (kW) Q (kVAr) Noeud P(kW) Q(kVAr)
Tableau II.7 Paramètres de charges du réseau BT
Réseau HTA urbain Description du réseau
The urban network consists of six departure points, with only departure No 6 modeled in detail; the other departures (No 1 to No 5) are represented by equivalent loads The neutral point of the HTB/HTA transformer is grounded through a resistance.
N53 N51 N52 départ_01 départ_02 départ_03 départ_04 départ_05
N53 N51 N52 départ_01 départ_02 départ_03 départ_04 départ_05
Figure II.8 La topologie du réseau urbain HTA
Tout le réseau a été modélisé avec les mêmes paramètres de ligne, du poste source aux charges Les câbles ont les caractéristiques suivantes :
Tableau II.8 Paramètres de câble du réseau HTA
Il s’agit des caractéristiques de câble 240mm 2
The three-phase HTA network, depicted in Figure II.8, consists of 53 nodes The maximum length of a feeder is 4784 meters, with node 43 being the furthest from the transformer Overall, the total length of the lines in the network is 5928.8 meters.
Structure du poste source et paramètres du transformateur HTB/HTA
Le réseau est alimenté par un poste source ayant les caractéristiques comme indiqué dans le Tableau II.9 Le Tableau II.10 présente les paramètres du transformateur HTB/HTA
Tableau II.9 Paramètres du poste source Tableau II.10 Paramètres du transformateur
All loads are modeled as a parallel RL circuit The loads connected to the studied departure (No 6) have a total active power of 4.372 MW and a total reactive power of 0.974 MVAR Additionally, the network representation includes other equivalent departures that may exist at the transformer level The total active power of these departures (No 1 to No 5) is 7.5 MW, with a reactive power of 1.5 MVAR.
Réseau HTA rural Description du réseau
Il s’agit d’un réseau de type rural, six départs dont seul le départ L_06 est modélisé en détail,
46 les autres départs sont modélisés par une line et une charge équivalente La topologie de ce réseau est la suivante :
Figure II.9 La topologie du réseau rural
Paramètres du transformateur HTA/BT
La liaison entre les charges et le réseau HTA et HTB sont réalisés par un transformateur dont les caractéristiques sont présentées dans le Tableau II.12
Structure du poste source : le réseau est alimenté par une poste source ayant les caractéristiques suivantes (Tableau II.11) :
Surintensité en régime normal 1.1 pu Surintensité en secours 1.25 pu
Nombre de prises du régleur en charge 17
Mise à la terre primaire Isolé Mise à la terre secondaire RPN 40 Ω Tableau II.11
Caractéristiques de la poste source du réseau rural
Tableau II.12 Caractéristiques du transformateur du réseau rural
The connected loads to the network have a total active power of 2.29 MW and a total reactive power of 0.4577 MVAr Additionally, we included other equivalent departures at the transformer level, which contribute a total active power of 7.5 MW and a reactive power of 1.5 MVAr.
The network consists of 70 nodes, including 22 liaison nodes that do not carry any load The connections within this network are aerial lines, with a maximum departure length of 7,000 meters, where node 46 is the furthest from the transformer The total length of the lines measures 25,245 meters The equipment used in these lines has specific characteristics.
Caractéristiques électriques Unités Aérien Almélec 148 mm²
Tableau II.13 Caractéristiques de la ligne
Modélisation de protections des réseaux de distribution
Protections du réseau à basse tension
Dans notre réseau d’essais, nous modélisons seulement les protections suivantes :
Protections du réseau BT urbain
Caractéristiques Temps-Courant du fusible HPC FD 400 A de type HN 63-S-20
T e m p s d e f u s io n ( s ) Temps f usion max FD
Figure II.10 Caractéristiques des fusibles FD 400A
The protection plan is supported by FD 400A circuit breakers for two low-voltage network departures and AD 90A backup fuses for four customer connections Figures II.10 and II.11 detail the specifications of the FD 400A and AD 90A fuses in accordance with EDF standards HN 63-S-20 and HN 62-S-83.
