Comment configurer scientifiquement les générateurs de var statiques (SVG) et les filtres de puissance actifs (APF) dans les applications de parcs éoliens.

Comment configurer scientifiquement Générateurs de variables statiques (SVG) et Filtres de puissance actifs (APF) dans les applications des parcs éoliens.

Les parcs éoliens, notamment ceux utilisant des générateurs à induction à double alimentation (DFIG), sont non seulement des producteurs d'électricité, mais aussi des sources majeures de problèmes de qualité de l'énergie. La nécessité et la logique de configuration des équipements d'atténuation sont ici très différentes de celles des applications commerciales et industrielles traditionnelles.

I. Principaux problèmes de qualité de l'énergie dans les parcs éoliens

1. Problèmes de puissance réactive (cible principale de l'atténuation SVG) :

   • Les turbines elles-mêmes nécessitent de la puissance réactive :Les convertisseurs et transformateurs des turbines DFIG absorbent la puissance réactive pour établir des champs magnétiques pendant le fonctionnement.

   • Consommation de la ligne de collecte :Les longues lignes de collecte (lignes de rassemblement) sont inductives et consomment une quantité importante de puissance réactive.

   • Exigences de répartition du réseau :Selon les normes nationales du réseau électrique (par exemple, le « Règlement technique pour le raccordement des parcs éoliens au système électrique » de la Chine), les parcs éoliens doivent posséder compensation dynamique de puissance réactive Capacité. Ils doivent être capables d'ajuster automatiquement le facteur de puissance au point de couplage commun (PCC) en fonction des commandes de répartition (généralement entre 0,98 en avance et 0,98 en retard) pour supporter la tension du réseau. Il s'agit d'un exigence obligatoire .

2. Problèmes harmoniques (cible principale pour l'atténuation des APF) :

   • Source harmonique principale :Les convertisseurs (AC-DC-AC) dans les éoliennes sont les principales sources d'harmoniques, générant des harmoniques d'ordre spécifique comme 5e, 7e, 11e, 13e , etc.

   • Risque de résonance harmonique :La capacité du câble du système de collecte du parc éolien et l'inductance du réseau peuvent former une résonance parallèle ou série à certaines fréquences spécifiques, amplifiant des ordres harmoniques spécifiques et conduisant à des incidents graves.

3. Fluctuations de tension et scintillement :

   • La nature intermittente et stochastique de l’énergie éolienne provoque des fluctuations de la puissance de sortie de la turbine, ce qui entraîne des fluctuations de tension et un scintillement au niveau du PCC.

II. Le rôle et la stratégie de configuration de SVG et APF dans les parcs éoliens

Le principe principal de configuration des équipements d’atténuation dans les parcs éoliens est le suivant : Tout d’abord, répondez aux exigences obligatoires du réseau en matière de puissance réactive, puis atténuez les harmoniques pour protéger les actifs internes.

(I) Configuration du générateur de variables statiques (SVG)

1. Positionnement des rôles : Support de puissance réactive dynamique primaire
La fonction principale du SVG dans un parc éolien est de remplacer les batteries de condensateurs/réacteurs traditionnelles (TSC/TCR) pour fournir rapide, fluide et continu réglage de la puissance réactive, répondant aux exigences de répartition du réseau et stabilisant la tension PCC.

2. Emplacement d'installation : Point de couplage commun (PCC) du parc éolien

• Le SVG doit être installé de manière centralisée sur le côté basse tension (côté 35 kV ou 10 kV) du transformateur élévateur principal de la station.

• L'atténuation à cet endroit permet un ajustement direct du facteur de puissance PCC, une réponse aux commandes de répartition du réseau et fournit un support de puissance réactive pour l'ensemble du parc éolien.

3. Calcul de la capacité (étape critique) :
La capacité SVG doit satisfaire la valeur maximale des trois aspects suivants :

• a. Satisfaire aux exigences de répartition du réseau :Selon les normes de connexion au réseau, la capacité SVG devrait être 25% ~ 50% de la capacité nominale du parc éolien. Il s'agit de la base principale de la configuration.

  • Exemple : Un parc éolien de 100 MW nécessite généralement un SVG d'une capacité de ±25 Mvar à ±50 Mvar .

• b. Compenser le déficit de puissance réactive interne :Calculez la consommation totale de puissance réactive de toutes les turbines, transformateurs montés sur socle et lignes de collecte, y compris une certaine marge.

• c. Maintien de la tension en cas de panne du système :Considérez que lors des défauts de court-circuit du réseau, le SVG doit fournir une puissance réactive suffisante pour soutenir la tension et garantir que les turbines ne se déclenchent pas hors ligne (protection contre les défauts).

Conclusion : la capacité SVG est généralement dictée par les codes de grille, en prenant la valeur maximale et en incluant une certaine redondance.

(II) Configuration du filtre de puissance active (APF)

1. Positionnement des rôles : atténuation harmonique et suppression de la résonance
La fonction principale de l'APF est de filtrer les harmoniques caractéristiques générées par les turbines, empêchant ainsi l'injection excessive de courant harmonique dans le réseau. Plus important encore, il supprime la résonance harmonique potentielle , protégeant les actifs internes tels que les transformateurs et les condensateurs.

2. Emplacement d'installation : approche combinée distribuée et centralisée

• Option A (recommandée) : Installation distribuée aux extrémités des lignes de collecte

  • Emplacement :Installer des APF de capacité moyenne à l'extrémité de chaque circuit de collecte (c'est-à-dire au niveau de l'appareillage de commutation où convergent plusieurs lignes de turbines).

