Onduleurs formateurs de réseau vs onduleurs suiveurs de réseau : pourquoi cette distinction est importante pour les ingénieurs en protection

Principaux enseignements

• La régulation de la formation du réseau doit être considérée comme un comportement de la source, car elle définit la forme d'onde que les dispositifs de protection mesurent en cas de défaut et en fonctionnement en îlotage.
• La coordination des relais dépend des limites de courant des convertisseurs, de la logique du mode de commande et de la récupération de tension après défaut, plutôt que des hypothèses relatives aux machines synchrones.
• Les essais en boucle fermée constituent le moyen le plus sûr de valider les performances en cas de réseau fragile, le transfert de mode et le comportement des sources hybrides avant de finaliser les réglages sur le terrain.

Les ingénieurs en protection doivent modéliser le comportement de formation du réseau en tant que source, sans quoi les réglages des relais interpréteront de manière erronée les défauts, les événements de fréquence et le fonctionnement en îlotage.

Énergie éolienne et solaire 13,4 % de l'électricité mondiale en 2023, ce qui signifie que davantage de lignes d'alimentation et de centrales dépendent désormais des commandes d'onduleurs pour le maintien de la tension et de la fréquence. Cette évolution fait passer la commande des onduleurs d'un simple détail de planification à un enjeu de protection. Il est impossible de coordonner correctement les relais si l'on part du principe que chaque source se comporte comme une machine synchrone. Il est également impossible d'évaluer le maintien de la fréquence à partir des seules données figurant sur la plaque signalétique.

Un onduleur de formation de réseau définit la référence de fréquence de tension locale

Un onduleur de raccordement au réseau définit l'amplitude de tension, l'angle de déphasage et la fréquence à ses bornes. Il se comporte comme une source contrôlable plutôt que comme un dispositif qui attend que le réseau lui indique quoi faire. Cette référence locale permet à d'autres dispositifs de se synchroniser sur lui. Les ingénieurs en protection doivent prendre en compte ce comportement dans le modèle de source du système.

Prenons l'exemple d'une centrale à batterie qui assure le démarrage à froid d'un micro-réseau distant. Son système de commande définit une fréquence de 60 Hz et une tension aux bornes avant que la moindre charge motrice ne soit connectée, puis maintient cette référence à mesure que les pompes et les convoyeurs se mettent en service. L'enclenchement des relais, le temps de réponse en cas de sous-fréquence et le comportement en cas de sous-tension du bus dépendent tous du comportement de cette source. Vous n'étudiez plus un injecteur de courant passif. Vous étudiez une source capable de soutenir un bus en cas de perturbation et de façonner ce que le relais mesure pendant les premiers instants d'un défaut ou d'un changement de charge.

« Les paramètres de protection échouent lorsque le comportement de la source est supposé plutôt que modélisé. »

Le contrôle de suivi du réseau nécessite une référence de tension externe

La principale différence entre le contrôle par suivi de réseau et le contrôle par formation de réseau est simple. Le suivi de réseau se verrouille sur un réseau déjà existant. La formation de réseau crée la forme d'onde que les autres appareils peuvent suivre. Les études de protection varient, car la perte de référence affecte ces deux modes de contrôle de manière totalement différente.

Sur une ligne de transport rigide, une centrale solaire peut recourir sans difficulté au contrôle de suivi du réseau, car le réseau de transport fournit une référence angulaire solide. Le même contrôle, appliqué à un micro-réseau en îlotage, micro-réseau un blocage ou un déclenchement dès que cette référence disparaîtra. C'est pourquoi un micro-réseau de stockage utilise souvent une unité de formation de réseau et plusieurs unités de suivi du réseau. La première unité sert de point d'ancrage au bus. Les autres injectent de l'énergie autour de ce point d'ancrage.

Les paramètres de protection ne fonctionnent pas lorsque le comportement de la source est pris en compte

Les paramètres de protection ne fonctionnent pas correctement lorsque le comportement de la source est supposé plutôt que modélisé. Les relais tiennent compte de l'intensité, de l'angle de courant et de la tension de rétablissement, et ces trois paramètres peuvent varier lorsque la source est commandée par un convertisseur. Un fichier de paramètres copié à partir d'une étude sur une machine synchrone ne tiendra pas compte de ces variations. Cette erreur devient visible lors de défauts, de la mise sous tension d'une ligne d'alimentation et d'événements d'isolement.

