En quoi les études sur l'intégration des énergies renouvelables dépendent de la précision des modèles d'onduleurs

Principaux enseignements

• • La fiabilité des résultats d'interconnexion des énergies renouvelables dépend entièrement de la qualité du comportement de commande et de protection de l'onduleur représenté dans le modèle.

• • Les modèles moyens sont utiles pour les tâches de criblage peu exigeantes, mais la réponse aux défauts, les études sur les réseaux instables et les contrôles de conformité nécessitent une plus grande précision.

• • Des processus de modélisation transparents permettent aux équipes d'actualiser leurs hypothèses, de répondre aux commentaires des services publics et de veiller à ce que les études restent en phase avec les conditions réelles sur le terrain.

La précision des modèles d'onduleurs détermine si une étude d'intégration des énergies renouvelables permettra d'assurer un raccordement sûr au réseau ou si, au contraire, elle masquera les problèmes précis qu'elle est censée mettre en évidence.

En 2023, l’éolien et le solaire ont produit 13,4 % de l’électricité mondiale; par conséquent, les études de réseau s’appuient désormais bien plus souvent sur le comportement des onduleurs que sur des hypothèses relatives aux machines synchrones. Il est certes encore possible de réaliser une analyse de flux de puissance à l’aide d’un schéma simplifié, mais on n’obtiendra pas de réponse fiable concernant la réponse aux défauts, la capacité de maintien en service ou le contrôle de la tension des lignes de distribution. Les services publics, les consultants et les concepteurs d’installations ont besoin de modèles qui reflètent le comportement réel des contrôleurs et des dispositifs de protection. Ce point est crucial dans toute simulation de réseau électrique intégrant des énergies renouvelables. Une étude qui néglige la limitation de courant, la priorité réactive ou le temps de déclenchement paraîtra parfaite sur le papier, mais échouera lors de l'examen par le gestionnaire de réseau. Les simulations de réseaux électriques intégrant des énergies renouvelables ne deviennent utiles que lorsque le modèle d'onduleur correspond à l'objet de l'étude, à la capacité du réseau et aux paramètres d'interconnexion qui seront mis en service.

Des modèles d'onduleurs précis constituent la base d'études fiables

La fiabilité des études d'intégration des énergies renouvelables repose sur des modèles d'onduleurs qui reproduisent fidèlement le comportement réel de l'installation en matière de commande et de protection. La régulation de tension, les limites de courant, le suivi de phase et la logique de déclenchement déterminent la manière dont l'installation interagit avec le réseau. Si ces fonctions sont simplifiées à l'extrême, l'étude ne correspond plus aux équipements qui seront installés.

Une étude de ligne d'alimentation sur un circuit rural peu chargé met clairement en évidence le problème. Une source de courant simplifiée peut laisser penser que la centrale solaire maintiendra sa puissance active et restera dans les limites de tension en cas de perturbation à proximité. Or, l'onduleur mis en service atteindra son plafond de courant, modifiera sa production réactive et rétablira sa puissance active selon une rampe de contrôle. Cette séquence modifie la tension de la ligne d'alimentation, le déclenchement des relais et le temps nécessaire à la centrale pour revenir à son niveau de production d'avant le défaut.

La précision du modèle est indispensable, car les gestionnaires de réseau n'approuvent pas les raccordements sur la seule base des puissances nominales. Ils évaluent le comportement du système dans des conditions de contrainte qui mettent à l'épreuve les limites des régulateurs et les paramètres de protection. Si le modèle ne parvient pas à reproduire ces détails, les résultats de l'étude deviennent une simple estimation de planification plutôt qu'une base technique permettant d'approuver le raccordement.

« Les études de stabilité du réseau nécessitent des limites explicites pour les onduleurs, car ce sont ces limites qui déterminent le niveau de soutien en tension ou de réponse en puissance active que la centrale peut réellement fournir en cas de perturbation. »

Les modèles classiques ne tiennent pas compte du comportement du réseau que les services publics doivent évaluer

Les modèles d'onduleurs classiques conviennent pour analyser les tendances électriques à long terme, mais ils ne permettent pas de saisir les comportements de courte durée qui déterminent souvent les résultats de l'interconnexion. Les gestionnaires de réseau évaluent les chutes de tension, les événements de commutation, les séquences de réenclenchement et les délais de protection. Ces événements se produisent à des échelles de temps où la dynamique moyenne masque la réponse qu'il est en réalité nécessaire d'observer.

Une centrale solaire de taille moyenne raccordée à proximité d'un banc de condensateurs d'alimentation constitue un exemple pertinent. Un modèle standard permet de montrer une tension en régime permanent acceptable avant et après un événement de commutation. Cependant, il ne rend souvent pas compte du bref dépassement, de la saturation du courant ou de la contrainte subie par la boucle à verrouillage de phase qui suivent le changement brusque. Ces détails sont importants lorsqu'un opérateur souhaite obtenir la garantie que la centrale restera connectée et se rétablira de manière contrôlée.

