Comment l'analyse de la capacité d'accueil détermine le point de raccordement des nouvelles installations solaires au réseau

Principaux enseignements

• L'analyse de la capacité d'accueil donne de meilleurs résultats lorsqu'elle s'inscrit dans le cadre d'une étude d'exploitation des lignes d'alimentation liée à des limites clairement définies, plutôt que sous la forme d'un simple indice de performance du circuit.
• Une carte de capacité d'accueil permet d'évaluer rapidement les risques liés au choix d'un site solaire, mais la fiabilité de cette évaluation dépend toujours de la qualité des données et de la modélisation des séries chronologiques.
• De nombreuses limites liées à l'énergie solaire découlent de la tension et du comportement des systèmes de contrôle ; c'est pourquoi des modifications validées de ces systèmes permettent souvent d'augmenter la capacité des lignes d'alimentation avant le début de travaux de rénovation majeurs.

L'analyse de la capacité d'accueil vous permet de déterminer quelles lignes d'alimentation peuvent accueillir de nouvelles installations solaires sans dépasser les limites d'exploitation.

Les services publics utilisent l’analyse de la capacité d’accueil comme outil de sélection permettant de transformer les caractéristiques physiques des lignes d’alimentation en une solution de raccordement. À la fin de l’année 2023, les files d’attente de raccordement aux États-Unis comptaient environ 2 600 GW de production et de stockage, dont environ 1 570 GW d’énergie solaire. Ce volume rend indispensable une présélection rapide et justifiable bien avant le lancement d’une étude d’interconnexion complète. Un processus de présélection insuffisant entraîne un nombre trop important de projets vers un examen manuel fastidieux.

La manière la plus utile d'interpréter une carte de capacité d'accueil est simple. Il faut la considérer comme une limite d'exploitation spécifique à une ligne d'alimentation, liée à la tension, à la charge thermique, aux dispositifs de protection et au comportement des systèmes de contrôle locaux. Cette valeur n'a de sens que si l'on tient compte de ces hypothèses. Lorsque les gestionnaires de réseau traitent la capacité d'accueil comme une étude d'exploitation plutôt que comme une simple formalité administrative, le choix des emplacements solaires s'accélère et les réponses en matière de raccordement gagnent considérablement en crédibilité.

Une analyse de la capacité d'accueil permet d'estimer la marge de manœuvre des lignes d'alimentation pour les nouvelles installations solaires

L'analyse de la capacité d'accueil permet d'estimer la quantité d'énergie solaire supplémentaire qu'une ligne d'alimentation peut absorber avant de dépasser une limite d'exploitation définie. Ces limites concernent généralement la plage de tension, la charge thermique, la coordination des protections et qualité de l'énergie. Le résultat est une estimation de la marge de manœuvre. Cette estimation est toujours propre au modèle et aux hypothèses utilisées.

Un opérateur qui étudie une ligne de distribution de 12,47 kV pourrait ajouter des installations solaires de 50 kW sur les toits à chaque point de raccordement jusqu’à ce que la tension en bout de ligne dépasse sa limite lors d’un après-midi ensoleillé de printemps. Une autre ligne de distribution, dotée de branchements plus courts et d’un meilleur contrôle de la tension, pourra accueillir une quantité bien plus importante d’énergie solaire, même si la charge de pointe est similaire. Vu de la rue, l’expérience client semble identique. Mais les caractéristiques physiques de la ligne de distribution, elles, ne le sont pas.

La capacité d'accueil est un résultat propre à chaque ligne d'alimentation. Il n'est pas possible de transposer une valeur d'un circuit à un autre et de s'attendre à ce qu'elle reste valable. Les paramètres des équipements, l'impédance des conducteurs, l'installation solaire existante et le point d'injection sont autant de facteurs déterminants. C'est ce contexte qui fait d'un résultat d'étude une donnée fiable.

Les cartes de capacité d'accueil classent les circuits en fonction du risque d'interconnexion

Les cartes de capacité d'accueil transforment les résultats des études en une vue synthétique qui classe les lignes d'alimentation, les tronçons de ligne ou les nœuds en fonction du risque d'interconnexion probable. Elles aident les services publics et les promoteurs à cibler leurs efforts avant le lancement d'une étude formelle. Une valeur élevée indique une marge de manœuvre plus importante. Une valeur faible signale qu'un examen détaillé devra être entrepris dès le début.

Une carte du département peut par exemple représenter une ligne d’alimentation de banlieue en vert, une ligne d’alimentation rurale plus ancienne en orange et une longue dérivation monophasée en rouge. Ce type de classification est important, car les projets réalisés entre 2000 et 2018 ont passé en moyenne près de 5 ans dans les files d’attente d’interconnexion aux États-Unis. Une meilleure sélection ne supprimera pas les retards liés aux files d’attente. Elle permettra toutefois de réduire les allers-retours inutiles liés aux études avant qu’une demande n’atteigne la phase d’examen technique.

