Guide complet sur la protection des réseaux électriques et la simulation EMT en temps réel

Principaux enseignements

• Les analyses EMT constituent la méthode de référence lorsque les commandes des convertisseurs, les dispositifs de protection ou les conditions de réseau instables déterminent le résultat, les outils de phasors étant réservés à l'analyse à l'échelle du réseau.
• Le pas de temps dépend de l'événement le plus rapide que vous devez traiter, et ce même choix détermine quelles parties d'un modèle restent sur le processeur et lesquelles sont transférées vers le FPGA.
• Le choix du logiciel doit privilégier un modèle permettant de passer de la simulation hors ligne aux tests matériels en temps réel sans avoir à le recompiler.

La simulation EMT vous montre comment un réseau se comporte au cours des premières millisecondes suivant une perturbation, moment où se joue désormais le succès ou l'échec des réseaux à forte densité d'onduleurs.

Les machines synchrones servaient autrefois à déterminer le rythme d’une perturbation, et les outils de modélisation par phaseurs permettaient de bien saisir ce rythme à des fins de planification. Les développeurs américains prévoient que l’énergie solaire fournira plus de la moitié des 64 GW de capacité de production prévus pour 2025, le stockage par batterie représentant une grande partie du reste. Ces centrales sont raccordées via des systèmes d’électronique de puissance dont les commandes agissent plus rapidement que ne peut le représenter un modèle par phaseurs.

Vous devriez considérer les études EMT comme le test par défaut pour toute connexion dont le résultat dépend des commandes du convertisseur, des protections ou des conditions de réseau instables. Les études phasorielles restent toutefois indispensables pour l'analyse à l'échelle du réseau. L'essentiel est de savoir à partir de quel moment elles ne sont plus fiables, puis de choisir un pas de temps, un solveur et un parcours de simulation en temps réel adaptés à l'événement le plus rapide que vous devez observer.

Ce que la simulation EMT permet de résoudre au niveau des formes d'onde

La simulation EMT, abréviation de « simulation des transitoires électromagnétiques », permet de calculer les tensions et courants instantanés de chaque phase d'un réseau à des pas de l'ordre de la microseconde. Elle préserve les équations différentielles des lignes, des transformateurs, des machines et des convertisseurs, ce qui vous permet de visualiser la forme d'onde réelle, y compris les harmoniques, les déséquilibres, les événements de commutation et les réponses rapides des systèmes de commande qui les façonnent.

Imaginez un parc de condensateurs mis sous tension sur un bus de 230 kV. La tension ne passe pas simplement à un nouveau niveau. Elle oscille à plusieurs centaines de hertz, dépasse la valeur de crête nominale, puis s'atténue en l'espace de quelques cycles. Un modèle EMT reproduit cette oscillation point par point, ce qui vous permet de lire sur la courbe la contrainte de crête subie par les équipements situés à proximité.

Ce niveau de détail a un coût. Chaque composant nécessite des paramètres physiques tels que la géométrie des lignes, les courbes de saturation des transformateurs et le code de commande des convertisseurs, et le solveur effectue des centaines d’étapes par cycle. Vous sacrifiez du temps de calcul pour obtenir un résultat valable à l’échelle de temps à laquelle interviennent les commandes de protection et des onduleurs.

En quoi la simulation EMT diffère-t-elle de la simulation par phaseurs dans le cadre des études de réseau électrique ?

La principale différence entre la simulation EMT et la simulation par phaseurs réside dans les hypothèses que chacune d'elles formule concernant la forme d'onde. Les outils de simulation par phaseurs représentent les tensions et les courants sous forme de grandeurs et d'angles à la fréquence fondamentale, avec un pas de calcul en millisecondes. Les outils EMT ne formulent pas de telles hypothèses et effectuent des calculs à chaque instant, ce qui leur permet de capturer les événements inférieurs au cycle que les modèles par phaseurs éliminent par moyennage.

