Des chercheurs ont développé un système de contrôle pour localiser et isoler les dysfonctionnements des oscillations forcées afin de protéger la stabilité du réseau et gérer les performances des parcs éoliens.
La technologie de l’énergie éolienne progresse alors que les tours des éoliennes évoluent en taille et en portée, que les revêtements des pales deviennent plus sophistiqués, et que les emplacements des parcs éoliens s’étendent dans l’océan et les régions de montagne de haute altitude. Cependant, les parcs éoliens produisent des changements erratiques dans les sorties d’énergie qui peuvent compromettre la stabilité du réseau. Les fluctuations naturelles de la vitesse du vent et les oscillations forcées peuvent dégrader les équipements et mettre en péril les fonctionnalités des services publics.
Une équipe de recherche de l’Université de Birmingham, au Royaume-Uni, est à la pointe d’une nouvelle voie technologique permettant d’isoler et de supprimer les changements soudains de puissance dus aux oscillations forcées. En contrôlant et en localisant l’impact, cette technologie offre une méthode de protection de l’intégrité du système et d’optimisation des performances du réseau.
Parc éolien en fonctionnement. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Département de l’Intérieur des États-Unis
Les complexités de la croissance rapide des parcs éoliens
Comme d’autres secteurs des énergies renouvelables, tels que le marché des véhicules électriques, le secteur de l’éolien connaît également une croissance rapide. Le Conseil mondial de l’énergie éolienne a récemment mis à jour ses prévisions de projection, déjà solides, pour inclure une augmentation de 13% de la production de l’industrie, ce qui représente 143 GW d’ici la fin de la décennie.
Rapport du Département de l’Énergie sur la croissance de l’énergie éolienne et les projections au-delà de 2026. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Laboratoire national Lawrence Berkeley
Cette croissance implique quelques complexités fondamentales en ingénierie. Des vents plus forts et plus rapides sont la mine d’or du secteur éolien, et l’innovation pousse les ingénieurs à travailler dans des environnements de plus en plus hostiles pour capturer les vents dans l’océan et en haute altitude. Les parcs éoliens en mer se multiplient à travers le monde, et des éoliennes plus hautes sont construites dans des zones de haute altitude, mais dans ces environnements plus extrêmes, les risques augmentent avec la vitesse du vent.
Les défis des oscillations forcées et de la stabilité du réseau
Dans les environnements hostiles et les emplacements plus typiques des parcs éoliens, la turbulence du vent et les forces exercées par d’autres sources (comme la turbulence des vagues dans un environnement océanique) peuvent être destructrices pour les équipements des éoliennes et les opérations des parcs éoliens.
L’effet de sillage est une cause importante d’oscillations forcées. Cela se produit lorsque les éoliennes en aval subissent des conditions de vent altérées en raison de la présence d’éoliennes en amont. L’effet de sillage peut entraîner une répartition inégale des charges sur les pales des éoliennes, entraînant des oscillations de la vitesse de rotation des éoliennes et des vibrations structurales. De plus, des conditions de vent turbulent, telles que des rafales et des cisaillements du vent, peuvent provoquer des changements abrupts du flux d’air, entraînant des fluctuations des performances des éoliennes.
Dans les environnements offshore, le stress créé par les forces devient de plus en plus complexe, car ces forces sont introduites à partir de directions et de sources multiples.
Stress multidirectionnel sur la structure d’une éolienne offshore. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Nature
Les changements spectaculaires de performance des éoliennes peuvent être multipliés dans tout un parc éolien ; la performance du réseau est menacée lorsque les éoliennes sont connectées de manière synchrone à un réseau de distribution. Les pics de puissance et les retards d’approvisionnement peuvent également poser des problèmes dans les opérations et la satisfaction de la demande d’électricité.
Contrôler les oscillations forcées grâce à l’isolation et à la surveillance des lignes de transmission
La technologie d’amortissement est utilisée pour sécuriser et stabiliser les structures des tours d’éoliennes et réduire leur susceptibilité aux oscillations forcées. Des études récentes se concentrent particulièrement sur les dispositifs d’amortissement et les structures d’éoliennes offshore.
Cependant, une meilleure façon de contrôler et de localiser l’impact dangereux des oscillations forcées pourrait passer par des algorithmes logiciels. Ces programmes peuvent suivre les lignes de transmission et utiliser une surveillance dynamique pour contenir efficacement les perturbations soudaines dans le système d’alimentation. Le professeur Xiao-Ping Zhang du département de génie électronique, électrique et des systèmes de l’Université de Birmingham développe justement un tel système de contrôle pour surveiller en toute sécurité une grande variété de formations de parcs éoliens.
Le système de contrôle de Zhang permet à un parc éolien d’ajuster dynamiquement sa consommation et sa production d’énergie active et réactive, ce qui permet d’arrêter l’impact des oscillations forcées de se propager dans tout le réseau électrique. Le système est particulièrement avantageux car il ne nécessite pas de stockage d’énergie supplémentaire ni la mise en œuvre de systèmes électroniques de puissance spécifiques. De plus, il peut être déployé sans aucune donnée préalable ni connaissance de la fréquence et de l’intensité des oscillations forcées locales, ce qui le rend largement adaptable.
La recherche est basée sur des simulations et une série d’études de cas. Les chercheurs ont testé diverses structures et arrangements pour étudier les performances dans différentes dynamiques de parcs éoliens en ce qui concerne les générateurs et les opérations du réseau de distribution.
Structure d’un système de distribution d’énergie basse tension modifié IEEE 39-bus utilisé dans les études de cas. Image utilisée avec l’aimable autorisation de IEEE
Alors que l’énergie éolienne devient de plus en plus centrale dans la transition vers les énergies renouvelables, de nouvelles solutions seront nécessaires pour minimiser les fluctuations des performances des parcs éoliens causées par les oscillations forcées. Des technologies critiques sont en cours de développement pour se concentrer davantage sur la surveillance dynamique des performances de l’énergie système plutôt que de se fixer sur les structures individuelles des éoliennes.