Simulation EMT et simulation par phaseurs : quand utiliser chacune d'elles dans le cadre d'études sur les énergies renouvelables ?

Principaux enseignements

• La simulation EMT est la méthode à privilégier lorsque les commandes de l'onduleur, la temporisation des relais ou le comportement en réseau affaibli déterminent le résultat.
• La simulation par phasors reste le meilleur point de départ pour les cas de planification à grande échelle qui reposent sur un comportement plus lent du réseau.
• Un processus de travail par étapes vous permet d'obtenir une plus grande précision là où les risques sont les plus élevés, sans pour autant transformer chaque étude sur les énergies renouvelables en un long projet de modélisation EMT.

Optez pour la simulation EMT lorsque les commandes de l'onduleur, les délais de protection ou les interactions avec un réseau fragile sont déterminants pour le résultat de l'étude.

Les énergies renouvelables ont représenté près de 30 % de la production mondiale d’électricité en 2023, de sorte que les études de réseau doivent désormais tenir compte d’un comportement des convertisseurs bien plus complexe que ne le supposaient les anciennes méthodes. Les outils phasoriques apportent toujours de bonnes réponses à de nombreuses questions de planification et restent la première étape appropriée pour les grands réseaux. Les difficultés apparaissent lorsque les modèles moyennés masquent les événements sous-cycliques, les réponses de contrôle ou les actions des relais qui déterminent le résultat. Un processus d’étude rigoureux consistera à effectuer un criblage général à l’aide des phasoriques, puis à soumettre un ensemble plus restreint de cas à haut risque à une simulation des transitoires électromagnétiques.

La simulation EMT permet de mettre en évidence les formes d'onde que les modèles phasoriques ne permettent pas de distinguer en raison de leur moyennage

La principale différence entre la simulation EMT et la simulation par phaseurs réside dans la résolution temporelle. La simulation EMT calcule les tensions et courants instantanés à des pas de temps très courts, ce qui lui permet de saisir les opérations de commutation, les commandes et les défauts au fur et à mesure de leur déroulement, cycle par cycle. La simulation par phaseurs traite le système comme un ensemble de grandeurs sinusoïdales équilibrées qui varient beaucoup plus lentement.

Une défaillance du système de capteurs à proximité d'une centrale solaire met clairement en évidence cette lacune. Un modèle phasor peut signaler une chute de tension suivie d'un rétablissement sans heurts, ce qui s'avère utile pour la planification à grande échelle. Un modèle EMT mettra également en évidence les sauts de phase, la limitation de courant, le mouvement de la boucle PLL et une brève saturation du contrôleur au cours du même événement. Ces détails déterminent souvent si la centrale résiste à l'événement, se déclenche ou se rétablit avec une oscillation de contrôle.

Vous devez considérer la méthode EMT comme l'approche à privilégier pour les questions liées à la forme des ondes et à la synchronisation. Vous n'aurez pas besoin de ce niveau de détail pour toutes les études d'interconnexion, car l'analyse de réseaux de grande envergure deviendrait alors trop lente. Vous en aurez besoin lorsque le résultat dépendra de ce qui se passe en l'espace de quelques millisecondes. C'est précisément pour répondre à ce type de questions que la simulation des transitoires électromagnétiques a été conçue.

Les études sur les énergies renouvelables ont besoin de l'EMT lorsque les commandes des onduleurs influencent les résultats

Les études sur les énergies renouvelables nécessitent le recours à l'EMT lorsque les commandes de l'installation, les limites du convertisseur ou les fonctions de soutien du réseau peuvent modifier le résultat en l'espace de quelques cycles. Cela inclut la logique de priorité actuelle, le comportement de la boucle à verrouillage de phase (PLL), la récupération du bus de courant continu, la coordination des commandes au niveau de l'installation et la réponse de formation de réseau. Les modèles phasoriques lissent généralement ces actions pour en faire un comportement moyen, ce qui peut masquer le déclencheur d'une instabilité ou de déclenchements intempestifs.