Imaginons une centrale solaire située en aval d’une longue ligne radiale. Une étude phasor montre que celle-ci subit les effets d’un défaut à proximité, car le modèle ne prend en compte que la chute de tension en séquence positive. L’étude EMT du même défaut montre que la boucle à verrouillage de phase perd sa référence lors du saut de phase et que l’onduleur se déclenche en raison d’une surtension inférieure à un cycle. Seul l’un de ces résultats décrit le comportement réel de la centrale.

Lorsqu'une étude transitoire nécessite des informations détaillées sur l'EMT

Les études EMT sont nécessaires lorsque le résultat dépend d'événements se produisant à une fréquence supérieure à un cycle ou des commandes internes d'un convertisseur. Cela couvre la plupart des raccordements d'onduleurs dans les zones sensibles, toute étude relative aux contraintes de commutation ou aux coups de foudre, ainsi que tous les cas où la protection agit sur la forme d'onde elle-même.

L'avertissement le plus clair est venu du Texas. Une seule défaillance survenue près d'Odessa en juin 2022 a entraîné la perte de 1 711 MW de production photovoltaïque solaire provenant de centrales qui auraient dû rester connectées. Les enquêteurs ont indiqué que les modèles de séquence positive n'avaient pas permis de confirmer les performances de maintien en service avant la mise en service, et que les pratiques courantes de modélisation ne tenaient pas compte de certaines protections, telles que la protection contre les surintensités en courant alternatif et la protection du bus en courant continu.

Plusieurs conditions devraient conduire, sans trop de discussion, à orienter une étude vers l’EMT.

• Le taux de court-circuit au point de raccordement est faible
• Les lignes à compensation en série ou les liaisons HVDC sont électriquement proches
• Plusieurs centrales de conversion sont raccordées à une même sous-station
• Les commandes de stabilisation du réseau ou le fonctionnement en démarrage autonome sont spécifiés
• La protection repose sur des éléments de type « sous-cycle » ou « onde progressive »

Cela ne signifie en aucun cas qu'il faille abandonner l'approche par phaseurs. Analysez l'ensemble du système à l'aide de cette méthode, puis étudiez dans EMT la zone qui ne satisfait pas à ces vérifications, en réduisant le reste du réseau à un équivalent.

Quel pas de temps une simulation EMT nécessite-t-elle pour obtenir des résultats précis ?

Une simulation EMT nécessite un pas de temps au moins 10 à 20 fois plus court que la période du phénomène le plus rapide que l'on souhaite modéliser. Les transitoires de réseau classiques sont généralement simulés avec un pas de temps d'environ 50 microsecondes. Les convertisseurs dont la fréquence de commutation est de l'ordre du kilohertz nécessitent un pas de temps de quelques microsecondes, voire moins, et des pas de temps inférieurs à la microseconde s'imposent lorsque la fréquence de commutation atteint plusieurs dizaines de kilohertz.

Le calcul est facile à vérifier sur votre propre modèle. Un pas de 50 microsecondes donne 333 points sur un cycle de 60 Hz, ce qui est largement suffisant pour une étude de défaut. Appliquez ce pas à un convertisseur commutant à 5 kHz et vous obtenez 4 points par période de commutation de 200 microsecondes, ce qui est bien trop peu pour localiser les fronts de commutation. La longueur de la ligne a également son importance, car une onde progressive parcourt environ 15 km en 50 microsecondes et une ligne aérienne plus courte ne peut pas être modélisée avec son retard de propagation.

Plus petit ne signifie pas forcément meilleur. Réduire de moitié la taille du pas double la charge de calcul, et le traitement en temps réel exige que chaque pas soit terminé dans les délais. Choisissez le plus grand pas permettant de résoudre l'événement qui vous intéresse, puis vérifiez-le en effectuant un test avec un pas deux fois plus petit. Si les deux traces concordent, vous avez trouvé la valeur qui vous convient.

« Si les deux courbes coïncident, c’est que tu as trouvé ton nombre. »

Les limites des solveurs CPU pour les convertisseurs à commutation rapide

Les solveurs sur processeur gèrent efficacement les modèles EMT à l'échelle du réseau avec des pas de quelques dizaines de microsecondes, mais ils perdent leur intérêt lorsque la fréquence de commutation du convertisseur nécessite des pas proches ou inférieurs à une microseconde en temps réel. À ce stade, la partie du modèle relative à la commutation est transférée vers un FPGA, tandis que le réseau environnant reste sur le processeur.