Prenons l'exemple d'une ligne d'alimentation équipée d'un système de stockage par batterie. Les éléments de protection contre les surintensités de phase pourraient s'attendre à une forte surtension et à une courbe de décroissance classique, mais le courant de l'onduleur reste limité et contrôlé, tandis que la remontée de tension est bien plus rapide que prévu après l'élimination du défaut. Les éléments de mise à la terre peuvent également détecter un contenu de séquence inhabituel, car les commandes et les filtres du convertisseur modulent la forme d'onde. Cette erreur apparaît généralement lorsque des études d'interconnexion reprennent d'anciennes hypothèses de court-circuit dans les fichiers de relais. La protection semble toujours correcte sur le papier, mais le relais réagit à un modèle de source qui n'a jamais existé au point de raccordement.

Le courant de défaut provenant des onduleurs de formation de réseau reste limité en cas de défaut

Le courant de défaut provenant des onduleurs de formation de réseau reste limité, car les dispositifs à semi-conducteurs et les boucles de régulation imposent des plafonds de courant stricts. L'onduleur régulera le courant, la tension ou les deux, selon sa stratégie de gestion des défauts. Cela signifie que les dispositifs de protection ne peuvent pas compter sur la marge de courant élevée propre aux machines synchrones. La sensibilité et le temps de réponse des relais doivent tenir compte de cette limite.

Imaginons un défaut triphasé proche sur une ligne de distribution. L'onduleur peut maintenir sa sortie à un niveau légèrement supérieur au courant nominal tout en donnant la priorité au maintien de la tension aux bornes ou au contrôle du sens du courant ; par conséquent, un relais de surintensité détecte un écart entre la charge et le défaut bien plus faible que ce à quoi on pourrait s'attendre avec une source tournante. Les éléments de distance peuvent également mal interpréter l'impédance apparente si l'angle de la source reste étroitement contrôlé pendant l'événement. La chute de tension peut être inégale entre les phases, ce qui complique le fonctionnement des éléments de séquence négative. Vous ne résoudrez pas ce problème uniquement en abaissant le seuil de déclenchement. Vous avez besoin d'un modèle de source qui corresponde à la limite de courant, à la priorité de contrôle et à la séquence de rétablissement.

Le contrôle de fréquence repose sur les réglages de la courbe de décroissance et sur l'inertie virtuelle

Les onduleurs de formation de réseau assurent la stabilité de la fréquence grâce à des fonctions de contrôle de la puissance active, de réponse de droop et d'inertie virtuelle. L'inertie synthétique est générée à partir de signaux de fréquence ou de variation de fréquence mesurés, qui commandent une brève modification de la puissance à partir de Énergie stockée Énergie de la marge de réserve disponible. Cette réponse est rapide et programmable. Elle dépend toutefois du réglage du système de contrôle, Énergie et des limites de fonctionnement de l'installation.

Prenez un micro-réseau confronté à un démarrage soudain d'un moteur. La fréquence commence à chuter, le contrôleur détecte ce mouvement et l'onduleur injecte de la puissance active supplémentaire en fonction de ses réglages de droop et d'inertie, tout en maintenant la référence de tension pour le reste du bus. Une bonne performance maintient le point le plus bas de la fréquence au-dessus des seuils de délestage. Un réglage inadéquat provoque un dépassement, une oscillation ou un rétablissement retardé. Les ingénieurs en protection ont besoin des paramètres de contrôle réels, car les relais de sous-fréquence réagissent à une réponse de contrôle modelée, et non à l'inertie physique de l'arbre d'une turbine.

