Comment la modélisation EMT et RMS sert différentes études sur les réseaux électriques

Principaux enseignements

• Les méthodes EMT et RMS servent à des fins d'étude différentes, car elles traitent des phénomènes physiques distincts à des échelles de temps différentes.
• Les détails de protection, les commandes du convertisseur et les effets de sous-cycle sont autant d'indications claires qui montrent que l'EMT est le choix le plus approprié.
• La qualité d'un modèle dépend autant de la validation des paramètres et du contrôle de la portée que du niveau de détail de la simulation.

Optez pour la méthode EMT lorsque l'étude repose sur les détails de la forme d'onde, et optez pour la méthode RMS lorsque l'étude repose sur le comportement électromécanique à faible fréquence.

Cette distinction revêt aujourd’hui une importance accrue, car la production à base de convertisseurs ne cesse d’introduire des commandes rapides dans des systèmes autrefois dominés par les machines synchrones. L’énergie éolienne et solaire a fourni 13,9 % de l’électricité mondiale en 2023, ce qui signifie que de plus en plus d’études portent désormais sur les commandes des onduleurs, la réponse aux défauts et les effets de commutation. Vous obtiendrez de meilleures réponses lorsque votre modèle correspondra aux lois physiques qui déterminent le résultat. À l’inverse, vous aurez une confiance trompeuse s’il ne correspond pas.

« Une simulation de transitoires électromagnétiques est réalisée pour les événements où la forme de l'onde influe sur le résultat. »

EMT suit les formes d'onde tandis que RMS suit le comportement des vecteurs

L'EMT et la RMS se distinguent principalement par ce qu'elles prennent en compte et ce qu'elles ignorent. L'EMT suit les tensions et les courants instantanés à des intervalles de temps très courts. La RMS remplace les formes d'onde rapides par des phasors et des grandeurs moyennes. L'EMT offre une grande fidélité de la forme d'onde, tandis que la RMS permet une analyse plus rapide.

Un défaut sur une ligne d'alimentation illustre clairement cette différence. L'EMT indique l'angle exact d'apparition du défaut, le décalage en courant continu et la manière dont un disjoncteur ou un convertisseur réagit en quelques microsecondes ou millisecondes. Le RMS représente le même événement sous la forme d'une perturbation phasorielle équilibrée ou déséquilibrée, avec une réponse beaucoup plus régulière. Cela suffit souvent lorsque l'on s'intéresse à la récupération de la tension, à la redistribution du flux de puissance ou à l'évolution de l'angle du rotor.

Ce qui importe, ce n'est pas la sophistication du modèle, mais sa pertinence. La simulation des transitoires électromagnétiques est conçue pour les situations où la forme de l'onde influe sur le résultat. La modélisation RMS est quant à elle destinée aux cas où l'état sinusoïdal moyen fournit la réponse. Si votre résultat dépend de ce qui se passe au cours d'un cycle, l'abstraction par phasors masquera trop d'informations.

Les modèles RMS permettent de réaliser des études de stabilité avec une dynamique plus lente

Les modèles RMS constituent la solution idéale lorsque la problématique étudiée s'inscrit sur une échelle de temps plus lente que la forme d'onde à fréquence industrielle. Ils modélisent efficacement les variations électromécaniques, la régulation de tension et la réponse en fréquence. Ils prennent également en charge les réseaux de grande envergure et de nombreuses situations de défaillance sans entraîner de temps de calcul excessif. Cela en fait un choix pratique pour les travaux sur la stabilité.

Une étude sur les déclenchements de générateurs explique pourquoi. On cherche généralement à savoir comment la fréquence chute, comment les régulateurs réagissent, comment les régulateurs automatiques de tension maintiennent la tension, et si les angles du rotor restent dans les limites autorisées. Aucune de ces réponses ne dépend d'impulsions de commutation individuelles ni d'effets d'ondes progressives. Un modèle RMS permet d'analyser de nombreuses perturbations sur un réseau de transport et de comparer rapidement des scénarios d'exploitation plausibles.

Vous devez toutefois rester rigoureux quant à la portée du modèle. La RMS ne compensera pas une mauvaise représentation des commandes, de la récupération de charge ou de la logique de protection. Elle vous offre simplement un ajustement solide pour les comportements plus lents. Lorsque les critères de réussite ou d'échec sont l'amortissement, la stabilisation, le nadir de fréquence ou la récupération de tension après défaut, la RMS vous donnera généralement la réponse dont vous avez besoin avec moins de complexité de modélisation.

Les modèles EMT s'adaptent aux études présentant un comportement de commutation entre sous-cycles

Les modèles EMT conviennent aux études dans lesquelles les détails subcycliques déterminent le résultat. Ils modélisent directement les événements de commutation, les boucles de régulation rapides, les effets de saturation et les formes d'onde non sinusoïdales. Cela en fait l'outil idéal pour la commutation des convertisseurs, les courants d'appel des transformateurs et de nombreuses études de défauts détaillées. Les modèles RMS lissent ces mécanismes.