Une usine de batteries appelée à assurer le soutien de la tension lors d’un défaut distant en est un bon exemple. Le convertisseur peut atteindre ses limites de courant, passer d’un soutien réactif à une récupération de puissance active, puis revenir à un contrôle normal en l’espace de quelques instants. Un modèle phasorien compresse souvent cette séquence en une réponse stable qui semble acceptable sur le papier. L’EMT met en évidence le bref écrêtage et le transfert de contrôle susceptibles de déclencher une oscillation sur une connexion fragile.

C'est lorsque les systèmes de contrôle sont nouveaux, réglés de manière agressive ou soumis à des règles strictes de maintien en fonctionnement que vous tirerez le meilleur parti de l'EMT. Les installations « grid-following » et « grid-forming » répondent toutes deux à cette règle, bien que leurs modes de défaillance diffèrent. Le contrôle « grid-following » rencontre souvent des difficultés pour suivre l'angle dans des conditions de faible puissance. Le contrôle « grid-forming » peut mettre en évidence des interactions entre l'impédance virtuelle, la limitation de courant et la logique de supervision de l'installation.

 « Vous choisissez le niveau de précision qui correspond aux conséquences techniques d'une erreur. »

Les études phasoriques permettent de répondre aux questions de planification en tenant compte d'un comportement plus lent du réseau

Les études phasorielles s'inscrivent dans le cadre des travaux de planification lorsque la réponse dépend du comportement électromécanique plus lent ou du comportement en régime permanent sur un vaste réseau. Les profils de tension, la charge thermique, la capacité de transfert et de nombreux cas de stabilité transitoire relèvent toujours de ce domaine. Vous pouvez ainsi passer rapidement en revue de nombreux scénarios de contingence, hiérarchiser les risques et réserver les efforts de l'équipe EMT aux rares cas où les détails temporels sont déterminants.

Une entreprise d'électricité qui examine un nouveau projet éolien dans le cadre de plusieurs scénarios saisonniers commence généralement par utiliser des phasors, et ce à juste titre. Les ingénieurs doivent vérifier les tensions en régime normal et en cas d'urgence, les courants de ligne et la mise en service des générateurs sur une vaste zone géographique. Ces scénarios peuvent se compter par centaines, et ils nécessitent davantage d'hypothèses cohérentes que de détails à l'échelle de la microseconde. Les outils de phasors permettent de gérer cette charge de travail sans transformer chaque étude en un long exercice de modélisation.

Il ne faut pas considérer les études phasorielles comme obsolètes ou de second ordre. Elles apportent une première réponse à la plupart des travaux d’intégration des énergies renouvelables et permettent de faire avancer un projet. Les problèmes commencent lorsque les équipes demandent à un modèle phasorial de répondre à une question relative aux formes d’onde. Ce décalage fait perdre du temps, car le dossier semble réglé jusqu’à ce que les essais sur site ou la mise en service révèlent un comportement que l’étude n’avait jamais pris en compte.

Les réseaux fragiles mettent en évidence des interactions que les outils de traitement des phasors ne détectent souvent pas

Les réseaux fragiles mettent en évidence des interactions entre les convertisseurs et le réseau qui nécessitent une analyse EMT détaillée, car l'intensité des courts-circuits, le suivi de phase et les gains de régulation peuvent tous interagir à des échelles de temps très courtes. Ces conditions se produisent au niveau des raccordements éoliens et solaires distants, des réseaux isolés et des liaisons radiales longues. Un modèle phasorial indique souvent un maintien de tension acceptable, tout en négligeant le mouvement de régulation à l'origine d'un amortissement insuffisant.

Une centrale solaire raccordée à un bus présentant un faible rapport de court-circuit peut sembler stable dans un scénario phasoriel tout en oscillant en mode EMT. Le suiveur de phase du convertisseur peut suivre un angle de tension variable pendant et après une perturbation. La capacité des câbles et l’impédance des transformateurs accentuent encore la sensibilité de cette réponse. Il en résulte une centrale qui atteint ses objectifs en régime permanent, mais qui rencontre des difficultés en cas de perturbation.

