Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelles solutions à court-terme ?

Jeudi, 12 octobre 2023
Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux
basse tension. Quelles solutions à court-terme ?
Amina Benzerga, Ingérieure de Recherche (Smart-Grids), PhD
Student (Institut Montefiore, ULiège)
Olivier Antoine, Delivery Lead, Power Networks & Industry Power &
Infrastructure Department (Laborelec)

LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :

Intégration des énergies
renouvelables dans les
réseaux basse tension.
Quelles solutions à
court-terme ?
Amina Benzerga

Présentation
Amina Benzerga
Doctorante à
l’université de Liège
Damien Ernst
Professeur à
l’université de Liège
1

Transition énergétique
Augmentation des installations de PVs
Décrochages de PVs
Introduction
Le réseau n’a
pas été conçu
pour ces
installations.
2
Réf: https://www.europeanenergyinnovation.eu/Articles/Autumn-2018/Rooftop-PV-and-self-consumption-of-electricity-in-Europe

PV- Les problèmes dus au décrochage
3
Energie
verte
perdue
Prosumers
consomment
sur le réseau
Emission
de CO2
Coût
Ralentissement
de la transition
énergétique

PV- Les problèmes
4
Ø Intégration avec la charge du réseau
Ø Fluctuation de la production
Ø Problèmes de tension
Ø Déséquilibre des phases

Solutions
Remplacer tout le réseau!
5

Solutions 2.0
Combien de nouvelles installations (PVs) peut on
ajouter à un réseau avant qu’il n’y ait des problèmes?
6
q La calculer
q L’améliorer
Capacité d’accueil:
LA question à se poser:

La capacité d’accueil
• Combien?
• Quelle unité?
• Nombre de nouvelles installations?
Quelle taille de PV?
• Puissance installées?
7
Combien de nouvelles installations (PVs) peut
on ajouter à un réseau avant qu’il n’y ai des
problèmes ?
• Problèmes :
• Qu’est ce qu’on considère
comme problème ?
• Surtension ?
Il faut de prendre la mesure qui jauge
au mieux selon le cas.

qCalculer la capacité d’accueil: Challenges
Le temps de calcul
8
Future Les données

qCalculer la capacité d’accueil – Principe
9
+ = ?

qCalculer la capacité d’accueil – les choix
• Le type d’installation:
• La taille de l’installation:
• Le nombre:
• Le type de connection:
10

qCalculer la capacité d’accueil – Scenario
Un occurence des differents choix:
11

qCalculer la capacité d’accueil – Configurations
Pour un même pourcentage de pénétrations, la localisation peut changer.
12

qCalculer la capacité d’accueil – Problème
13
Problème considéré :
Surtension causant un décrochage
Indicateur : Energie non produite à cause
du décrochage.

qCalculer la capacité d’accueil – Cas d’étude
• Réseau tri-phasé avec 128
clients.
• Configurations: 500
• Problème: Le décrochage
• Energie non produite.
14

ü Calculer la capacité d’accueil – Résultats
15
Source: BENZERGA, Amina, MATHIEU, Sébastien, BAHMANYAR, Alireza, et al. Probabilistic capacity assessment for three-phase low-voltage distribution
networks. In : 2021 IEEE 15th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG). IEEE, 2021. p. 1-6.

16
• 0% :
• pas d’énergie non produite;
• 100% :
• une seule configuration;
• ± 5500 kWh d’énergie non produite;
• 80% :
• minimum : ± 2250kWh d’energie non
produite;
• maximum : ± 4100 kWh d’énergie
non produite;
• médiane: ± 3100 kWh d’énergie non
produite.

17
Pour 40 installations parmis 100 clients:
100!
100 − 40 ! 40!
≈ 10!"
possibilités.
Approximation

Limite de l’indicateur:
• 5% d’énergie gaspillée
Limite du nombre de configuration à
observer le problème:
• 1 14%
• 50% 45%
• 100% 63%
18

