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11 Dr.Chaabane BOUALI Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche

11 Dr.Chaabane BOUALI Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Tunis El Manar Faculté des sciences de Tunis Mastère Professionnel M2 : Energies Renouvelables Technologies & Applications Chapitre II Evolution des réseaux électriques Du Système actuel Au réseau intelligent MP2ERTA Réalisé par : Dr.Chaabane BOUALI Année universitaire 2020 - 2021 12 Dr.Chaabane BOUALI Chapitre 2 : Evolution des réseaux électriques à partir de la configuration traditionnelle à la production distribuée Les réseaux électriques, après plusieurs décennies de lente évolution, sont en train de connaître un développement de grande envergure avec l’apparition des énergies renouvelables et la multiplication des acteurs issue de la libéralisation des marchés de l’énergie. La complexité croissante de leur fonctionnement va conduire à l’introduction massive d’intelligence qui entraînera le concept de « Smartgrid ». 2.1. Le paradigme énergétique Le fonctionnement actuel des réseaux électriques est basé sur quatre segments issus de la construction du système électrique global : une production en grande majorité sous la forme d’unités de grande puissance installées en des lieux stratégiques pour leur fonctionnement en lien avec le réseau ; l’acheminement vers les centres de consommation par un réseau de transport hautement instrumenté et dont la gestion hiérarchisée est fortement centralisée ; les réseaux de distribution qui sont l’interface entre le réseau de transport et le consommateur final ; ils sont connectés au réseau de transport en des nœuds appelés « poste source» à travers des transformateurs et sont, pour des raisons économiques et de simplicité, le plus souvent exploités en structures radiales ; ils sont donc caractérisés, en l’absence de sources de production locales importantes, par un sens unidirectionnel de circulation de l’énergie (l’énergie circule toujours dans le même sens du transformateur vers les consommateurs) ; les consommateurs sont des acteurs passifs qui sont des « charges » non pilotables et ne contribuent pas à la gestion du système. Les trois premiers segments, bien que séparés institutionnellement avec des domaines de responsabilités clairement définies, dépendent les uns des autres et sont régis par les lois de fonctionnement physique liées notamment à l'équilibre entre la production et la consommation ou au respect des contraintes techniques. Le segment utilisateur final a également considérablement évolué. En effet, les consommateurs qui étaient jusqu'à présent "passifs" et n’interagissaient pas avec le système électrique sont actuellement dans un processus de mutation, notamment grâce au développement du compteur dit « intelligent ». Ils peuvent par exemple offrir des possibilités de modulation de charge leur permettant de participer à la résolution de certaines contraintes du réseau, la réduction des pointes de consommation notamment, ou offrir tout autre service nécessaire au système. De plus, avec le développement de la production décentralisée, les consommateurs, peuvent, tout en étant consommateur, devenir producteurs ou se transformer en réservoir de stockage. Le consommateur devient ainsi «actif» ou même «pro actif» lorsqu’il regroupe 13 Dr.Chaabane BOUALI toutes les possibilités de « modulation de charge», de «production» ou de «stockage» en fonction des conditions du marché en place, de la réglementation en vigueur ou des technologies disponibles. De même, le développement attendu du Véhicule Electrique ou Hybride Raccordé (VEHR) au réseau avec ses caractéristiques de charge et sa capacité de stockage va contribuer à la complexité de gestion des réseaux. Ces changements incitent les ingénieurs et les chercheurs à imaginer des solutions non traditionnelles pour répondre à ces défis et satisfaire des besoins changeants dans ce système tout en optimisant l’ensemble de la chaîne énergétique. 2.2. Architecture du réseau électrique classique Considéré comme système composé des millions de kilomètres de lignes et câbles, de points de connexions, il intègre plusieurs niveaux de tension, un matériel de protection et de supervision sophistiqué. Figure 2.1 : Fonctionnement actuel d’un réseau électrique [3] 14 Dr.Chaabane BOUALI Restée relativement stable pendant près d’un siècle, cette organisation des réseaux a subi des changements profonds à la fin du 20e siècle, notamment avec la libéralisation des marchés de l’électricité et ses conséquences en termes de multiplication d’acteurs, de partition des responsabilités, de manque de coopération entre les acteurs. En outre, différentes instances de décision ont mis en place des incitations réglementaires en faveur des énergies renouvelables. Une partie de ces énergies est destinée à être raccordée aux réseaux de transport, comme les grandes fermes éoliennes, une autre est destinée aux réseaux de distribution et même au consommateur final. Dans ces derniers cas, on parle de production décentralisée. Le développement de ces sources d’énergie a eu un