The melting time based on intensity can be represented by two curves: the fuse melting curve and the non-melting curve In our study, we focus solely on the fuse melting curve as the operational curve.
Caractéristiques Temps-Courant du fusible AD 90A de type HN
Temps f usion max AD 90A type HN 62-S-83
Figure II.11 Caractéristiques des fusibles AD 90A
Protections du réseau BT rural :
Our network is identified as a rural type, featuring pole-mounted substations and individual connections (see Tables II.3 and II.4) The circuit breaker model 256T-7T, which corresponds to the 160 kVA transformer capacity, is illustrated Figure II.12 displays the time/current characteristic of the 256T-7T circuit breaker in accordance with EDF specification HN 63-S-11.
Figure II.12 Caractéristique temps/courant du disjoncteur 256T-7T
The EPAMI protection system is designed to isolate any faults in the protection zone by being positioned upstream of each outgoing circuit It measures the current, and when one, two, or three of the monitored currents exceed the specified thresholds (R ephi > 0.8*I ccbi and R h > 1.2 times the capacitive current of the outgoing circuit), the protection mechanism activates.
Systèmes photovoltạques et leurs protections de découplage
Photovoltaic systems are decentralized energy generators connected to the grid through power electronics This article aims to provide insights into PV inverters, analyzing various electronic circuit types used in popular inverter brands available in the French market, as detailed in Annex I Each structure's advantages and disadvantages are evaluated to select a simple, transformer-less design To convert the low-voltage electrical energy from the photovoltaic system to a suitable level for the grid, several types of photovoltaic system structures currently exist.
• Onduleur sans ou avec transformateur (BF ou HF),
• Onduleur sans ou avec convertisseur DC/DC
Six types d’onduleurs ci-dessous couvrent presque tous les types d’onduleurs du marché (voir Tableau II.14) :
- Topologie 1 (T1) : Onduleur en pont – sans convertisseur DC/DC- sans transformateur
- Topologie 2 (T2) : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC boost - sans transformateur
- Topologie 3 (T3) : Onduleur en demi-pont – convertisseur DC/DC boost - sans transformateur
- Topologie 4 (T4) : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC Forward - avec
- Topologie 5 (T5) : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC en pont- avec transformateur HF
- Topologie 6 (T6) : Onduleur en pont – sans convertisseur DC/DC – avec transformateur
Topologie du système PV Onduleur sur le marché
T1: Onduleur en pont – sans convertisseur DC/DC- sans transformateur
PV array DC/AC Inverter
SPUTNIK Solamax 4000C KACO Powandor 2500xi
T2 : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC boost - sans transformateur
PV array DC/AC Inverter
SMA Sunny Boy 2100 TL Schneider SunEzy 2000, 4000, 400E SPUTNIK Solamax 2000C/3000C SPUTNIK Solamax 2000S/3000S SPUTNIK Solamax 4600S/6000S RIELLO Helios Power HP 4065REL-D AROS Sirio 4000
T3 : Onduleur en demi-pont – convertisseur DC/DC boost - sans transformateur
T4 : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC Forward - avec transformateur HF
MASTERVOLT Sunmaster QS KACO Powador 3501xi
T5 : Onduleur en pont – convertisseur DC/DC en pont - avec transformateur HF
FRONIUS Série IG plus DANFOSS série TLX PHOTOWATT série PWI Indoor XANTREX série GT SP
T6 : Onduleur en pont – sans convertisseur DC/DC – avec transformateur BF
SMA Sunny Boy 1100 SMA Sunny Mini Central 5000A, 6000A KACO Platinum S
Tableau II.14 Différents modèles d’onduleurs modélisés avec EMTP-RV
Dans nos études, deux types de modèle sont développés :
- Système PV triphasé : modèle par un injecteur de courant avec son système de régulation La modélisation de ce modèle sera présentée en détail dans le chapitre III
The PV monophasic system features a type 2 bridge inverter and a DC/DC boost converter without a transformer, equipped with its own regulation system This inverter type is widely utilized in the market, as indicated in Table II.14 A detailed modeling of this system will be presented in Chapter IV.