  • Avantages :

    1. Des mesures d'atténuation plus approfondies :La compensation à proximité de la source harmonique empêche les harmoniques de circuler et de se superposer dans les lignes de collecte, réduisant ainsi les pertes de ligne.

    2. Suppression de résonance plus efficace :Modifie directement les caractéristiques d'impédance de la source harmonique, perturbant fondamentalement les conditions de résonance.

    3. Fiabilité accrue :La défaillance d'un seul APF n'affecte pas les autres circuits.

• Option B : Installation centralisée au PCC

  • Emplacement :Installé à côté du SVG sur le côté basse tension du transformateur élévateur principal.

  • Avantages :Installation pratique, gestion centralisée.

  • Inconvénients :Atténuation moins efficace que l’approche distribuée et peut ne pas supprimer efficacement la résonance dans les lignes de collecte.

  • Applicabilité :Convient aux exploitations agricoles où les problèmes d'harmoniques ne sont pas graves ou où l'objectif principal est de respecter les normes harmoniques nationales (par exemple, GB/T 14549) au PCC.

3. Calcul de la capacité :

• Méthode de mesure : Effectuer des mesures de qualité de l'énergie sur les lignes de collecte ou le PCC pour obtenir des données de courant harmonique.

• Méthode d'estimation : Capacité de l'APF I_APF ≥ ∑ (Courant nominal d'une seule turbine × Courant THDi × Facteur de simultanéité)

  • Le THDi d'un convertisseur à turbine unique est généralement d'environ 3 % à 5 % (après inclusion des filtres LCL), mais notez que la résonance harmonique peut provoquer une amplification.

  • Facteur de simultanéité : Étant donné que toutes les turbines ne fonctionnent pas simultanément à pleine charge et que les phases harmoniques diffèrent, un facteur de 0,6 à 0,8 peut être utilisé.

• Recommandation :Effectuez toujours des mesures sur le terrain et consultez des agences professionnelles, car les problèmes de résonance harmonique sont très complexes.

III. Schéma de configuration et architecture typique

Une architecture standard d’atténuation de la qualité de l’énergie pour un parc éolien est structurée conceptuellement comme suit :

• Générateurs d'éoliennes (WTG) :Plusieurs groupes de turbines (les sources harmoniques et les charges réactives) sont connectés via de longues lignes de collecte.

• Système de collecte (35 kV/10 kV) : APF distribués sont idéalement installés à la fin de chaque circuit de collecte pour un contrôle ciblé des harmoniques et de la résonance.

• Transformateur élévateur principal :Augmente la tension pour la connexion au réseau.

• Point de couplage commun (PCC) :Le point d'interconnexion avec le réseau principal.

• Couche d'atténuation centralisée : Située au niveau du PCC, côté BT du transformateur principal. Cette couche abrite :

  • Un grand SVG centralisé pour le support de puissance réactive dynamique en vrac et la stabilité de la tension, répondant aux commandes du réseau.

  • (Facultatif) A APF centralisé pour le filtrage harmonique auxiliaire.

  • Batteries de condensateurs/réacteurs passifs pour la compensation de puissance réactive de base.

Schéma recommandé :

• SVG :Installé de manière centralisée sur le bus 35 kV, capacité dimensionnée à 25 % à 50 % de la capacité totale de la ferme.

• APF : Donner la priorité à un atténuation distribuée schéma, installation d'unités à l'extrémité de chaque circuit de collecte.

• Contrôle coordonné :Le SVG et l'APF devraient être intégrés dans le parc éolien SCADA ou Système de gestion de l'énergie (EMS) pour recevoir les commandes de répartition du réseau et permettre un fonctionnement automatisé.

IV. Exigences particulières de sélection des produits

L'environnement difficile des parcs éoliens exige des spécifications d'équipement élevées :

1. Indice de protection :L'installation en extérieur nécessite au moins IP54 et classe de résistance à la corrosion C4/C5 pour résister au vent, au sable, aux embruns salins, à l'humidité et aux températures extrêmes.

2. Niveau de tension :Doit correspondre directement au niveau de tension du parc éolien (par exemple, 10 kV, 35 kV).

3. Vitesse de réponse :Doit être extrêmement rapide (< 5 ms) pour répondre aux rampes de puissance éolienne et aux défauts du réseau.

4. Fiabilité et maintenabilité :Un MTBF (temps moyen entre pannes) élevé et une conception modulaire pour un remplacement rapide sont essentiels.

5. Certification :Nécessite une certification issue des tests de produits de l'industrie électrique, des tests Low Voltage Ride-Through (LVRT), etc.

Résumé

La configuration de SVG et APF pour un parc éolien n'est pas un simple calcul de sélection mais un ingénierie des systèmes tâche:

1. SVG est obligatoire . Sa capacité est déterminée par normes nationales obligatoires , principalement pour répondre aux exigences de répartition de la puissance réactive du réseau et de support de tension.

2. L'APF est fortement recommandé Son schéma de configuration (centralisé ou distribué) et sa capacité doivent être basés sur mesures sur le terrain et analyse du système , principalement pour supprimer les harmoniques et empêcher la résonance, protégeant ainsi les actifs internes.

3. Retour sur investissement (ROI) :Cet investissement n'est pas seulement un « ticket » pour répondre aux exigences de raccordement au réseau, mais il est essentiel pour garantir la fonctionnement sûr, stable et efficace à long terme du parc éolien, évitant ainsi de lourdes pénalités et des dommages aux équipements.

Au cours des premières étapes du projet, des informations détaillées modélisation et simulation de la qualité de l'énergie doivent être réalisées et des agences professionnelles devraient être mandatées pour mesure et évaluation élaborer le plan d’atténuation le plus économique, le plus efficace et le plus fiable.