Une étude sur une centrale éolienne met en évidence cette distinction. Le réseau de transport, le système de collecte et les modèles de machines s’exécutent dans l’ HYPERSIM , tout comme le solveur EMT, répartis sur des cœurs de processeur parallèles. Un pas de 50 microsecondes suffit pour l’ensemble de ces éléments.

Les modèles détaillés de convertisseurs changent la donne. Pour un modèle créé dans Simulink, OPAL-RT utilise « ARTEMiS » pour le calcul électrique côté CPU, ce qui assure la stabilité des circuits commutés à un pas fixe. Dès que la fréquence de commutation dépasse ce qu’un pas de CPU peut résoudre, le convertisseur bascule vers eHS, un solveur basé sur un FPGA, et les deux côtés échangent des signaux à chaque pas de CPU.

La limite entre les deux doit être définie avec soin. Placez-la à un point présentant une dissociation naturelle, comme un transformateur ou un long câble, afin que le retard d’un pas ne fausse pas le résultat.

Comment comparer les logiciels de simulation pour les études de secourisme d'urgence

Les logiciels de simulation EMT se répartissent en deux catégories : les outils hors ligne, qui fonctionnent à la vitesse maximale autorisée par le modèle, et les outils en temps réel, qui respectent un pas fixe par rapport au temps. Comparez les différentes options en fonction de l'étendue de la bibliothèque de modèles de convertisseurs, de la capacité à prendre en charge le code de contrôle des fournisseurs, des performances en parallèle sur les grands réseaux et du parcours permettant de passer de l'étude sur ordinateur aux essais matériels.

Un planificateur de réseau chargé d’une étude d’interconnexion et un ingénieur de test chargé de valider un contrôleur de centrale ne pondéreront pas ces critères de la même manière. Le planificateur accorde la priorité à l’exécution de centaines de scénarios de défaut et à l’importation de modèles d’onduleurs de type « boîte noire » fournis par les fabricants. L’ingénieur, quant à lui, a besoin d’un simulateur EMT qui assure la boucle fermée avec un contrôleur physique via des E/S analogiques et numériques ; le même modèle de réseau doit donc fonctionner en temps réel. Demandez à chaque fournisseur dans quelle mesure un modèle résiste à cette transition, car c’est lors de la reconstruction d’un réseau validé dans un deuxième outil que les erreurs s’immiscent.

Les études transitoires inspirent confiance lorsque le modèle correspond au réseau électrique

La fiabilité d'une étude transitoire dépend entièrement de l'adéquation entre le niveau de détail de la modélisation et les équipements présents sur le réseau. Les réseaux articulés autour de convertisseurs réagissent en microsecondes et en millisecondes ; l'étude doit donc opérer à cette échelle partout où les systèmes de commande et de protection déterminent le résultat.

Ce n'est pas un argument en faveur de l'utilisation systématique d'EMT. C'est un argument en faveur d'une approche réfléchie. Effectuez un premier criblage à grande échelle à l'aide d'outils de phasors, identifiez les zones où leurs hypothèses ne tiennent plus, puis consacrez-y vos heures de modélisation détaillée. Choisissez le pas de temps en fonction des lois physiques et vérifiez-le une seule fois.

Les équipes qui travaillent de cette manière identifient les problèmes dès la phase de conception, plutôt qu’au moment de la mise en service. Nous observons le même phénomène chez OPAL-RT lorsqu’un modèle d’étude passe sur un simulateur en temps réel et rencontre pour la première fois le contrôleur réel. Les surprises sont moins nombreuses lorsque le travail hors ligne a clairement mis en évidence ses limites. De bonnes études de transitoires ne suppriment pas l’incertitude, mais elles indiquent précisément où elle se situe.

« Les bonnes études transitoires ne suppriment pas l'incertitude, mais elles permettent de savoir exactement où elle se situe. »