Inverter DC/DC Double pont
Inverter DC/DC Double pont
Protections de découplage pour les installations de productions raccordées au réseau de distribution
Il existe trois types de couplage au réseau HTA des installations de production [GP_05] :
Couplage en basse tension en aval d’un poste à comptage BT (puissances inférieures ou égales à 250kVA)
Figure II.13 Couplage pour installations inférieures ou égales à 250kVA
Les mesures pour la protection de découplage sont faites coté BT
Couplage en basse tension en aval d’un poste à comptage BT (puissances supérieures à 250kVA)
Figure II.14 Couplage à comptage BT pour installations supérieures à 250kVA
Ce schéma de couplage s’applique plutôt aux installations de faible puissance car il ne comporte qu’un transformateur
Couplage en HTA avec comptage HTA
Figure II.15 Couplage à comptage HTA
Ce schéma de couplage est applicable aux puissances supérieures à 250kVA Il s’applique plutôt aux installations de forte puissance car il comporte plusieurs transformateurs de livraison
Protections de découplage pour les installations de productions raccordées au réseau de distribution
Les protections de découplage sont régies par la norme C 15-400 [GP_05] qui s’applique à toute installation de production connectée au réseau de distribution Il n’y a aucune spécificité quant au type de l’installation
Decoupling protection aims to disconnect the installation from the network in the event of a fault, ensuring the safety of both the network and the installation It is designed to detect various fault conditions effectively.
- défauts entre phases pour la HTA et entre conducteurs pour la BT,
Defects in the high-voltage transmission network can occur when the connection of an installation leads to a significant increase in the total active power output from production facilities connected to a high-voltage (HTB/HTA) substation, particularly when this total exceeds 12 MW.
Protections de découplage pour les systèmes PV raccordés en BT
Currently, IEEE and IEC standards ([UL_1741], [IEEE_03], [IEC_08]) outline the requirements for connecting PV inverters to the grid However, various countries have specific regulations that may differ from IEC or IEEE approaches In France, these regulations are tailored to meet local needs.
54 les protections de découplage intégrées dans les onduleurs PV respectent la norme DIN VDE 0126-1-1 [DIN_0126_1] ou les recommandations ERDF [ERDF_13E]
Figure II.16 Recommandations de IEC, IEEE, DIN VDE 0216 et ERDF pour les protections de découplage des installations de production raccordés en BT
La Figure II.16 présente les exigences pour la tension et la fréquence définies par IEC, IEEE, l'Allemagne et la France [TRAN_11] pour les onduleurs PV raccordés au réseau BT
En respectant la norme DIN VDE 0126-1-1, tous les générateurs photovoltạques raccordés au réseau public à basse tension respectent les règles suivantes [DIN_0126_1] :
• Diminution de la tension (fonction de protection)
External conductor tensions carrying electrical supply of ≤ 80% U N must trigger a disconnection within 0.2 seconds It should be impossible to alter this limit value on the device.
• Augmentation de la tension (fonction de protection)
Les tensions au niveau des conducteurs externes, par lesquels passe l'alimentation électrique, de ≥ 115 % U N doivent provoquer un déclenchement dans un laps de temps de 0,2 seconde
La modification de cette valeur limite sur l'appareil doit être impossible,
• Augmentation de la tension (contrôle de la qualité de la tension)
The goal is to maintain voltage limit values at the connection point The triggering threshold can be adjusted between 110% UN and 115% UN to account for voltage drops.
