Nadir de fréquence · Glossaire

Le nadir de fréquence est la valeur la plus basse qu'atteint la fréquence du réseau après une perturbation soudaine. Ensuite, elle remonte ou se stabilise à un nouveau niveau. Dans le système interconnecté d'Europe continentale, la fréquence nominale est de 50 hertz. Une telle perturbation peut être la perte d'un grand groupe de production, d'une liaison CCHT ou d'une importante puissance d'importation. Il manque alors brièvement de la puissance : les consommateurs soutirent plus que ce qui est injecté. La fréquence baisse jusqu'à ce que l'inertie physique, les charges dépendant de la fréquence et le réglage automatique freinent puis inversent cette chute. Le point le plus bas de cette évolution est le nadir. Pour la surfréquence après une perte soudaine de charge, il existe l'équivalent en miroir : le zénith de fréquence ou maximum de fréquence.

Le nadir n'est pas une quantité d'énergie, mais un point dans un processus dynamique. On l'exprime en hertz, soit comme fréquence absolue, par exemple 49,72 Hz, soit comme écart par rapport à la valeur de consigne, par exemple moins 280 mHz. Le moment où il est atteint importe également. Cela se produit en général quelques secondes après la perturbation et souvent avant que le réglage primaire ait atteint sa pleine puissance. La profondeur et la précocité du nadir dépendent de l'ampleur de la perte, de l'inertie du système, du comportement des charges et de la rapidité des réactions de soutien de la fréquence.

Évolution de la fréquence après une perturbation

Dans un système à courant alternatif, un déficit de puissance agit immédiatement sur la vitesse de rotation de tous les générateurs couplés de façon synchrone, et donc sur la fréquence. Lorsque la production manque, les masses tournantes des générateurs et des turbines cèdent de l'énergie cinétique et ralentissent. Cette réserve instantanée repose sur l'inertie du système des machines synchrones. Elle n'a pas besoin d'être appelée, mais agit immédiatement de manière physique, tant que les machines sont électriquement raccordées au réseau.

Juste après la perturbation, c'est surtout la vitesse de variation de la fréquence qui compte, en abrégé RoCoF (rate of change of frequency). En simplifiant : le gradient initial de fréquence est proportionnel au déficit relatif de puissance et inversement proportionnel à la constante d'inertie H du système. Exemple de calcul : si un pour cent de la puissance du système est perdu et que H vaut cinq secondes, la fréquence chute initialement d'environ 0,05 Hz par seconde. Avec une inertie réduite de moitié, ce serait deux fois plus rapide. Le nadir ne résulte cependant pas de cette seule pente initiale. Il découle de l'interaction entre l'ampleur de la perturbation, l'inertie, la consommation dépendant de la fréquence, le réglage primaire et les temps de réaction techniques.

Le réglage primaire automatique s'appelle dans la réglementation européenne Frequency Containment Reserve, en abrégé FCR. Dans la zone synchrone d'Europe continentale, il est fourni de manière décentralisée et conjointe par tous les participants. Il réagit linéairement à l'écart par rapport à 50,0 Hz, en dehors d'une bande morte de 49,99 à 50,01 Hz. Pour un écart de ±200 mHz, les unités concernées doivent fournir la totalité de la FCR en 30 secondes. Le réglage démarre donc rapidement, mais n'atteint son plein effet qu'après un certain temps. C'est pourquoi la fréquence peut d'abord continuer à baisser malgré le réglage qui s'enclenche. Le nadir est le moment où l'inertie, la réaction des charges et la réserve déjà activée compensent tout juste ensemble le déficit.

Distinction avec des grandeurs voisines

Le nadir de fréquence est souvent confondu avec d'autres notions du maintien de la fréquence. La fréquence nominale de 50 Hz est la valeur cible. L'écart de fréquence est la distance à la fréquence nominale à un instant donné. Le RoCoF décrit la rapidité avec laquelle la fréquence varie. L'écart de fréquence quasi stationnaire est le niveau auquel la fréquence se stabilise provisoirement après la première réaction de réglage, avant que le réglage secondaire la ramène à 50 Hz. Le nadir, lui, est le point le plus bas de l'ensemble du premier mouvement de fréquence. Il se situe donc toujours en dessous de la valeur quasi stationnaire ou, au plus, coïncide avec elle.