« Vous devez considérer ces cartes comme des outils d'aménagement. Elles ne tiennent pas lieu de permis. »

Une ligne d'alimentation qui semble disponible sur la carte peut tout de même s'avérer inadaptée une fois que la taille du projet, le point de raccordement exact ou les paramètres de l'onduleur ont été vérifiés. La carte de capacité d'accueil vous aide à partir du bon pied, mais une étude formelle reste nécessaire par la suite.

Les services publics évaluent la capacité d'accueil en fonction des limites d'exploitation des lignes d'alimentation

Les services publics calculent la capacité d'accueil en ajoutant de l'énergie solaire à un modèle de ligne d'alimentation jusqu'à ce qu'une limite d'exploitation soit dépassée. La première limite franchie détermine la valeur d'accueil pour cet emplacement. Le résultat est donc basé sur des contraintes plutôt que sur une moyenne. Cela explique également pourquoi les valeurs d'accueil varient d'un nœud de réseau à l'autre.

Un processus type commence par un modèle d'alimentation calibré, ajoute progressivement la production solaire à un bus candidat, effectue un calcul de flux de puissance et s'arrête lorsqu'une limite est franchie. Une proposition de 500 kW à proximité du poste de transformation peut satisfaire aux critères de charge thermique tout en échouant en raison du seuil de rétroalimentation défini par le régulateur. Une autre proposition, située à l'extrémité d'une dérivation, peut quant à elle atteindre en premier lieu la limite de hausse de tension. Le point d'arrêt vous indique quel est réellement le problème de raccordement.

La plupart des gestionnaires de réseau appliquent le même ensemble restreint de critères de sélection, car chacun d'entre eux répond à un aspect différent de la question de l'interconnexion. Les critères de tension permettent de contrôler les pics de tension locaux. Les critères thermiques permettent de contrôler l'échauffement des équipements. Les critères de protection permettent de contrôler la réponse du système lorsque le courant de défaut et le sens du flux d'énergie changent.

Les planificateurs élaborent des cartes d'implantation à l'aide d'outils de simulation des flux de puissance

Les planificateurs élaborent des cartes d'implantation à l'aide de modèles d'alimentation, de solveurs de flux de puissance et de liaisons de données qui permettent au modèle de rester proche des conditions réelles sur le terrain. Les données géographiques, les fiches d'actifs et la télémétrie sont tout aussi importantes que le solveur lui-même. La qualité de la cartographie dépend de celle du modèle. Le logiciel ne fait que refléter le contenu du modèle.

Une équipe de service public extrait souvent les données relatives aux lignes et aux transformateurs de son système d’information géographique, y associe les profils de charge issus des données de comptage ou de supervision, puis effectue des études par lots portant sur des centaines de nœuds. Les groupes de recherche intègrent souvent des moteurs de séries chronologiques et des modèles de contrôle afin de pouvoir tester les réglages des onduleurs, le comportement des régulateurs et la reconfiguration des lignes d’alimentation avant toute modification sur le terrain. Ce travail de modélisation supplémentaire revêt une importance particulière sur les lignes d’alimentation où les installations solaires sur toiture sont nombreuses. Il est d’autant plus crucial là où les régulateurs de ligne et les dérivations monophasées interagissent.

C'est précisément à cette étape de mise en œuvre qu'OPAL-RT trouve tout naturellement sa place. Les ingénieurs peuvent relier les modèles d'alimentations, la logique des contrôleurs et les boucles de test matérielles au sein d'un même flux d'étude, ce qui permet de vérifier qu'une carte reflète bien la manière dont les dispositifs réagiront réellement dans des conditions d'ensoleillement extrêmes. La valeur ajoutée ne réside pas uniquement dans la carte elle-même, mais dans le lien établi entre les hypothèses de conception et le comportement validé des dispositifs.

Pour mener des études d'hébergement précises, il faut commencer par disposer de données de base fiables

Pour réaliser des études d'hébergement précises, il faut commencer par disposer de données de base fiables, car les moindres erreurs de modélisation faussent rapidement la marge de manœuvre. Un paramètre de régulateur manquant, une section de conducteur erronée ou un raccordement de phase obsolète fausseront le résultat. L'évaluation du potentiel solaire est sensible aux détails locaux. Des données d'entrée de mauvaise qualité vous donneront une confiance trompeuse ou vous imposeront de fausses contraintes.

Les services publics collectent généralement cinq ensembles de données avant de lancer la première simulation. Chaque ensemble permet de relier le modèle de ligne d'alimentation aux équipements présents sur le terrain. L'absence de l'un d'entre eux faussera le résultat. La liste ci-dessous répertorie l'ensemble minimal utilisé par les planificateurs.

• Impédance de la ligne et du câble avec configuration de phase pour chaque segment
• Caractéristiques nominales des transformateurs, prises de dérivation et détails de raccordement à chaque emplacement
• Répartition de la charge tenant compte des variations saisonnières et horaires
• Réglages des appareils pour les régulateurs, les condensateurs, les relais et les réenclencheurs
• Énergie distribuées existantes, avec informations sur leur emplacement, leur taille et les commandes des onduleurs

Une ligne d'alimentation comportant deux dérivations monophasées mal étiquetées peut sembler libre sur le papier, mais s'avérer défaillante une fois que les équipes auront vérifié la phase. C'est pourquoi les gestionnaires de réseau consacrent du temps à la mise au point de leurs modèles avant de publier une carte de capacité d'accueil. Ce travail de mise au point peut sembler lent, mais il permet d'éviter des retards bien plus importants lors de l'examen ultérieur des demandes de raccordement.