55 tension entre le site de départ et le point de liaison La distribution s'effectue avec un seuil de déclenchement de 110 % U N Le temps de réaction est instantané
Les fréquences inférieures à 47,5 Hz et supérieures à 50,2 Hz doivent provoquer un déclenchement en moins de 0,2 seconde
The emergence of direct current in the low-voltage network due to generator malfunction must trigger a cutoff in less than 0.2 seconds To achieve this, it is possible to either address the malfunction directly or utilize a corresponding fraction of current exceeding the threshold.
Multiple generator operating modes are discussed In this scenario, it is acknowledged that identifying the operation in a separate network and transmitting cut-off commands should be carried out through an interface by another protective device.
• Déconnexion de l’onduleur pour un saut d’impédance ∆ZR ≥ 1Ω Le temps de réaction est de 5 s
Three-phase voltage monitoring of the network (applicable only to single-phase inverters or generators) follows the same criteria as voltage variation monitoring, with a reaction time of 0.2 seconds.
Tableau II.15 Différents types de protections de découplage BT [ERDF_13E]
En respectant les recommandations de ERDF, les types de protections de découplage utilisables pour les installations raccordées au réseau public BT sont présentés sur le Tableau II.5
Protections de découplage pour les systèmes PV raccordés en HTA
La protection de découplage est basée sur des seuils de différents paramètres déduits d’une mesure de tension côtée HTA (sauf pour les installations dont la puissance est inférieure à 250kVA)
- maximum de la tension homopolaire HTA Vo>10%Vn
- minimum de la tension composée U115% Un
- minimum/maximum de la fréquence f du réseau HTA 47.5Hz-51Hz
Différents types de protections de découplage des productions décentralisées raccordées en HTA sont présentés sur le Tableau II.16 [ERDF_13E] :
Tableau II.16 Différents types de protections de découplage HTA [ERDF_13E]
Figure II.17 illustrates a flowchart designed to determine the appropriate type of decoupling protection based on the installation's power and the type of departure, whether overhead, underground, or dedicated.
Figure II.17 Arbre de décision pour le choix d'une protection de découplage
Power generation facilities exceeding 5MW connected to High Voltage Distribution (HTA) must remain connected and operational during voltage dips at the installation terminals, as specified by the guidelines illustrated in Figure II.18 [ARRETE_08].
Figure II.18 Gabarit de tension à respecter pour les installations supérieures à 5MW
In an electrical network with decentralized energy production (DEP), particularly from photovoltaic installations, a situation known as "islanding" occurs when a subnetwork with one or more DEPs is disconnected from the main grid while continuing to supply local loads Islanding can be either intentional or accidental For instance, during maintenance operations, network disconnection may lead to the intentional islanding of the generator, which can be safely shut down by operational staff However, unintentional islanding, resulting from accidental network outages or faults, poses greater significance and concern.
Cette situation met en évidence les dangers liés au maintien d’une tension dans le réseau ợlotộ et peut gộnộrer des risques pour :
- Les équipements électriques lors des dérives importantes de tension ou de fréquence,
- Les générateurs lors du ré-enclenchement des protections (faux couplage),
- Les personnes à proximité d’équipements ou lors d’opérations de maintenance
Il est donc primordial de dộtecter toute situation d’ợlotage et de rộduire le temps de fonctionnement du systốme ợlotộ Cette situation doit ờtre dộtectộe afin :
- D’éviter d’alimenter un défaut ou de laisser sous tension une installation en défaut,
- D’ộviter d’alimenter l’ợlot à une tension ou une frộquence anormal,
- De permettre aux systèmes de ré-enclenchement automatique de fonctionner
There are several methods for detecting grid outages, which can be categorized into three main types: passive methods, active methods, and communication-based methods between the main grid and the PV inverter To assess these detection methods effectively, it is essential to identify their non-detection zones (NDZ).
The Detection Zone must be minimized for safety reasons while avoiding false triggers This zone is determined by the active and reactive power levels, where variations in voltage amplitude and/or frequency are insufficient to activate the main protection system.
