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L’électronique de puissance et l’avenir des réseaux de distribution (Alstom Grid)

Le développement des énergies issues de sources renouvelables et l’augmentation de la consommation électrique nécessiteront des solutions nouvelles pour maintenir les niveaux de service, de qualité de la tension et de disponibilité des réseaux électriques. Un rôle sur mesure pour l’électronique de puissance.

L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs ou convertisseurs qui permettent de changer la forme de l'énergie électrique. Depuis les années quatre-vingt, elle a trouvé de nombreuses applications, de l’amélioration des caractéristiques des réseaux supportant des industries lourdes (SVC - Static VAr Compensator) comme les usines d’aluminium, jusqu’aux FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) pour la stabilité des réseaux et aux systèmes HVDC (High Voltage Direct Current) pour les liaisons à grande distance.

Pour l’heure, elle demeure toutefois largement absente des réseaux de distribution, en raison notamment de la configuration classique de la production d’énergie centralisée fondée sur des centrales de grande capacité éloignées des lieux de consommation. Cependant, cette situation est en train de changer rapidement avec l’introduction massive des énergies de sources renouvelables décentralisées.

L’arrivée massive des infrastructures de recharge pour les véhicules électriques, mais également le chauffage électrique et l’air conditionné au niveau des bâtiments, sont des illustrations de systèmes énergétiques prenant en compte les enjeux environnementaux. Elles se traduiront à la fois par une plus forte demande en électricité et de plus fortes variations journalières de la consommation électrique. L’électronique de puissance fera partie des solutions innovantes pour assurer l’exploitation des réseaux de distribution, car elle permet de maintenir les profils de tension requis et d’assurer la stabilité nécessaire au bon fonctionnement de ces réseaux.

L’irrésistible ascension de l’électronique de puissance

Les futurs réseaux énergétiques devront s’accompagner d’une meilleure régulation des flux électriques et des niveaux de tension. Avec des charges électriques plus importantes et plus délicates à gérer, la forme de l’onde sinusoïdale se déforme de plus en plus, la qualité de l’énergie électrique en pâtit. Une source de courant ou de tension est donc nécessaire pour contrecarrer ces effets indésirables. L’électronique de puissance peut ici apporter des remèdes appropriés.

L’électronique de puissance peut, particulièrement au niveau du transport d’électricité, être utilisée pour augmenter les capacités de transit des réseaux et interconnecter les systèmes. Elle réduit ainsi la nécessité d’investir dans l’installation de nouvelles lignes et évite la construction de postes électriques dans des endroits où l’espace est insuffisant. Sans compter que les convertisseurs de puissance peuvent être coordonnés et offrir des services réseau (notamment une compensation de l’énergie réactive), aidant ainsi à mieux réguler les échanges d’électricité et les charges sur les réseaux.

Des interfaces de connexion (Convertisseur AC / DC) proposant suffisamment de souplesse seront également de plus en plus nécessaires, et ce encore plus au niveau de la distribution. En effet, les sources d’énergie décentralisées génèrent un courant continu (CC) ou alternatif (CA) variable qui devra être transformé pour être réinjecté dans le réseau. Les nouveaux consommateurs, de même que les futurs véhicules électriques et systèmes de transport urbains, auront besoin d’interfaces plug-and-play personnalisées.


Source : Alstom Grid

Un large éventail de solutions

Les solutions fondées sur l’électronique de puissance revêtiront de multiples formes. Certains systèmes, comme les transformateurs électroniques en basse et moyenne tension, pourraient voir le jour d’ici à une dizaine d’années. D’autres sont, actuellement, développés à partir de technologies déjà disponibles sur les systèmes de transport d’énergie électrique.

Les FACTS de type SVC (Static VAr Compensator), fonctionnant sur une technologie à base de thyristors (interrupteur électronique semi-conducteur), permettent d’améliorer les possibilités de contrôle et d’accroître les capacités de transfert d’énergie. Les compensateurs statiques synchrones (STATCOM), fondés sur une technologie de composants électroniques plus récente et plus performante pourraient, quant à eux, assurer aux parcs éoliens le soutien dynamique et rapide de la puissance réactive nécessaire à la stabilité du réseau. A titre d’exemple, le projet ADINE (Active Distribution Network), dont l’objectif est de permettre une meilleure intégration de la génération distribuée dans les réseaux, financé par la Commission européenne, a mis l’accent sur la gestion active des réseaux de distribution (concept ANM : Active Network Management) et a démontré un certain nombre de concepts innovants comme le contrôle centralisé de la tension à l’aide d’un SCADA/DMS ou encore l’utilisation de STATCOMs dans la distribution.