Vous devez également surveiller les défauts asymétriques, les interactions entre les systèmes de régulation de plusieurs centrales et les risques de résonance sur les réseaux de collecteurs de grande longueur. Ces problèmes ne se limitent pas à une seule valeur équivalente moyenne. L’EMT vous permet de conserver les détails autour du point d’interconnexion et d’observer comment plusieurs boucles de régulation interagissent simultanément. Cela revêt une importance capitale lorsque le réseau est déjà proche des limites de fonctionnement stable des convertisseurs.

Les paramètres de protection à proximité des convertisseurs nécessitent une simulation des transitoires électromagnétiques

Les études de protection menées à proximité d'installations équipées de convertisseurs nécessitent une simulation des transitoires électromagnétiques lorsque le déclenchement des relais dépend de la forme du courant de défaut, de la séquence des phases ou de la durée de l'événement, qui se mesure en quelques cycles. Le courant de défaut d'un onduleur est limité, contrôlé et souvent de courte durée. Les hypothèses phasorielles élaborées autour de sources synchrones peuvent fausser les marges de portée, de déclenchement et d'élimination des relais.

Un relais de distance installé sur une ligne alimentant une centrale solaire permet d'illustrer ce problème. L'onduleur peut générer un courant de défaut pendant un bref instant, limiter sa sortie et modifier les priorités de commande avant l'expiration du temporisateur du relais. Une représentation phasorielle peut donner l'impression que cette source est plus puissante et plus durable qu'elle ne l'est en réalité. L'EMT montre l'enveloppe de courant réelle telle qu'elle sera perçue par la logique du relais et du disjoncteur.

Vous aurez également besoin de l’EMT pour la logique de commutation, les schémas de défaillance des disjoncteurs et les contrôles anti-îlotage à proximité l'électronique de puissance. Dans ces cas-là, les ingénieurs en protection ont besoin de bien plus qu’une simple estimation du courant de crête. Ils ont besoin de connaître la séquence des événements avec suffisamment de précision pour évaluer la sélectivité et la sécurité. C’est pourquoi les outils EMT sont couramment utilisés dans les travaux d’ingénierie de protection impliquant de nombreux convertisseurs.

Les essais des régulateurs en boucle fermée exigent une grande fidélité EMT

Les essais de régulateurs en boucle fermée exigent une grande fidélité de la simulation EMT lorsque le régulateur testé réagit à des perturbations inférieures au cycle, à des effets de commutation ou à des délais de protection très courts. Les études purement logicielles peuvent masquer la latence, les retards d'E/S et les limites de mise en œuvre. Un modèle EMT en temps réel vous permet de tester la logique réelle du régulateur face aux mêmes contraintes électriques que celles auxquelles l'installation sera soumise.

Les équipes chargées de valider un contrôleur d’installation ou un système de supervision d’onduleur connectent souvent du matériel ou du code de contrôle compilé à un modèle EMT en temps réel. OPAL-RT s’inscrit parfaitement dans ce schéma d’exécution, car le modèle peut fonctionner avec une synchronisation en boucle fermée qui met en évidence la latence, l’écrêtage et les cas limites de la logique en cas de défaillance. Une configuration à phaseurs ne permettra pas de reproduire ces échanges rapides avec une fidélité suffisante. Vous finissez par valider un code qui semblait correct lors des études, mais qui se comporte différemment une fois confronté à une synchronisation réelle.

Vous devriez réserver ce niveau de test aux fonctions qui comportent un risque opérationnel réel. La résistance aux pannes, les modes de soutien du réseau, la logique de transfert et la coordination au niveau de l'installation figurent tous sur cette liste. L'intérêt n'est pas d'obtenir davantage de détails pour le simple plaisir d'en avoir plus. L'intérêt est d'avoir la certitude que votre contrôleur mis en œuvre se comporte comme votre modèle lorsque chaque milliseconde compte.

