Modélisation des systèmes de stockage d'énergie par batterie dans le cadre d'études sur le soutien au réseau électrique

Principaux enseignements

• • Un modèle de soutien au réseau doit représenter la batterie, l'onduleur et le contrôleur de la centrale comme un seul et même système d'exploitation.

  • Les limites d'état de charge et les limites de puissance côté courant continu influencent la disponibilité du service tout autant que la puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique de l'onduleur.

  • Des études fiables permettent de vérifier le fonctionnement normal, les défaillances et les transferts de contrôle sur toute la plage de fonctionnement.

Pour modéliser avec précision un système de stockage d'énergie par batterie destiné à soutenir le réseau, il est nécessaire de définir les limites d'état de charge et le comportement de commande de l'onduleur en cas de défaut.

De simples modules de batteries permettent d’estimer le débit d’énergie, mais ils ne résisteront pas à une étude approfondie du soutien au réseau. L’examen de l’interconnexion, les contrôles de protection et l’évaluation des codes de réseau dépendent tous du comportement de l’onduleur en cas de chute de tension, lorsque le courant atteint une limite ou lorsque la batterie fonctionne à la limite de ses capacités. La capacité de stockage par batterie à l’échelle des services publics aux États-Unis est passée de 9,1 GW à la fin de 2022 à 15,5 GW à la fin de 2023. Cette croissance rend la modélisation approximative plus coûteuse, car davantage de projets font désormais l’objet d’une analyse technique approfondie.

Vous n'obtiendrez un modèle utile que si la batterie, l'onduleur et le contrôleur de l'installation sont considérés comme un seul et même système d'exploitation. Un chargeur ou une source de décharge relié à un bus ne vous fournira pas suffisamment d'informations sur la priorité du courant réactif, la réduction de puissance ou le blocage de charge à proximité d'un état de charge élevé. Cette simplification masquera les limites qui comptent lorsque le réseau est soumis à des contraintes. Les études de soutien au réseau nécessitent une logique de contrôle qui définit le comportement en conditions normales de fonctionnement et lorsque le réseau est soumis à des contraintes.

Un modèle BESS pertinent commence par la question de recherche

Un modèle BESS efficace commence par le service ou la perturbation que vous souhaitez étudier. Ce choix détermine la précision du modèle, le pas de temps et le niveau de détail des commandes. Le maintien de la fréquence, la régulation de la tension et la capacité à résister aux défauts sollicitent l’installation de différentes manières. Vous gagnerez du temps si la portée du modèle correspond exactement à l’objectif de l’étude.

Une étude de tension d'alimentation nécessite généralement une couche de contrôle de l'onduleur, un transformateur de site, l'impédance du collecteur et la logique d'état de charge, tandis qu'une estimation du vieillissement thermique requiert beaucoup plus de détails sur la batterie et moins de détails sur le réseau. Un défaut phase-terre sur un bus faible va repousser les limites de courant et modifier les priorités de contrôle ; la modélisation des transitoires électromagnétiques devient alors cruciale. Une vérification du report d’énergie à un jour peut souvent se contenter d’un niveau de complexité moindre si la question porte uniquement sur la faisabilité de la mise en service. Cette différence déterminera la structure de votre modèle avant même que vous ne placiez le moindre bloc. La plupart des étapes de simulation d’un système de stockage d’énergie par batterie s’inscrivent dans une séquence concise :

• Définissez le service de réseau ou la perturbation que vous souhaitez tester.
• Choisissez un niveau de précision du modèle adapté à l'échelle temporelle de l'étude.
• Définir la capacité de la batterie, l'état de charge initial et les plages de réserve.
• Représenter les limites de l'onduleur, les filtres et la logique de protection.
• Rédiger les critères de conformité pour la tension, le courant, la puissance et la récupération

Les études sur le soutien au réseau nécessitent un modèle de contrôle des onduleurs de batterie

Les études de soutien au réseau nécessitent un modèle de commande d'onduleur, car c'est l'onduleur qui détermine la manière dont la centrale injecte du courant actif et réactif. Ce comportement définit le soutien de tension aux bornes, le suivi de puissance et la récupération après un incident. Un bloc-batterie dépourvu de boucles de commande ne reproduira pas le mécanisme tel que le réseau le perçoit réellement. Vous modélisez un convertisseur de puissance contrôlé, et pas seulement de l'énergie stockée.