Le cas de la mise sous tension d'un transformateur en est une illustration simple. La crête du courant d'appel dépend du flux résiduel, de la fermeture au point d'une onde et de la saturation du noyau, phénomènes qui se produisent tous en quelques fractions de cycle. Un modèle RMS peut donner une approximation de l'événement, mais il ne reproduira pas la forme d'onde réelle perçue par un relais, un filtre ou un contrôleur de convertisseur. La même limite apparaît avec les convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion et les interactions de contrôle du circuit intermédiaire.

Les transitoires électromagnétiques ne servent pas seulement à obtenir une forme d'onde plus esthétique. Il s'agit de modéliser le mécanisme à l'origine d'un déclenchement, d'une surtension ou d'une instabilité de contrôle. Si ce mécanisme se situe au sein du cycle, votre modèle doit lui aussi s'y situer. C'est pourquoi les transitoires électromagnétiques revêtent une importance capitale lorsque les effets de commutation et les effets non linéaires font partie des paramètres à étudier.

La durée de l'étude devrait déterminer le choix de votre modèle

L'échelle de temps constitue le critère de sélection le plus rapide et le plus fiable pour choisir un modèle. Une étude où prédominent les secondes et les mouvements électromécaniques relève du modèle RMS. Une étude où prédominent les microsecondes, les millisecondes ou les effets ponctuels sur l'onde relève du modèle EMT. Dans les cas mixtes, il vous appartient de déterminer quelle bande de temps détermine réellement le résultat (réussite ou échec).

À première vue, les séquences de protection et de commande semblent souvent complexes. Un défaut peut se déclencher en quelques microsecondes, déclencher la logique des relais en quelques millisecondes et modifier la fréquence du réseau en quelques secondes. Le choix de votre modèle doit dépendre du moment de la décision, et non de la durée de l'événement. Si vous avez seulement besoin de connaître le rétablissement du réseau après la suppression d'un défaut, la méthode RMS suffit. Si vous souhaitez savoir pourquoi le relais s'est déclenché tardivement ou pourquoi le convertisseur s'est bloqué, la méthode EMT constitue le choix le plus sûr.

C'est également dans ce contexte que la transparence des processus de travail revêt toute son importance. SPS SOFTWARE vous permet de conserver des modèles consultables et modifiables, afin que vous puissiez choisir le niveau de détail de manière réfléchie, plutôt que de considérer le simulateur comme une boîte noire. Les équipes travaillent plus rapidement lorsqu'elles peuvent identifier les équations et les hypothèses qui déterminent le résultat.

Les études de protection nécessitent souvent des informations plus détaillées que celles fournies par les modèles RMS

Les études de protection nécessitent souvent davantage de détails que ne peut en fournir la valeur efficace (RMS), car les relais réagissent à des grandeurs qui varient au cours d'un cycle. L'angle d'apparition du défaut, le décalage de courant continu, la saturation du transformateur de courant et les transitoires du transformateur de tension peuvent modifier les mesures du relais. L'EMT (Effet de temps réel) rendra compte directement de ces effets. La valeur efficace (RMS) a souvent tendance à les lisser, donnant ainsi une image plus nette de l'événement que celle perçue réellement par le relais.

Un relais de distance sur une ligne longue constitue un bon exemple. L'impédance apparente au cours des premiers cycles suivant un défaut peut varier en raison des transitoires des transformateurs de courant, de la résistance du défaut et de la distorsion de la forme d'onde. Un relais différentiel peut également réagir de manière inappropriée lorsque la saturation des transformateurs de courant provoque une distorsion plus importante d'un côté que de l'autre. Ce ne sont pas là des détails insignifiants lorsque votre étude cherche à déterminer pourquoi un déclenchement s'est produit ou pourquoi il n'a pas eu lieu.

La méthode RMS a toujours sa place dans les travaux de protection. Elle s'avère utile pour les vérifications générales de coordination, les marges de calibrage et les analyses de défauts à grande échelle, lorsque le processus de mesure des relais lui-même n'est pas soumis à des essais. Dès lors que l'étude passe de l'examen des réglages à l'analyse du comportement des relais en situation de contrainte, la méthode EMT devient bien plus qu'un simple raffinement. Elle devient la classe de modèles qui correspond à la physique de la protection.

Les systèmes comportant de nombreux convertisseurs orientent les études vers l'EMT

Les systèmes comportant de nombreux convertisseurs poussent à recourir à la modélisation EMT, car les commandes des convertisseurs réagissent à des échelles de temps que les modèles phasoriques ont souvent tendance à compresser de manière trop radicale. Les commandes d'asservissement au réseau, les limitations de courant, les boucles à verrouillage de phase et la dynamique du circuit intermédiaire peuvent interagir en l'espace de quelques millisecondes. Ces interactions peuvent déterminer la stabilité, la réponse des dispositifs de protection ou les contraintes subies par les équipements. La modélisation RMS peut passer à côté de ces phénomènes, même lorsque le réseau dans son ensemble semble fonctionner lentement.