Les méthodes de protection de découplages généralement utilisés avec leurs avantages et inconvénients sont regroupées dans le Tableau II.17
Conclusions
Dans ce chapitre nous avons décrit les différentes briques élémentaires constituant le générateur PV, les lignes et les protections
The choice of the type of PV generator model depends on the study scenario For high voltage network voltage planning studies, a controlled current injector is sufficient However, low voltage simulations require greater precision regarding short circuit dynamics and the response of decoupling protections, necessitating a more detailed dynamic medium model of the PV system along with its control The modeling of these two types of models will be presented in detail in the following chapters.
In this chapter, we outlined various types of decoupling protection and the associated recommendations and regulations The threshold values related to decoupling protections discussed here will be utilized for simulations in the subsequent sections, aimed at preventing unjustified disconnections.
Mộthodes de dộtection d’ợlotage Principe Avantages Inconvộnients
Détection des seuils de tension et de fréquence -
Under/Over Voltage and Frequency (U/OVP; U/OFP)
Détection du taux de distorsion harmonique de tension - Total Harmonic Distortion of Voltage
Détection du taux de distorsion harmonique de courant - Total Harmonic Distortion of Current
Détection de saut de phase de tension - Voltage
Détection de changement de la fréquence - Rate of
Détection de changement de tension - Rate of
Détection de changement de puissance active -
Rate of Change of Active Power (RoCoP)
Détection de changement de puissance réactive -
Rate of Change of Reactive Power (RoCoQ)
Détection du taux de déséquilibre de tension triphasé - Voltage Unbalance (VU)
Passive detection methods for overloads rely on monitoring parameters such as voltage, frequency, and their characteristics (including harmonics and rate of change) These methods require the establishment of threshold levels for effective operation.
Si le seuil prédéfini est dépassé, l’onduleur est alors déconnecté
- Peu voire pas de besoin de matériels supplémentaires
- Ne provoquent pas de perturbations du réseau ou des onduleurs
Mesure d’impédance à un instant donné -
Impedance Measurement at Specific Instant (IMSI)
Mesure d’impédance à une fréquence donnée -
Detection of Impedance at Specific Frequency (DISF)
Faire dériver la fréquence en fonction du déphasage de la tension - Slip Mode frequency Shift:
Dérive active de la fréquence - Active Frequency
Méthode de Sandia pour faire dériver la fréquence - Sandia Frequency Shift (SFS)
Dérivation de fréquence - Frequency Jump (FJ)
Faire varier la fréquence par des variations de puissance réactive - Frequency Feedback Scheme
Méthode de Sandia pour faire dériver la tension -
Faire varier la fréquence par des variations de puissance active - Voltage Feedback Scheme (VFS)
Dérivation de tension par le courant perturbé -
Insertion de l’impédance - Impedance insertion (II)
Active methods for detecting overloading involve injecting small disturbances at the output of the inverter or into the network This technique can cause a deviation in a measurable quantity, enabling faster identification of overload conditions.
- ZND est faible ou nulle même dans une condition d’équilibre parfait entre la production
- Provoquent des variations de tension, de puissance ou d’impédance du réseau
- Dégradent la stabilité du réseau et la qualité d’énergie fournie
- Inefficaces en cas de plusieurs onduleurs en parallèle
Méthodes utilisant les communications entre l’installation PV et le réseau (MC1-MC3)
Méthode d’utilisation de communication par courant porteur - Use of Power Line Carrier
Méthode utilisant le système SCADA - Supervisory
Control and Data Acquisition (SCADA)
Méthode d’utilisant du signal de l’état du disjoncteur - Signal Produced by Disconnect
Ces méthodes sont basées sur la communication entre l’installation PV et le réseau
Tableau II.17 Mộthodes de dộtection d’ợlotage proposées pour éviter les déconnexions non-justifiées