Un ensemble de commandes utile comprend généralement le suivi de phase, des boucles de courant internes, des boucles externes de puissance active et réactive, la hiérarchisation des courants, des limites de rampe et des filtres de mesure. Prenons l’exemple d’une installation chargée de maintenir une puissance de 0 MW et de fournir un soutien réactif lors d’une chute de tension locale. Les cellules de la batterie disposent encore d’énergie, mais la réponse du réseau dépend de la manière dont le convertisseur redistribue le courant et de la rapidité avec laquelle la boucle externe transfère le contrôle. C’est pourquoi la modélisation d’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) destiné au soutien du réseau ne peut se limiter aux kilowatts, aux kilowattheures et au rendement aller-retour. Le réseau s’intéresse au courant commandé par l’onduleur, à sa logique de saturation et à son chemin de récupération une fois l’événement résolu.

L'état de charge doit servir de limite de fonctionnement

L'état de charge doit servir de limite de fonctionnement, car il influe directement sur la capacité de la centrale à absorber ou à fournir de l'énergie. Un modèle qui ne tient pas compte de cette limite surestimera la disponibilité du service. 

« Les études sur le soutien au réseau sont souvent rejetées lorsque la batterie semble capable de se charger ou de se décharger indéfiniment. »

Une batterie dont l’état de charge est de 95 % ne peut pas continuer longtemps à absorber de la puissance active lors d’un soutien en cas de surfréquence, même si la plaque signalétique de l’onduleur indique le contraire. Une installation dont l’état de charge est de 10 % ne peut pas garantir une décharge soutenue en cas de sous-fréquence sans enfreindre la politique de réserve. Les bons modèles intègrent des seuils supérieurs et inférieurs, un blocage de charge et de décharge, une hystérésis pour éviter les oscillations, ainsi que des marges de réserve opérateur qui conservent de l’énergie pour l’événement suivant. Cette structure est essentielle lors de la simulation des services de réseau liés au stockage par batterie, car l’offre de service et la réponse physique sont liées au même état énergétique. Si vous ignorez ces limites, vos graphiques sembleront stables alors que votre logique d’exploitation est déjà impossible.

Les limites de puissance de la batterie devraient varier en fonction de l'état des cellules

Les limites de puissance d'une batterie doivent varier en fonction de l'état des cellules, car le côté courant continu ne se comporte pas comme un réservoir d'énergie fixe. La puissance disponible varie en fonction de la tension aux bornes, de la température, de la résistance interne et de l'état de charge. Un bloc-batterie à puissance constante masquerait ces variations. Il faut donc des limites de puissance qui s'adaptent au point de fonctionnement.

Une batterie froide dont l’état de charge est faible présente souvent une limite de décharge plus stricte que la même batterie à un état de charge moyen et à une température modérée. Cela signifie que le courant demandé par l’onduleur peut dépasser ce que la source CC est capable de fournir, ce qui entraîne une réduction de la puissance ou un effondrement de la tension CC dans le modèle. Une approche utile consiste à établir une courbe représentant les capacités de charge et de décharge en fonction de l’état de charge et de la température, puis à intégrer ces limites dans les commandes de l’onduleur. Cette étape supplémentaire est importante lors de la simulation des commandes d’un onduleur de stockage par batterie, car le contrôleur CA ne peut demander que la puissance que le côté CC est réellement en mesure de fournir.

La logique de commande de l'installation doit être intégrée au modèle du variateur

La logique de commande de l'installation doit être intégrée au modèle de l'onduleur, car la gestion de la production et le soutien du réseau sont liés au sein d'une même chaîne de commande. Les consignes relatives à la puissance active, à la puissance réactive, à la chute de tension et au facteur de puissance passent toutes par des limites et une logique de mode avant que le courant ne soit produit. Un modèle destiné à la recherche doit illustrer clairement ces transitions. Vous vérifiez le comportement commandé, et pas seulement la production en régime permanent.

Une batterie de service à laquelle on demande d’exporter 20 MW tout en respectant un objectif de puissance réactive se comportera différemment de la même installation soumise à un contrôle de tension avec priorité à la puissance réactive. Les bandes mortes, les rampes, les filtres de consigne et les règles de priorité déterminent quelle commande prévaut lorsque le réseau demande plus que ce que le convertisseur peut fournir. C’est précisément pour cette raison que de nombreuses équipes conçoivent le contrôleur de l’installation, le contrôleur de l’onduleur et les limites de la batterie sous forme de blocs connectés plutôt que d’éléments séparés. SPS SOFTWARE s’adapte parfaitement à ce flux de travail, car il permet d’inspecter et de modifier la structure de contrôle au lieu de la traiter comme un composant hermétique. Cette transparence s’avère utile lorsqu’un réviseur demande pourquoi la centrale a réduit sa puissance active lors d’un événement de tension ou a refusé une commande de charge alors que l’état de charge était proche de la capacité maximale.