Cela ne signifie pas pour autant que chaque étude doive s'appuyer sur des modèles de commutation détaillés. Cela signifie en revanche qu'il ne faut pas se contenter d'un modèle standard pour les questions relatives à la résistance aux pannes, aux déclenchements intempestifs ou à l'interaction entre relais. Les modèles standard permettent certes de répondre efficacement aux questions simples, mais ils présentent des lacunes précisément là où les exigences des gestionnaires de réseau se font le plus strictes.

Les boucles de régulation déterminent la réponse en tension lors de perturbations solaires

Les boucles de régulation déterminent la manière dont un onduleur réagit lorsque la tension s'écarte des conditions nominales. Le suiveur de phase, le régulateur de courant interne et les boucles de tension ou de puissance externes contribuent chacun à la réponse. Leurs réglages déterminent la rapidité avec laquelle le courant réactif apparaît, la stabilité de la réponse et la fluidité du retour de la puissance active.

Une chute de tension sur une ligne d'alimentation faible illustre bien ce principe. Un ensemble de régulateurs peut injecter du courant réactif assez rapidement pour aider à rétablir la tension locale, puis rétablir la puissance active sans oscillation. Un autre ensemble peut, au contraire, dépasser les limites, atteindre les seuils de courant maximaux et provoquer une deuxième variation de tension lorsque la centrale tente de reprendre l'exportation. Les deux centrales peuvent avoir la même puissance nominale tout en se comportant de manière très différente.

On ne peut pas étudier la stabilité du réseau en cas de forte pénétration des énergies renouvelables en se basant uniquement sur les données nominales ou sur des blocs de contrôle génériques. C'est au niveau des boucles de régulation que le comportement d'une installation se transforme en comportement du système. Si ces boucles sont absentes ou mal réglées dans le modèle, il est impossible de déterminer si un problème de tension provient de la ligne de distribution, du régulateur de l'installation ou de l'interaction entre les deux.

Les fonctions de protection déterminent si les résultats de l'interconnexion sont fiables

La modélisation de la protection permet de déterminer si une étude de raccordement reflète le comportement réel de l'installation en cas de conditions de réseau anormales. Les seuils de tension et de fréquence, les temporisations de maintien en tension, les délais de réenclenchement et la logique anti-îlotage influencent tous le résultat. Un modèle dépourvu de ces fonctions peut sembler stable jusqu'au moment même où l'installation se déclenche.

Un défaut momentané sur la ligne d'alimentation le montre clairement. Le réseau peut se rétablir sans heurts et la tension du bus revenir à la normale, mais l'installation se déconnectera tout de même si le temporisateur de sous-tension ou la plage de fréquence sont réglés sur des valeurs plus strictes que celles prévues dans l'étude. Cette seule différence modifie la contribution au défaut, la charge après le défaut et le profil de tension perçu par les clients voisins.

C'est également sur la question de la protection que naissent souvent les divergences d'opinion. Les services publics examinent les paramètres, et pas seulement l'intention de contrôle, et de légères différences de synchronisation peuvent faire basculer un résultat de « acceptable » à « non conforme ». Il est donc nécessaire que le modèle d'onduleur intègre les mêmes seuils et délais que ceux que le personnel de mise en service appliquera sur le terrain.

La fidélité du modèle doit d'abord correspondre à l'objet de l'étude

Le niveau de précision du modèle doit être choisi en fonction de l'objectif de l'étude, des conditions du réseau et des exigences du service public. Un modèle simple convient pour évaluer les hausses de tension ou la charge des lignes d'alimentation dans des conditions normales. Des modèles détaillés de commande et de protection sont nécessaires lorsque l'étude doit déterminer le comportement de l'installation en cas de défauts, de fonctionnement en réseau affaibli ou d'essais de conformité.

Vous pouvez déterminer s'il est nécessaire d'opter pour une plus grande fidélité à l'aide d'une série de vérifications rapides :

• • L'étude porte sur la capacité à résister à une rupture de ligne ou sur la reprise après une rupture de ligne.

• • Le circuit d'alimentation est suffisamment instable pour que le suivi de phase puisse nuire à la stabilité.

• • Les paramètres de protection seront examinés dans le cadre de l'interconnexion.

• • Les fonctions de régulation de tension fonctionneront à des valeurs proches des limites de courant.

• • La conformité dépend des fonctions spécifiques de l'onduleur et des minuteries.