La coordination des relais doit respecter les limites du convertisseur dans tous les modes de commande

La coordination des relais doit tenir compte du mode de fonctionnement du convertisseur, car le comportement de la source varie en fonction du mode de commande. Le courant maximal admissible, le soutien de courant de séquence et la récupération de tension peuvent tous différer entre le fonctionnement en suivi de réseau et le fonctionnement en formation de réseau. Un jeu de relais réglé pour un seul mode ne restera pas correctement coordonné après un changement de mode. Il convient d'étudier la même logique de mode que celle qu'utilisera le contrôleur de l'installation.

Après une commande d'isolement ou un déclenchement de disjoncteur, un onduleur de batterie peut générer une réponse de défaut en mode « suivi du réseau » et une autre en mode « formation de réseau ». La protection des lignes d'alimentation, la protection des barres omnibus et la logique de déclenchement de transfert nécessitent toutes que ces changements de mode soient pris en compte dans le scénario d'étude. Concentrez-vous d'abord sur ces vérifications.

• Vérifiez le plafond actuel et sa durée.
• Vérifiez la logique exacte qui permet de basculer entre les modes de commande.
• Vérifier la présence d'un courant inverse en cas de défauts asymétriques.
• Vérifier la logique de passage en continu par rapport au temps de déclenchement des relais.
• Tester séparément les cas de raccordement au réseau et les cas d'exploitation en îlot.

Simulation HIL mettent en évidence des risques liés à un contrôle insuffisant du réseau

Simulation HIL permettent de mettre en évidence des problèmes de contrôle que les études en régime permanent ne permettent pas de détecter. Ils vous permettent de tester le contrôleur réel dans des conditions simulées telles qu'un réseau affaibli, des défauts par étapes, des déclenchements de disjoncteurs et des événements d'îlotage. Cette configuration en boucle fermée montre comment l'onduleur et les dispositifs de protection interagissent dans le temps. Vous pouvez ainsi détecter les passages en mode instable, les problèmes de reprise après défaut et les pertes de PLL avant la mise en service sur site.

Les installations de batteries à l'échelle du réseau ont atteint 42 GW en 2023; ces tests font donc désormais partie des opérations courantes des services publics plutôt que de rester cantonnés à une phase pilote restreinte. Un test de mise sous tension sur réseau fragile, réalisé sur une plateforme OPAL-RT, plateforme simuler un défaut, un réenclenchement et une séquence d’îlotage face au contrôleur réel de la centrale, tandis que les relais et la logique des disjoncteurs restent dans la boucle. Cette configuration met en évidence la saturation du courant, une récupération instable de la tension ou un mauvais séquencement entre les commandes de la centrale et la protection. Un logiciel de simulation de court-circuit seul ne permet pas d’obtenir ce niveau de confiance. Elle s'acquiert en observant la réaction du contrôleur face aux perturbations exactes auxquelles le relais sera confronté.

« Une bonne protection commence par un modèle de référence fiable et une validation rigoureuse du comportement de chaque appareil en situation de contrainte. »

Les condensateurs synchrones continuent d'assurer des fonctions que les onduleurs de formation de réseau ne peuvent pas remplir

Les onduleurs de formation de réseau ne remplacent pas les condensateurs synchrones dans tous les cas. Un condensateur synchrone continue d'apporter une inertie physique, un courant de défaut élevé et une capacité de surcharge à court terme que les convertisseurs ne peuvent généralement pas égaler. Le contrôle de formation de réseau assure le maintien de la tension et de la fréquence avec une grande précision, mais il ne résout pas tous les problèmes de résistance du réseau. Les ingénieurs en protection doivent s'attendre à voir apparaître des conceptions de sources hybrides sur les nœuds fragiles.

Prenons l'exemple d'une centrale éolienne et d'une installation de stockage raccordées à un réseau de transport fragile. L'onduleur permet de stabiliser la tension et la fréquence pour le contrôle de la centrale, tandis que le condensateur augmente le niveau de défaut et améliore la rigidité de la source pour la protection et la reprise après défaut. C'est cette configuration mixte de sources que perçoit votre relais ; c'est donc cette configuration que votre étude doit refléter. Les équipes qui utilisent OPAL-RT testent souvent ce cas hybride précisément pour cette raison. Une bonne protection commence par un modèle de source fidèle à la réalité et une validation rigoureuse du comportement de chaque dispositif en situation de contrainte.