Une centrale solaire en réseau isolé en est un exemple bien connu. Les chutes de tension, la limitation de courant et le suivi de phase peuvent entraîner un comportement qui semble stable lorsqu’il est représenté en valeur efficace moyenne, mais qui devient oscillatoire ou bloqué en temps réel (EMT). Cela revêt une importance croissante à mesure que la pénétration des convertisseurs augmente. La production photovoltaïque solaire ayant augmenté de 25 % en 2023, vous serez amenés à traiter davantage d’études où les détails relatifs aux onduleurs feront partie intégrante de la problématique principale.

Il n'est pas nécessaire de recourir à l'EMT pour chaque cas de convertisseur. Une représentation par valeurs moyennes bien validée peut tout à fait suffire pour de nombreuses études de planification. Il faut toutefois se méfier lorsque les limites de contrôle, les harmoniques, le couplage en courant continu ou les interactions avec un réseau faible se situent à proximité de l'événement qui vous intéresse. Dès lors que ces paramètres s'approchent des limites de performance acceptables, la modélisation au niveau des formes d'onde n'est plus facultative.

Les gains en termes de précision s'accompagnent d'un coût plus élevé pour le modèle

L'EMT fournit davantage de détails physiques, mais nécessite également plus de données, plus de calculs et plus de rigueur dans la construction du modèle. Le RMS est moins exigeant et fournit souvent des réponses plus rapidement. Le meilleur choix est celui qui permet de saisir le mécanisme décisif avec le moins de contraintes superflues possible. Un niveau de détail plus élevé n'apporte rien si ces détails supplémentaires sont mal connus.

Une étude à l'échelle de l'installation permet d'illustrer ce compromis. Un réseau RMS doté de modèles validés de machines et de contrôleurs peut vous permettre de tester des dizaines de scénarios en autant de temps qu'il en faut pour configurer et exécuter une seule simulation EMT. Cette rapidité est essentielle lorsque vous examinez des points de fonctionnement, des conditions saisonnières ou des réglages de protection. L'EMT devient coûteux lorsque les commutateurs, les blocs de commande et les éléments non linéaires nécessitent tous un paramétrage minutieux.

Le principal risque réside dans une fausse précision. Un modèle EMT dont les gains du contrôleur ont été estimés ou pour lequel les données de saturation du transformateur font défaut peut sembler fiable alors qu'il répond à une mauvaise question. La valeur RMS a ses propres limites, mais elle impose souvent une simplification plus claire. Vous ferez de meilleurs choix si vous considérez la fidélité du modèle comme un outil ciblé plutôt que comme un gage de sérieux.

« Le principal risque, c'est la fausse précision. »

Un outil pratique pour choisir entre EMT et RMS

Vous devriez choisir le modèle le plus simple qui permette néanmoins de rendre compte des mécanismes physiques déterminants pour le résultat. La méthode RMS est la plus appropriée lorsque ce sont des grandeurs moyennes qui répondent à la question posée par l'étude. La méthode EMT est la plus appropriée lorsque ce sont la commutation, l'interaction avec les commandes, l'apparition d'un défaut ou la mesure des relais qui déterminent le résultat. Définir clairement l'objectif du modèle permet de gagner du temps et d'éviter une confiance mal placée.

Utilisez cet écran avant de créer ou d'affiner un modèle :

• Optez pour la méthode RMS lorsque vos critères de réussite ou d'échec sont la fréquence, l'angle du rotor ou une remontée de tension plus lente.
• Optez pour l'EMT lorsque le résultat dépend de la forme d'onde au niveau des sous-cycles ou des événements de commutation.
• Optez pour l'EMT lorsque le comportement du relais dépend de la saturation, de la distorsion ou des effets de point sur onde.
• Optez d'abord pour RMS lorsque vous avez besoin d'un dépistage complet des risques dans un système de grande envergure.
• Choisissez le modèle dont les paramètres ont été le mieux validés lorsque les deux modèles semblent plausibles.

Ce jugement s'affine avec la pratique, et s'améliore encore davantage lorsque les modèles restent suffisamment ouverts pour permettre d'en examiner les hypothèses. SPS SOFTWARE est parfaitement adapté à ce type de travail, car une modélisation claire et fondée sur la physique aide les équipes à expliquer les résultats plutôt que de se contenter de les présenter. Les études de qualité reposent sur un périmètre bien défini, des paramètres validés et la volonté de réduire le niveau de détail lorsque cela permet d'obtenir la bonne réponse.