ü Calculer la capacité d’accueil – Discussion
• Temps de calcul: 4h
• Limitations:
• Hypothèses sur les options installations
• Types d’installations calculés séparément
• Avantages:
• Applicable à tout type de réseau de distribution;
• Résultats tangibles Identifications des limites d’un réseau.
19

qAméliorer la capacité d’accueil
Améliorer la capacité d’accueil à moindre coût.
• Souvent les clients ne sont pas tri-phasé: i.e. connectés
avec au plus 2 phases.
• ET les phases de connections ne sont pas connues.
• Pas d’utilité de les enregistrer avant;
• Difficile de le faire manuellement aujourd’hui.
20
Quel est l’impact sur la capacité d’accueil de prendre les phases de
connexion en compte lors du raccordement de nouvelles technologies?
Votre mission si vous l’acceptez:
Point de départ ?
Compteur
intelligent.

qAméliorer la capacité d’accueil - Principe
Ajout d’un nouveau
PV dans réseau
Simulation choix de phases pour
TOUS les PVs.
! Hypothèse de PV mono-phasé
(1) (2) (3)
1 phase optimale
Coût: Energie non produite
+ pertes
Simulation choix de phase
! Hypothèse de PV mono-
phasé
Ensemble de phases optimales
Coût: Energie non produite +
pertes
! Coût changement de phases
Solution qui coûte la moins cher
21

ü Améliorer la capacité d’accueil - Résultats
Coût de décrochage domine le coût
total pour l’installation 45.
En rephasant, le coût total diminue
considérablement et est due aux
pertes.
22
Source: BENZERGA, Amina, GÉRARD, Simon, LACHI, Simon, et al.Optimal connection phase selection for single-phase
electrical vehicle chargers. 2022.

ü Améliorer la capacité d’accueil - Discussion
• Temps de calcul:
• 12h (1 mois pour 5 nouveaux PV et 128 clients).
• Limitations:
• Types d’installations calculés séparément
• Requiert des données:
• Les phases de connections;
• Séries temporelle de consommation et production (ou approximations).
• Avantages:
• Méthode applicable à tout réseau de distribution;
• Résultats tangible et facilement interprétable;
• Ne nécessite pas d’investissement dans le réseau solution à applicable.
23

Conclusion
Transition énergétique
Course à l’électrification.
Mais :
• Limitation au niveau du réseau
électrique;
• On ne peut pas remplacer tout le
réseau.
Challenges:
• Calculer la capacité d’accueil;
• L’améliorer à moindre coût.
24

RESTREINT INTERNE SECRET
Investigations on residential PV
inverters
Olivier Antoine
Delivery Lead – Power Networks
Power & Infrastructure department

01
Over-voltage in distribution grids
02
Investigations on residential PV inverters
03
Summary
Challenges ahead
PRESENTATION LIEGE CREATIVE - 12 OCTOBRE 2023

Over-voltage in distribution grids
01

What are we talking about?

Why do PV panels cause overvoltage in distribution grids?
𝑅 = 𝜌.
𝐿
𝐴
Voltage deviation estimation:
≈
à When Pg increases, voltage increases
How to reduce the voltage rise:
• Reduce length
• Increase conductor section A
• Reduce P
• Use reactive power
• East-West orientation
• Increase self-consumption
• Reduce PV production
© Engie 2023 – all rights reserved

Protection behaviour to ensure security of people and of the
equipment
Moreover, stabilizing effect on the grid (voltage stays within
acceptable range)
à Very unlikely that this will cause major grid disturbances but can limit
PV penetration.
Settings to be compliant with C10/11
Why do PV inverters disconnect?
Note: Values from datasheets found in 2021 (might
differ from actual implementations)
https://www.synergrid.be/images/downloads/technical-prescription-c10-11-ed2-1-20190901-tekst-fr.pdf
Known phenomenon with known (and expensive) long-term solutions
à How can we use the technology to implement economic short-term
solutions?

Investigations on residential
PV inverters
02

2020:
Dedicated lab infrastructure
Connection of PV, BESS and GenSet
2018:
Lab testing capabilities build-up
2016:
R&D pilot
Goals of the Power Network Lab:
1. Foster smart grids and power grids expertise build-up and knowledge sharing
2. Offer advanced testing capabilities to de-risk and optimize (new) technology solutions
3. Support further development of technical solutions
2023:
Connection of electrolyzer
Tests of EV charger, etc.
2024-2025 (TBC):
Tests MW Scale
Lab indoor setup features include:
• Power amplifiers & DC sources, which can
equally act as Load/PV emulators, up to 30 kW
of power capabilities
• Programmable bi-directional grid-interface
(50 kW) to enable a wide range of grid
conditions
• Inverter testbench: to identify inverter models
and test their capabilities
Component testing
Climate chamber for ageing test
Indoor setups
Hardware-in-the-loop
Inverter test bench
Identification of inverters
Testing of PPC (Power Plant
Controller)
Spare space for
future development
Rooftop PV available to connect to any setup
Full-scale solutions
Microgrid for telecom towers
Microgrid for small villages
BESS contenrize soltion