FACTS – Source Alstom Grid

Les systèmes FACTS relèvent d’un concept évolutif utilisé essentiellement dans les réseaux de transport d’énergie, mais ils seront nécessaires demain pour les réseaux de distribution (D-FACTS). En fonction des besoins du réseau, le contrôle précis de la puissance réactive est obtenu de différentes façons : compensation en série, shunt ou hybrid série-parallèle. Les dispositifs en série sont utilisés pour contrôler le flux de puissance, ainsi que pour la stabilité et l’amortissement des oscillations du système électrique. Les dispositifs shunt sont, eux, plus efficaces pour la qualité de l’alimentation, la compensation de l’énergie réactive et le soutien de tension.

Les réseaux à courant continu moyenne tension (Medium Voltage Direct Current - MVDC) pourraient réguler l’impact de l’énergie éolienne ou marine sur des réseaux de distribution potentiellement faibles, en plus de leur contrôle direct de la puissance active et réactive, et de leur aide à la stabilisation du système. Le MVDC et les réseaux courant continu multi-terminaux sont désormais devenus possible avec la technologie des convertisseurs de source de tension (Voltage Source Converter - VSC), et de telle solutions sont en cours de développement et seront opérationnels dans les prochaines années.


Source Alstom Grid

D’autres applications sont déjà disponibles (bornes de recharge lente ou rapide pour les véhicules électriques) mais continuent à évoluer. On voit aussi l’apparition de solutions comme les convertisseurs permettant de relier des systèmes de stockage d’énergie (Energy Storage System - ESS) à base de batteries d’une capacité de plusieurs mégawatt/heure ou des systèmes de production d’énergie locale au réseau. Les usines, les aéroports et les centres de données très gourmands en énergie voient aussi se développer des solutions basés sur des réseaux à courant continu.

Une approche nouvelle

Les nouvelles applications de l’électronique de puissance recherchent désormais la polyvalence mais aussi l’extensibilité. Les avancées obtenues en matière de composants d’électronique de puissance permettront de combiner des convertisseurs de façon plus modulaire (afin de doubler la puissance utile par exemple). D’autres facteurs clés sont en jeu avec les futurs réseaux, notamment l’interopérabilité. Ainsi, la quête de simplification des connexions des installations de production a déjà commencé, avec le développement de solutions techniques standardisées et, au bout du compte, une approche de type plug-and-play.

La coordination des actions dans l’ensemble du système est un élément vital, afin que chaque dispositif réagisse pour contribuer à l’équilibre global. Il est nécessaire de régler chacun des dispositifs pour qu’ils réagissent de la manière la plus appropriée. Ce procédé est analogue à celui utilisé par des groupes de petits producteurs d’énergie décentralisée, qui peuvent alors intervenir de manière collective comme des centrales virtuelles. Il est indéniable que l’électronique de puissance est aujourd’hui parvenue à un tournant, avec une philosophie et une approche inédites. Elle jouera un rôle majeur avec l’apparition d’applications nouvelles qui se combineront aux solutions techniques pour bâtir un avenir plus « vert », en offrant une flexibilité accrue en termes de gestion des sources d’énergie décentralisée.



Alstom Grid possède plus d'un siècle d'expérience dans le domaine des réseaux électriques. Alstom Grid fournit la puissance nécessaire aux projets de ses clients, qu'il s'agisse d'électriciens publics, d'industries électro-intensives ou de simplification des échanges d'énergie. Alstom Grid est l'une des 3 plus importantes sociétés du secteur du transport d'électricité, avec un chiffre d'affaires annuel de plus de 4 milliards d'euros en 2011. Alstom Grid emploie 20 000 personnes sur plus de 90 sites de fabrication et de conception dans le monde entier. Au cœur du développement des Smart Grids, Alstom Grid propose des produits, des services et des solutions intégrées de gestion de l'énergie sur l'ensemble de la chaîne de valeur de l'énergie (de la production à l'utilisateur final, en passant par le transport et les réseaux de distribution).
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