Les études sur les défauts nécessitent la limitation du courant des onduleurs en cas de chutes de tension

Les études de défauts nécessitent de limiter le courant des onduleurs lors des chutes de tension, car le matériel du convertisseur plafonne le courant même lorsque le réseau demande un soutien supplémentaire. Le contrôleur doit alors choisir comment répartir le courant limité entre les composantes actives et réactives. Ce choix influe sur la tension aux bornes, la contrainte sur le circuit intermédiaire et la récupération après défaut.

« Sans cette logique de limitation, il est impossible de modéliser de manière fiable la réponse des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) en cas de défauts sur le réseau. »

Une chute de tension triphasée à 0,5 par unité en est un exemple clair. Le contrôleur externe peut demander un soutien réactif important pour aider le bus à se rétablir, mais les boucles internes ont toujours une limite maximale de courant (circulaire ou rectangulaire) qui ne peut être dépassée. Certaines installations donnent la priorité au courant réactif pendant la chute de tension, puis rétablissent la puissance active après une période de rétablissement chronométrée. D’autres maintiennent un rapport fixe ou appliquent des seuils de protection qui réduisent momentanément la puissance de sortie. Ces détails ont une incidence sur le courant de défaut détecté par les dispositifs de protection et affectent également le respect des règles de maintien en service. Un modèle qui injecte un courant illimité paraîtra utile sur un graphique, mais ne fournira aucune information utile sur l’onduleur réel.

Les études sur les services de réseau devraient tester les transitions entre les différents états de fonctionnement

Les études relatives aux services de réseau doivent tester les transitions entre les différents états de fonctionnement, car de nombreux problèmes surviennent lors du passage d'un état à l'autre, et non pendant le fonctionnement en régime permanent. La charge, la décharge, la mise en veille, le soutien réactif et la reprise après défaut font chacun appel à des limites et à des voies de contrôle différentes. Une installation peut réussir un test statique tout en échouant lors du passage d'un mode à un autre. Il est donc nécessaire d'inclure les transitions d'état dans le plan d'étude.

Un point faible courant apparaît lorsqu’une centrale passe d’un mode de charge nocturne à un mode de soutien de tension à la suite d’une perturbation sur une ligne d’alimentation. La chaîne de commande bascule, la priorité de courant change, et le contrôleur d’état de charge peut bloquer la poursuite de la charge tandis que le contrôleur réactif demande un soutien immédiat. Un autre point faible apparaît lorsque la réponse en fréquence fait passer l’installation du mode veille au mode de décharge à proximité d’un seuil d’énergie bas. Ces transitions peuvent déclencher une limitation de rampe, un verrouillage de mode ou des zones mortes temporaires qui n’apparaîtront pas dans un instantané de fonctionnement isolé. La simulation des services de réseau fournis par le stockage par batterie doit inclure ces changements de fonctionnement, car le soutien au réseau est une séquence d’états, et non un point continu sur un graphique de capacités.

La validation doit couvrir l'ensemble de la plage de fonctionnement de l'installation

La validation doit couvrir l'ensemble de la plage de fonctionnement de l'installation, car un modèle de stockage n'est crédible que s'il se comporte correctement dans toutes les conditions de fonctionnement auxquelles il sera confronté. Un graphique « propre » à un état de charge intermédiaire ne prouve pas grand-chose. Il faut effectuer des vérifications à proximité des limites d'énergie, à proximité des limites de courant et dans toutes les conditions de tension du réseau. C'est la norme à respecter pour éviter que des commentaires de révision ne reviennent plus tard.

Projets prévus par les développeurs 14,3 GW de nouvelle capacité de stockage par batterie à l'échelle industrielle aux États-Unis d'ici 2024. Ce volume signifie que davantage de projets de stockage seront évalués en fonction de la crédibilité du modèle, tant en conditions normales de fonctionnement que lors d’événements exceptionnels. Un ensemble de validation solide inclut des cas de niveau de charge faible et élevé, des modes de charge et de décharge, des points de réseau faibles et rigides, des creux de tension, des événements de fréquence, ainsi que la récupération du contrôleur après saturation. SPS SOFTWARE s’avère utile à ce stade, car la structure ouverte du modèle facilite le suivi et l’explication de ces vérifications. Les études de stockage de qualité ne se soldent pas par un échec uniquement en raison de la taille des batteries. Elles échouent lorsque le modèle ne parvient pas à justifier comment les limites et les contrôles influencent le comportement sur l’ensemble de la plage de fonctionnement.