impact fort sur le fonctionnement traditionnel des grands systèmes, tant au niveau des réseaux de transport que des réseaux de distribution. Alors que les réseaux de transport, de par leur rôle spécifique dans l’équilibre global production-consommation et les impératifs de sûreté de l’ensemble du système électrique, sont déjà bien instrumentés avec des technologies avancées de mesure, de surveillance, de protection et de contrôle-commande, les réseaux de distribution ont relativement moins bénéficié de l’intégration des technologies de pointe. Ainsi, les réseaux de distribution ont été conçus différemment pour des raisons économiques de par leur nature très étendue et distribuée. En effet, dans le cadre d’une organisation monopolistique, la fonction principale des réseaux de distribution était l’acheminement final de la ressource énergétique dans le sens descendant tout en veillant à la continuité de la fourniture et au respect des contraintes sur la tension et le courant malgré les incidents fortuits qui pouvaient survenir à son niveau (courts- circuits, foudre, surtensions de manœuvre et autres). Leur structure et l’exploitation particulière qui en découle (radiale) répondent à ces objectifs dans les meilleures conditions économiques. De fait, ces derniers n'ont pas été conçus à l’origine pour accueillir de manière massive des unités de production dites décentralisées ou distribuées. De plus, ces dernières sont souvent de type intermittent (électricité photovoltaïque et éolienne, entre autres) ce qui implique une gestion spécifique si leur taux de pénétration devient important. Ces énergies sont caractérisées en particulier par leur intermittence qui rend difficile de garantir la puissance produite avec toute la précision requise lors de la préparation à la conduite ou du marché de la veille pour le lendemain (J-1) y compris avec les prévisions les plus sophistiquées dont on dispose aujourd’hui. Dans l’hypothèse d’un manque de moyens de production de couverture (réserves suffisantes) avec les dynamiques requises pour la sécurité du système et dans l’état actuel des possibilités de stockage, le développement de ces énergies sans maîtrise des puissances de sortie peut compromettre la garantie de l’équilibre production-consommation et donc la sécurité du système électrique dans son ensemble. Il est important de noter que dans cette chaîne, pour les raisons expliquées précédemment, les réseaux de distribution sont dans une position particulière. Ils sont soumis à un changement de paradigme majeur du fait notamment de leur lien direct avec les usages traditionnels ou nouveaux (VEHR), à l’avènement de la production décentralisée souvent de type intermittent, à une exigence de préservation voire d’amélioration de la qualité de fourniture, et à l’intégration des nouvelles technologies (comptage, stockage, capteurs) dans une infrastructure existante mais qui est de plus en plus couplée aux infrastructures des Technologies d’Information et de Communication (TICs). Les réseaux de distribution sont 15 Dr.Chaabane BOUALI donc en première ligne du développement des réseaux intelligents pour permettre de donner de la valeur à tous les usages qui lui sont connectés. 2.3. Le réseau électrique tunisien Selon une étude [6] faite par la STEG, le nombre de clients électricité en 2016 est de 3824885 avec un taux d’électrification de 99,8 %, une puissance installée de 5467 MW dont 310 MW d’origine renouvelable. La pointe de consommation est de 4025 MW enregistrée le 09/08/2017 Figure 2 .2 : Production énergétique de la STEG [6]. Au niveau du réseau électrique Tunisien, par exemple, il existe plus que 5500 km de liaisons électriques (Puissance installée > 5400 MW, pour des niveaux de tension de 90, 150 et 225 KV). Le pilotage d’un tel système dans son ensemble reste en effet très centralisé et hiérarchisé au niveau de la compagnie d’électricité (STEG) ou de chaque gestionnaire du réseau alors que les perturbations peuvent être globales. Les prévisions de l’énergie renouvelable dans la production tunisienne en termes d’électricité est donnée par la figure suivante : Figure 2 .3 : Prévision énergétique de la STEG [6]. Vue les contraintes (intermittence et difficultés de prévision) de l’énergie renouvelable en Tunisie et partout dans le monde, il est nécessaire de migrer de la gestion de la production à la 16 Dr.Chaabane BOUALI gestion de la demande. Pour arriver à la bonne gestion de l’équilibre production / consommation, le réseau électrique à besoin de plus d’intelligence dans le réseau (En utilisant les nouvelles technologies de l’information et de la communication et en se basant sur une infrastructure de mesure et de comptage communicante pour la gestion d’un flux d’énergie bidirectionnel). 2.4. Les TICs au service du réseau Le réseau électrique, qui est un facilitateur et qui constitue un facteur de l'économie globale du système, grâce notamment au foisonnement de tous les moyens de production et de la livraison d'énergie à uploads/Ingenierie_Lourd/ mastere-professionnel-m2-evolution-des-reseaux-electriques-du-systeme-actuel-au-reseau-intelligent 1 .pdf