Testing of PV inverters
From kW to MW (soon)

Inverter test bench
Possibility to emulate PV profile
Possibility to emulate grid behaviour such as:
- Fault
- Voltage variation
- Frequency variation
Device under test

Overview of 2021 project on inverter testbench
WP1 WP2 WP3 WP4
• Review of norms/standards
• Identification of most
relevant manufacturers
• Manufacturers survey to
collect data
• Installation lab setup
• Tests identified inverters
• Dynamic simulation model
to compare with test
• Test with multiple inverters
• (field testing if relevant)
• Identification of tipping
point (limit of PV
integration)
• Conclusions / discussions

Project related to the short-circuit contribution of inverters and behaviour during fault (i.e. does
the inverters stay connected during an electrical fault?):
→ Starting point of the research = a public document of SMA that shows
the grid support capabilities of residential inverters, similarly to large-scale inverters
• Partial LVRT
• Mandatory for all inverters
• Used to avoid full disconnection of all PV inverters
• Full LVRT
• Mandatory for large-scale inverters
• Grid support → injection of reaction power during fault to support the grid
Focus in 2021 was on behaviour during fault
Tested inverters
• SMA SunnyBoy SB2.5-1VL-40 (1-phase)
• SMA Tripower STP8.0-3AV-40 (3-phase)
• SolarEdge SE5K (3-phase)
• SAJ Suntrio Plus 4K (3-phase)
• Fronius Primo 3.0-1 (1-phase)

Inverter test bench: 2023 project (impact of inverter control)
Possibility to emulate PV profile
Possibility to emulate grid behaviour :
- Fault
- Voltage variation
- Frequency variation
Device under test
Change control mode
Inspired from: AS/NZS 4777.2:2020
Volt-var control
Volt-watt control
Fixed power factor

2023 project focusing on benefits from fixed power factor
control
- Communiqué de presse d’Enedis :
https://www.enedis.fr/presse/acceleration-enr-30-pour-cent-de-
puissance-electrique-supplementaire-sans-travaux

Our findings (project still ongoing)
2023 project focusing on benefits from fixed power factor
control
Increased losses but very limited
Annual production losses of a PV installation (in %) as a function of the
cos(φ) - Red = losses due to reactive setpoint (orientation = 0°, AC/DC =
0.833), Blue = clipping losses, Green = Total losses (Red + Blue)
Easy to implement (all inverters have this functionality)
Benefits dependent on location and network characteristics
à Distribution networks have high R/X ratio, meaning reactive
power impact on voltage is limited

Other solution currently investigated
“Voltage regulator” solutions to be investigated in our lab in cooperation with Belgian DNOs
To be continued…
The “Voltage regulator” can be installed in a LV feeder
and steps the voltage down in case high PV production.
In theory, this is an elegant solution but it is important to
test first the practical limitations.

Challenges ahead
03

Some challenges for distribution grids
Distribution grids face fundamental and rapid changes:
• Investigations of short-term solutions via « better » use of the available technology is key gain time to plan and
design adequately the grid
• PV disconnection due to overvoltage is not ideal but does not lead to major grid disturbances. However…
• Electrification of load (Heat-pump, EV) might have more severe consequences (e.g. voltage collapse)
Experts from academia, network operators and industries are working together to mitigate these challenges
In any case, long-term solutions will also require significant investments such as new cabins, new cables, shorter
feeder, etc.

laborelec.com

Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelles solutions à court-terme ?

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Similaire à Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelles solutions à court-terme ?

Similaire à Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelles solutions à court-terme ? (20)

Plus de LIEGE CREATIVE

Plus de LIEGE CREATIVE (20)

Dernier

Dernier (11)

Intégration des énergies renouvelables dans les réseaux basse tension. Quelles solutions à court-terme ?