Evolution du mécanisme de délestage fréquence-métrique

Design of the future Low Frequency Demand Disconnection scheme

• Auteur / Autrice : Barnabé Potel
• Direction : Vincent Debusschere, Florent Cadoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Raison
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Petit, Lukas Sigrist

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie) -- Répartition des charges

Électricité -- Pannes

Réseaux électriques (énergie) -- Protection

Mots clés libres

Plan de défense

Réseaux électriques

Production décentralisée

Distributed generation

Power systems

Emergency and restoration

Résumé

Le délestage fréquence-métrique est une mesure d’urgence afin d’éviter un black-out total du système électrique dû à une consommation soutirée du système électrique plus importante que celle injectée. Cette différence production/consommation implique une chute de la fréquence du système électrique qui doit alors puiser dans l’énergie cinétique des machines connectées à celui-ci. Dans le cas du délestage fréquence-métrique, ce sont d’importants déséquilibres (de quelques pourcentages à plusieurs dizaines de pourcentages) qui doivent être stoppés en déconnectant de manière automatique une partie de la consommation. En effet, l’énergie cinétique stockée (appelée indirectement inertie dans le cadre du système électrique) n’est pas suffisante pour compenser le déséquilibre sur des temps longs : la fréquence chute rapidement en quelques secondes/dizaines de secondes. Cette sous-fréquence est synonyme d’une instabilité importante et plusieurs appareils sont susceptibles de se déconnecter automatiquement pour éviter d’endommager le matériel ou parce que le système électrique auquel ils sont connectés ne parait lui-même pas stable. Le système électrique européen pourrait, en théorie, fonctionner en sous-fréquence si la fréquence est supérieure à 47.5Hz, fréquence de déconnexion automatique des centrales nucléaires. Le système électrique européen étant interconnecté, de nouveaux codes réseaux sont à mettre en œuvre afin d’harmoniser le fonctionnement des plans de délestage fréquence-métrique de chaque gestionnaire de réseau. Dans ce contexte, la chaire industrielle de recherche Smart Grids d’Enedis a financé ces travaux de thèse afin d’étudier plus en profondeur, l’impact de ce nouveau plan de délestage ainsi que les performances du plan actuel. Cette thèse propose de faire un lien entre la recherche académique et l’industrie. Dans un premier temps, trois cas d’activation du délestage sur le système électrique Européen ont été étudiés (dont deux n’ayant pas permis de contenir le black-out), ce qui permet alors d’aborder le paramétrage théorique d’un plan de délestage traditionnel. Ensuite, il a été montré, grâce à des données issues des consommations de plusieurs milliers de départs en France, qu’il y a un impact non négligeable quant à la manière d’implémenter un plan de délestage. De même, l'impact de l'insertion de production décentralisée a été considérée vis-à-vis des différentes méthodes pour implémenter un plan de délestage. Finalement une partie prospective, plus académique, a permis de montrer qu’en modifiant légèrement les algorithmes de délestage, il est possible d’améliorer la réponse de ce dernier afin de délester au mieux la consommation correspondant au déséquilibre.

Under-frequency load shedding is an emergency measure to avoid a total blackout of the electrical system due to a greater consumption of the electrical system than the injected production. This production/consumption difference implies a drop in the frequency of the electrical system which must then draw on the kinetic energy of the machines connected to the electrical system. In the case of the under-frequency load shedding these are major imbalances (from a few percents to several tens of percents) which must be stopped by automatically disconnecting parts of the consumption. Indeed, the stored kinetic energy (indirectly called inertia within the framework of the electrical system) is not sufficient to compensate the imbalance over long periods: the frequency drops quickly in a few seconds/tens of seconds. This under-frequency is synonymous with significant instability and several devices are likely to disconnect automatically to avoid damaging the equipment or because the electrical system to which they are connected does not itself appear stable. The European electrical system could, in theory, operate at under frequency if the frequency is greater than 47.5 Hz, which is the frequency of automatic disconnection of nuclear power plants. The European electrical system being interconnected, new network codes are to be implemented in order to harmonize the operations of the under-frequency load shedding plans of each system operator. In this context, the Enedis Smart Grids industrial research chair funded this thesis in order to study depthly the impact of this new load shedding plan as well as the performance of the current implemented scheme. This thesis proposes to make a link between academic research and industry. Initially, three cases of load shedding activation over the European electrical system are studied (two of which did not allow the blackout to be contained), which then makes it possible to study the theoretical configuration of a traditional under-frequency load shedding scheme. Then, thanks to data from the consumption of several thousands of feeders in France, it is shown that there is a significant impact on the implementation method of a load shedding scheme. Likewise, the impact of the integration of decentralised generation is considered with regard to the different methods for implementing a load shedding plan. Finally, a more academic, prospective part made it possible to show that by slightly modifying the load shedding algorithms, it is possible to improve the load shedding response in order to best shed the consumption corresponding to the imbalance.