Les équipes perdent souvent du temps parce qu’elles partent du modèle dont elles disposent déjà au lieu de celui qu’exige la problématique. SPS SOFTWARE est la solution idéale à ce stade, lorsque vous avez besoin de blocs de contrôle modifiables et de paramètres transparents pouvant être adaptés à un ensemble d’études de service. Ce type de flux de travail vous aide à passer des études préliminaires à l’analyse détaillée sans avoir à reconstruire de zéro l’ensemble du modèle de l’installation.

« La fiabilité des études d'intégration des énergies renouvelables repose sur des modèles d'onduleurs qui reproduisent le comportement réel de la centrale en matière de commande et de protection. »

Les études de stabilité du réseau nécessitent que les limites des onduleurs soient clairement indiquées

Les études de stabilité du réseau nécessitent des limites explicites pour les onduleurs, car ce sont ces limites qui déterminent le niveau de soutien en tension ou de réponse en puissance active que l'installation peut réellement fournir en cas de perturbation. Les plafonds de courant, les règles de priorité réactive, les limites de rampe et les contraintes de suivi de phase définissent la réponse de l'installation. Si ces limites ne sont pas prises en compte, l'étude surestimera la capacité du réseau.

Les ajouts de capacité prévus aux États-Unis pour 2024 dans le secteur des centrales électriques comprenaient 58 % d'énergie solaire et 23 % de stockage par batterie, ce qui signifie que davantage d'études porteront sur les limites des onduleurs plutôt que sur l'inertie des machines tournantes. Une centrale qui semble maintenir la tension lors d'une perturbation peut cesser de contribuer dès que son allocation de courant atteint la limite fixée par le contrôleur. Une autre centrale peut résister au même événement uniquement parce que sa priorité réactive est réglée différemment.

Le point de contrôle ci-dessous met en évidence les cas où les hypothèses simplifiées ne tiennent généralement plus la route.

Les vérifications selon la norme IEEE 1547 échouent lorsque le comportement de l'onduleur est trop simplifié

Les études de conformité à la norme IEEE 1547 échouent lorsque le modèle d'onduleur ne prend pas en compte les fonctions précises que la norme attend d'une ressource distribuée. La régulation de tension, la réponse en fréquence, la capacité de maintien en service, la logique de mise en service et les délais de déclenchement des protections doivent toutes être prises en compte. Un bloc générique de source d'énergie renouvelable ne peut à lui seul répondre à ces critères de conformité.

Lors d'une étude technique visant à mettre à niveau une ligne d'alimentation solaire, il est souvent demandé de prouver que la centrale restera connectée au réseau malgré des variations de tension et de fréquence définies, tout en respectant les paramètres de protection. Un modèle simplifié peut montrer une exportation d'énergie stable et une tension de ligne acceptable, mais il ne permet pas de prouver que la courbe tension/puissance réactive de la centrale, sa réponse en fréquence-puissance et son délai de reconnexion correspondent aux paramètres approuvés. C'est cette lacune qui fait perdre toute crédibilité aux études de conformité.

Vous devez considérer les vérifications selon la norme IEEE 1547 comme une vérification du comportement. L'étude doit démontrer comment l'onduleur configuré réagira dans les mêmes conditions que celles prévues par la norme. Si le modèle ne permet pas de modéliser ces fonctions, l'étude ne pourra pas étayer de manière fiable les travaux de raccordement au réseau.

Des flux de travail transparents permettent de mener des études reproductibles sur les réseaux d'énergie renouvelable

La fiabilité des études sur les réseaux renouvelables repose sur des modèles transparents que les ingénieurs peuvent examiner, ajuster et valider par rapport aux hypothèses des gestionnaires de réseau. Il est essentiel de pouvoir consulter la structure de contrôle, les paramètres de protection et les limites imposées, sans aucune logique cachée. C'est cette transparence qui permet à votre équipe de s'appuyer pleinement sur les résultats d'une simulation.

Un bon processus de travail permet de veiller dès le départ à ce que le modèle d'onduleur soit cohérent avec le schéma unifilaire, les réglages des régulateurs de l'installation et le périmètre de l'étude du réseau. Lorsqu'une remarque issue de la révision demande une courbe V/VAR différente ou un délai de reconnexion différent, vous devriez pouvoir modifier directement le modèle et en suivre l'effet sur la réponse de la ligne de distribution. Cette rigueur réduit les retouches et rend les mises à jour de l'étude beaucoup moins fragiles.

SPS SOFTWARE trouve toute sa place dans ce constat final, car ses modèles transparents et fondés sur la physique vous aident à tester le comportement exact qu’un gestionnaire de réseau mettra en avant et avec lequel un opérateur devra ensuite composer. Une modélisation précise des onduleurs ne sera jamais un simple plus dans le cadre des travaux d’intégration des énergies renouvelables. C’est ce qui fait la différence entre une étude qui guide les actions techniques et une étude qui donne seulement l’impression d’être complète.