Le champ d'application du modèle définit les limites d'exécution pour les études pratiques

Le champ d'application du modèle détermine la limite de ce à quoi l'EMT peut répondre dans un délai raisonnable. Les modèles de commutation détaillés, les réseaux déséquilibrés et la présence de nombreux régulateurs font rapidement augmenter la taille du cas. Les bonnes études EMT restent sélectives : elles ne retiennent que les détails électriques qui ont une incidence sur la question posée et simplifient les parties éloignées du réseau qui n'influencent pas le résultat local.

Dans le cadre d'une étude d'interconnexion éolienne, il n'est pas nécessaire de modéliser chaque ligne d'alimentation à distance, chaque charge de distribution et chaque équipement de la centrale avec le même niveau de détail. Vous pouvez conserver le point d'interconnexion, le réseau de transport à proximité, le contrôleur de la centrale et les équivalents des convertisseurs, puis réduire les zones éloignées à des équivalents de Thévenin ou à des modèles plus simplifiés. Ce choix permet de préserver le comportement qui vous intéresse tout en réduisant considérablement le temps de calcul. Il permet également de réaliser des analyses de sensibilité, qui sont souvent la source des informations les plus pertinentes de l'étude.

• Conservez toutes les informations détaillées concernant le lieu de la perturbation et le point d'interconnexion.
• Réduire les zones réseau distantes à leurs équivalents dès lors qu'elles ne déterminent plus la réponse locale.
• Modélisez les blocs de commande réels capables de déclencher une coupure, de saturer ou de limiter le courant.
• N'utilisez les modèles de conversion moyens qu'après vous être assuré que les détails de la commutation n'auront aucune incidence sur le résultat.
• Limitez les canaux de sortie aux signaux pertinents pour la question de recherche.

On ne peut pas compenser un mauvais choix de périmètre par un simple allongement du temps de calcul. Les cas EMT surdimensionnés deviennent difficiles à vérifier, à réexécuter et à expliquer aux équipes chargées de la protection, de la planification et des contrôles. Un modèle plus petit, mais présentant le niveau de détail adéquat, constitue généralement un produit d'ingénierie plus solide. C'est cette rigueur qui distingue une étude utile d'une étude lente.

« Vous devriez considérer l'EMT comme la méthode à privilégier pour les questions liées à la forme et à la durée des ondes. »

Un processus de travail par étapes permet aux secouristes de se concentrer sur l'essentiel

Une méthode de travail par étapes permet de concentrer l'EMT sur l'essentiel, car la plupart des études sur les énergies renouvelables nécessitent d'abord un criblage à grande échelle, puis une analyse de la fidélité des formes d'onde. Commencez par des cas phasoriques pour hiérarchiser les points de fonctionnement, les contingences et les nœuds faibles. Ne transférez vers l'EMT que les cas instables, peu clairs ou sensibles en termes de protection. Cette séquence permet de respecter le calendrier, de préserver la rigueur et de lier la modélisation détaillée à une question spécifique.

Les files d'attente pour le raccordement au réseau américain comptaient plus de 2 600 GW d’énergie solaire, éolien et de stockage à la fin de l’année 2023 ; les équipes d’étude ont donc besoin d’un processus de sélection reproductible avant de passer des heures à élaborer des cas d’EMT. Un processus pratique commence par une sélection du réseau, suivie d’un examen des commandes au niveau de la centrale, puis d’une EMT sur les quelques cas qui présentent encore des incertitudes. Viennent ensuite les tests en boucle fermée pour les fonctions de commande et de protection qui doivent correspondre au calendrier de mise en œuvre. Cette séquence permet d’aligner l’effort d’étude sur le niveau de risque, plutôt que de recourir à l’EMT pour chaque question en suspens.

La meilleure approche est simple : utiliser les phasors pour identifier les points de contrainte du réseau, et recourir à l’EMT pour expliquer ce qui s’y passe réellement. C’est également ainsi que les équipes veillent à ce que le travail de validation reste ancré dans la réalité lorsqu’elles passent de la phase d’étude à celle des essais de contrôleurs sur OPAL-RT. Il ne s’agit pas de prendre parti dans un débat sur les méthodes. Il s’agit de choisir le niveau de fidélité qui correspond aux conséquences techniques d’une erreur.