Des chercheurs allemands ont développé une plateforme mobile pour simuler des conditions réalistes du réseau lors des tests de conformité des éoliennes offshore.
Avant que les éoliennes offshore ne soient connectées à un réseau électrique, elles doivent passer par des procédures de validation et de certification rigoureuses pour prouver leur stabilité dans des conditions changeantes. L’institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie éolienne en Allemagne a développé un banc d’essai mobile pour simplifier ce processus.
Regardez l’émulateur de réseau mobile à l’œuvre. Vidéo utilisée avec l’aimable autorisation de l’institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie éolienne
Mobil-Grid-CoP connecte des prototypes sur site à un émulateur de réseau qui produit des conditions à pleine charge, permettant aux ingénieurs de tester la réaction de l’éolienne aux fluctuations de fréquence et de fournir un soutien lors d’événements de défaut. Le système prend en charge des tests allant jusqu’à 28 MVA et un niveau de tension de 66 kV.
Le banc d’essai mobile fait partie d’un projet financé par le secteur public visant à améliorer les procédures utilisées pour vérifier si les éoliennes offshore sont conformes aux réglementations locales avant de rejoindre les réseaux électriques publics. La connexion de test a un effet minimal sur l’approvisionnement en énergie en aval du réseau.
Configuration de Mobil-Grid-CoP. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IWES
Contexte industriel : des éoliennes plus grandes et de plus forte capacité
La plateforme de tests dynamique de Fraunhofer IWES arrive à un moment où les innovations dans le secteur éolien offshore dépassent les normes des réseaux électriques allemands. Les éoliennes de nouvelle génération augmentent en taille et en puissance, rendant les cadres de test actuels quelque peu obsolètes.
Par exemple, le fabricant chinois Goldwind a installé l’année dernière la plus grande éolienne du monde, une unité de 16 MW avec un rotor de 252 mètres de diamètre et une pale de 125 mètres de long. Le modèle de 15 MW de Vestas, avec un rotor de 236 mètres de diamètre, est récemment entré en service au Danemark, tandis que le produit équivalent de Siemens Gamesa, de 14 MW, sera bientôt installé en Allemagne, au Danemark et en mer Baltique. Le Haliade-X de GE Vernova, d’une capacité de 13 MW, est présent dans les projets d’énergie éolienne de Dogger Bank en Angleterre et de Vineyard Wind aux États-Unis.
Certains des derniers prototypes atteignent des niveaux encore plus élevés. Mingyang Smart Energy, basé en Chine, a récemment dévoilé la plus grande unité à capacité unique, fonctionnant entre 18 et 20 MW avec un diamètre de rotor variant de 260 à 291 mètres. En supposant une vitesse de vent moyenne de 30 km/h, le modèle peut produire 80 GWh par an pour 96 000 résidents. Dongfang Electric a également installé une éolienne de 18 MW et de 260 mètres de diamètre dans un centre d’essai dans le sud de la Chine, capables de fournir assez d’énergie pour 36 000 foyers.
Configurations d’éoliennes offshore en Allemagne de 2009 à mi-2024. Deutsche WindGuard (Page 7)
Alors que les éoliennes deviennent de plus en plus grandes, Fraunhofer IWES a déclaré que sa plateforme Mobil-Grid-CoP peut être configurée pour tester jusqu’à 20 MW, reflétant la plupart des projets actuellement en cours en Allemagne. Les données de Deutsche WindGuard montrent que, durant le premier semestre de cette année, les nouvelles éoliennes installées dans le pays avaient une capacité nominale moyenne de 10,5 MW, un diamètre de rotor de 186 mètres et une hauteur de moyeu de 116 mètres.
Bien que l’Allemagne ait installé sa première éolienne de 11 MW au début de 2024, Deutsche WindGuard estime que le cap des 15 MW sera probablement atteint l’année prochaine.
Simulation des conditions de connexion éolienne-réseau
Avant de se connecter au réseau, les éoliennes offshore doivent démontrer leur conformité avec les valeurs limites électriques et prendre en compte les fluctuations de fréquence, les chutes de tension, les courts-circuits et d’autres événements dynamiques.
Composants du système Mobil-Grid-CoP. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IWES
Fraunhofer IWES a utilisé des modules disponibles dans le commerce pour les composants, tels que le simulateur de réseau ACS6080 d’ABB, qui reproduit des conditions de réseau en régime permanent et dynamique. Une alimentation électrique est connectée à un système modulable et containerisé, qui combine transformateurs, onduleurs, tension auxiliaire, filtres et équipements de refroidissement. Deux chaînes de convertisseurs indépendantes peuvent être couplées pour tester des éoliennes de 20 MW.
Fraunhofer IWES a mentionné que, comme les tests de certification peuvent impacter l’approvisionnement en énergie en aval, l’augmentation des tailles d’éoliennes entraîne de nouvelles exigences sur la connexion reliant le conteneur de continuité de défaut au point du réseau. Mobil-Grid-CoP a un impact minimal sur l’approvisionnement en énergie en aval et aucun interférences sur le réseau grâce à la technologie de l’onduleur. L’émulateur bascule entre l’unité de test et le réseau public, simulant le comportement du réseau en réponse à l’opération de l’éolienne – et vice versa.
Les tests couvrent des problèmes courants nécessitant un temps de réponse de l’ordre de la milliseconde. Par exemple, si un court-circuit provoque une chute de tension de 66 kV à 0 kV, l’éolienne doit utiliser de l’énergie réactive pour soutenir la tension du réseau.
Le logiciel d’analyse Mobil-Grid-CoP affiche les mesures de tension pendant l’opération à 66 kV. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IWES
Les conteneurs de Mobil-Grid-CoP peuvent être transportés vers les sites d’essai des prototypes des fabricants, généralement le long des côtes. Cette ressource mobile aidera les fabricants à finaliser plus rapidement les certifications et la mise en service.