Outline and energy flow optimization of offshore and onshore renewable farm, using DC grid
Optimisation de l'architecture et des flux énergétiques de centrales à énergies renouvelables offshore et onshore équipées de liaisons en continu
Résumé
In EU, the electricity production objective by using renewable energy in 2020 is 20 %. Mostly offshore wind as well as tidal current and photovoltaic will contribute to achieve this objective. Considering the fact that offshore wind farms are more and more far away from the onshore grid, farm power production is higher and higher and recent improvements in power electronics lead to revise the electrical architecture. Several offshore wind farms electrical topologies are compared in order to define the more suitable in term of feasibility, efficiency and availability. A solution with DC grid is chosen given that it presents lower losses and DC-DC converters using high-frequency transformers reducing footprint, compared to classical AC solutions. Selected DC topology is modeled with particular attention to technological core of the wind farm: the Full-Bridge DC-DC converter. An interlacing control for DC-DC converter is explained in order to decrease the size of the filter. Two experiences at real (2 MW) and small scale (4 kW) allow to validate the models, the losses and controls integrated in the converter. Protections which can be used for DC grid are also studied with DC static breaker design proposal. Interactions between the real time simulator and 4 kW mock-up is realized to compare converters behavior from wind farm on large time scales. Different controls are tested and more particularly ones allowing to validate the wind farm capacity to remain connected to the grid during the AC faults. All strategies developed on wind offshore farms are extended to high power solar farms to highlight analogies between both renewable energies.
Les objectifs concernant la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité sont de 20 % en 2020 en UE. L'éolien offshore principalement ainsi que les ressources hydroliennes et les panneaux photovoltaïques, vont contribuer à cet objectif. Les améliorations récentes dans le domaine de l'électronique de puissance amènent à repenser les architectures électrotechniques des fermes éoliennes de plus en plus éloignées du continent et présentant des puissances de plus en plus importantes. Plusieurs topologies électrotechniques de fermes éoliennes offshore sont comparées afin de définir la plus intéressante d'un point de vue faisabilité, efficacité et fiabilité. La solution de connexion retenue est entièrement en DC car elle présente des pertes diminuées et des convertisseurs DC-DC avec transformateurs haute-fréquence apportant un gain d'encombrement comparé à une topologie classique en AC. La topologie DC est alors modélisée avec une attention particulière portée aux convertisseurs DC-DC Full-Bridge, cœur technologique de la ferme. Un contrôle du convertisseur par entrelacement des commandes du convertisseur est explicité afin de réduire la taille du filtre en sortie. Deux expérimentations à échelle réelle (2 MW) et réduite (4 kW) permettent de valider le modèle, les pertes et les contrôles implantés sur le convertisseur. Les protections qui peuvent être mises en place pour un réseau de distribution DC sont aussi étudiées avec une proposition de disjoncteur statique DC. Une connexion entre un simulateur temps réel et le banc d'essai 4 kW est réalisée afin de comparer le comportement des convertisseurs de la ferme sur des échelles de temps importantes. Différents contrôles sont testés, et plus particulièrement ceux permettant de valider la capacité de la ferme à rester connectée au réseau pendant les défauts AC. L'ensemble des théories développées sur le cas d'étude éolien offshore sont étendues à des fermes solaires de fortes puissances afin de mettre en évidence les analogies entre ces deux énergies renouvelables.