L'ampleur de la perturbation n'est pas non plus la même chose que le nadir. Une perte de 1 000 mégawatts n'entraîne pas automatiquement une valeur de fréquence déterminée. Dans un grand réseau interconnecté, inerte et bien doté en FCR, elle ne provoque qu'un creux modéré. Dans un réseau plus petit ou moins inerte, la même perte peut provoquer un nadir nettement plus bas. La perturbation est l'impulsion. Le nadir montre dans quelle mesure le système absorbe cette impulsion durant les premières secondes.

De même, il faut distinguer le nadir de la réserve de réglage. La réserve est un moyen de soutenir la fréquence, le nadir est un résultat de l'évolution de la fréquence. Une quantité de réserve suffisante n'assure un nadir non critique que si elle agit assez vite, est activée de façon fiable et n'est pas limitée par des congestions du réseau ou des fonctions de protection.

Valeurs limites en Europe continentale

Dans l'UE, la ligne directrice sur la gestion du réseau de transport, règlement (UE) 2017/1485, régit le maintien de la fréquence. Elle est aussi appelée System Operation Guideline (SOGL). Pour l'Europe continentale, l'article 153 fixe un incident de référence de 3 000 MW dans le sens positif et négatif. La FCR est dimensionnée de manière à couvrir au moins cet incident. Après une telle perte, la fréquence doit rester dans l'écart de fréquence instantané maximal admissible. Elle doit en outre se stabiliser dans l'écart quasi stationnaire maximal.

Pour l'Europe continentale, l'écart de fréquence instantané maximal admissible est de 800 mHz. Traduit en nadir, cela signifie : après une perte allant jusqu'à l'incident de référence, la fréquence ne doit pas tomber sous 49,2 Hz. D'autres zones synchrones ont leurs propres valeurs. Dans la zone synchrone nordique, par exemple, il s'agit de 1 000 mHz. Selon des études d'ENTSO-E, une inertie plus faible n'est jusqu'ici pas critique pour la perte normative de 3 000 MW dans un réseau interconnecté d'un seul tenant. En cas de séparation du système, comme le 4 novembre 2006, elle a en revanche un effet considérable.

Importance pour la technique de protection et la sécurité d'approvisionnement

Le nadir a des conséquences pratiques, car les dispositifs de protection sont réglés sur des seuils de fréquence. Le code de réseau sur l'état d'urgence et la reconstitution du réseau, règlement (UE) 2017/2196, prévoit pour l'Europe continentale un délestage automatique en sous-fréquence. Il commence au plus tard à 49,0 Hz et se poursuit par paliers jusqu'à 48,0 Hz. D'ici là, 45 pour cent de la charge au total doivent avoir été délestés. En Allemagne, les paliers de délestage se situent, selon le plan de protection du système, entre 49,0 et 48,1 Hz. Auparavant, d'autres mesures dépendant de la fréquence sont prévues, par exemple l'arrêt ou le changement de mode des centrales de pompage-turbinage en cas de sous-fréquence.

La marge de sécurité devient ainsi concrète : entre l'objectif de conception de 49,2 Hz et le premier palier de délestage à 49,0 Hz, il n'y a qu'environ 200 mHz. Un nadir bas ne signifie pas qu'une panne d'électricité est imminente. Il montre toutefois que la distance aux seuils de protection se réduit. L'ampleur de cette marge dépend de paramètres techniques et de décisions d'exploitation : quelle quantité de FCR est disponible et avec quelle dynamique, quelles grandes unités peuvent défaillir simultanément et si le système interconnecté reste d'un seul tenant. Le délestage peut empêcher un effondrement de grande ampleur, mais interrompt lui-même l'alimentation de nombreux clients.

Pourquoi la notion gagne en importance avec la transition énergétique

Dans un système électrique comptant de nombreux grands générateurs, une grande partie du premier soutien de fréquence provient de leurs masses tournantes. Les éoliennes, les installations photovoltaïques et les batteries de stockage sont en revanche généralement raccordées par l'électronique de puissance. Sans procédés de réglage particuliers, elles ne contribuent pas d'elles-mêmes à l'inertie. Pour une même perturbation, la fréquence peut alors chuter plus vite, et le nadir est atteint plus tôt et plus bas.

Il n'en découle pas que la production renouvelable soit par principe moins favorable au maintien de la fréquence. Les installations couplées par onduleur peuvent modifier leur puissance très rapidement, si elles sont conçues et réglées en conséquence. Sont possibles un réglage rapide proportionnel à la fréquence, l'inertie synthétique ou les onduleurs formant le réseau, qui imposent leur propre tension et réagissent ainsi de façon analogue à l'inertie. La question technique n'est donc plus seulement de savoir quelle masse tournante est disponible. Il importe aussi de savoir : à quelle vitesse la puissance est-elle modifiée ? Pendant combien de temps peut-elle être maintenue ? Quelle mesure déclenche la réaction ? Quelles exigences impose le raccordement au réseau ?

Le nadir permet de lire si ces réponses suffisent en pratique. Une réserve qui n'agit pleinement qu'après de nombreuses secondes aide pour la suite de l'évolution, mais n'améliore le nadir que de façon limitée. Une réaction très rapide mais brève peut relever le nadir sans garantir à elle seule l'équilibre ultérieur. Le maintien de la fréquence consiste donc en plusieurs fonctions échelonnées dans le temps : réserve instantanée, FCR, rétablissement automatique et manuel de la fréquence.

Malentendus typiques

Énergie au lieu de puissance : pour le nadir, ce qui compte est la rapidité avec laquelle la puissance est disponible au moment de la perturbation, et non la quantité d'énergie disponible sur plusieurs heures. Un grand stockage qui injecte lentement aide moins le nadir qu'une installation plus petite, très rapide.
Inertie égale sécurité : une forte inertie ralentit la chute et fait gagner du temps, mais ne remplace pas la réserve de réglage. Une faible inertie n'est pas automatiquement peu sûre si une puissance de soutien rapide est disponible de façon fiable et si la technique de protection y est adaptée.
Effets spatiaux : dans le système interconnecté, la fréquence est pour l'essentiel une grandeur commune. En cas de séparation du système, un sous-réseau peut toutefois se retrouver soudain avec beaucoup moins d'inertie et de réserve et avec un important déséquilibre. Le nadir possible se déplace alors brusquement.

Cadre institutionnel et économique

Le nadir de fréquence n'est ni un prix de marché ni un objectif politique propre. Il résulte de caractéristiques techniques, de règles d'exploitation et de décisions d'approvisionnement. Les gestionnaires de réseau de transport fixent le dimensionnement, se procurent la réserve de réglage et surveillent l'exploitation. Les exploitants d'installations fournissent des capacités dans la mesure où les règles de raccordement, les marchés ou les contrats l'exigent. Les autorités de régulation décident aussi des coûts reconnus et des services système qui sont rémunérés ou imposés. Lorsque moins de générateurs synchrones sont connectés au réseau, l'inertie et la réponse rapide en puissance doivent être fournies autrement. Sont possibles des stockages, des onduleurs formant le réseau, des exigences minimales pour les installations, des charges pilotables ou des produits d'approvisionnement spécifiques. Chaque solution a ses propres coûts et limites.

À proprement parler, le nadir de fréquence désigne donc uniquement la valeur de fréquence la plus basse après une perturbation soudaine de puissance. Il n'explique pas pourquoi la perturbation est survenue et ne décrit pas l'ensemble de la sécurité d'approvisionnement. Il montre toutefois si le système oppose, dans les premières secondes, une réaction physique et de réglage suffisante avant que les seuils de protection soient atteints.

Sources

Explanatory Note for FCR Dimensioning (Synchronous Area Operational Agreement Continental Europe) — ENTSO-E; unbekannt. Abschnitte zum Dimensionierungskriterium und zum Referenzstörfall
Frequency Stability Evaluation Criteria for the Synchronous Zone of Continental Europe — ENTSO-E, Regional Group Continental Europe; unbekannt. Abschnitt zum normativen Störfall und zur Systemträgheit, Abbildung 1
Frequency Containment Reserve – Aktivierung der Reserven — Deutsche Übertragungsnetzbetreiber (regelleistung.net); unbekannt. Abschnitt Aktivierung der Frequency Containment Reserve
Verordnung (EU) 2017/2196 zur Festlegung eines Netzkodex über den Notzustand und den Netzwiederaufbau des Übertragungsnetzes — Europäische Kommission, Amtsblatt der EU L 312/54; 2017-11-24. Anhang, Tabelle zum automatischen Unterfrequenzlastabwurf
Testplan gemäß Art. 4 Abs. 2 lit. g) der Verordnung (EU) 2017/2196 (Vorschlag der deutschen ÜNB) — Bundesnetzagentur / deutsche Übertragungsnetzbetreiber; 2020-09-22. Kapitel 4.1 Maßnahmen bei Frequenzabweichungen, 4.1.1 Unterfrequenzlastabwurfrelais

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