La hausse de tension constitue la première limite pour l'énergie solaire

La hausse de tension constitue souvent la première contrainte pour les installations solaires, car la production atteint son pic lorsque la charge locale est modeste et que le courant retourne vers la source. Des lignes de raccordement longues et un contrôle insuffisant de la tension aggravent le problème. Ce problème se manifeste au niveau local. Une ligne d'alimentation peut sembler en bon état dans l'ensemble tout en présentant une défaillance au niveau d'un nœud.

Un parc photovoltaïque de 75 kW installé sur un toit, situé près de l'extrémité d'une dérivation monophasée en zone rurale, peut faire grimper la tension chez le client au-delà de la plage autorisée à midi en avril, même si le transformateur du poste de distribution dispose d'une marge de capacité suffisante. Ce décalage sème la confusion chez les demandeurs. Ceux-ci se concentrent sur la puissance nominale inutilisée des équipements. Le fournisseur d'électricité, quant à lui, constate un problème de tension à un point très précis du circuit.

C'est pourquoi la capacité d'accueil des lignes de distribution est généralement plus faible aux extrémités qu'à proximité du poste de transformation. C'est également la raison pour laquelle les moyennes au niveau des lignes de distribution masquent le risque qui vous préoccupe le plus. Les résultats au niveau des nœuds ou des sections sont bien plus utiles pour le choix de l'emplacement des installations solaires. Ils indiquent où se situe réellement le point faible.

Les méthodes d'analyse des séries chronologiques fournissent aux planificateurs des résultats plus fiables

Les méthodes basées sur les séries chronologiques fournissent aux planificateurs des résultats plus fiables, car la production solaire et la charge varient au fil de la journée, tandis que les commandes des lignes d'alimentation réagissent avec des délais et des marges de tolérance. Un simple instantané ne permet pas de saisir ces interactions. La simulation séquentielle, en revanche, les prend en compte. Cela rend la valeur d'hébergement plus utile pour les planificateurs qui doivent s'y fier.

Un flux de puissance à midi, par une journée douce, peut ne présenter aucun problème sur une ligne d’alimentation équipée de panneaux solaires en toiture ; pourtant, une série de mesures s’étalant sur une semaine peut révéler des interventions répétées du régulateur, un flux de puissance inverse à travers un régulateur de ligne et de brèves surtensions après le dégagement des nuages. Ces schémas de fonctionnement sont importants, car les interventions répétées du régulateur usent les équipements. Elles réduisent également la marge disponible pour la prochaine demande de raccordement. Une ligne d’alimentation peut passer le test statique et néanmoins présenter un comportement défaillant au fil du temps.

Les services publics n'ont pas besoin d'une analyse de séries chronologiques à chaque cycle de filtrage. Celle-ci s'avère nécessaire sur les lignes de distribution soumises à une forte concentration solaire, équipées de dispositifs de contrôle sensibles ou présentant un retour d'alimentation visible. Ce surcroît de travail se justifie lorsque les résultats d'un filtrage simple et le comportement mesuré de la ligne de distribution ne concordent pas. Cela permet de combler l'écart entre une réponse rapide et une réponse fiable.

Les modifications apportées aux systèmes de commande peuvent permettre d'augmenter la capacité des alimentateurs avant leur remise à neuf

Les modifications apportées aux systèmes de contrôle peuvent permettre d'augmenter la capacité des lignes d'alimentation avant de procéder à des travaux de rénovation, lorsque la limite réside dans la régulation de tension, les paramètres de protection ou la réponse des onduleurs plutôt que dans la section des conducteurs ou la puissance des transformateurs. Les gestionnaires de réseau disposent souvent d'une marge de manœuvre pour ajuster ces paramètres en premier lieu. Le gain obtenu dépend de la validation. Les réglages qui semblent satisfaisants sur une feuille de calcul doivent tout de même faire l'objet de tests rigoureux.

Une ligne d'alimentation soumise à une surtension à l'une de ses extrémités peut accepter davantage d'énergie solaire après compensation de la chute de tension au niveau du régulateur, réponse en tension-var de l'onduleur, équilibrage des phases ou décalage du point d'interconnexion. Ces solutions sont moins coûteuses que le remplacement des câbles. Elles comportent toutefois des risques si les équipes les mettent en œuvre sans vérifier la portée des protections, la tension chez le client et l'interaction entre les dispositifs sur plusieurs heures de fonctionnement. La solution la moins coûteuse n'est utile que si une étude démontre qu'elle tiendra la route dans toutes les conditions d'exploitation.

C'est là le constat fondamental qui sous-tend les travaux sur la capacité d'accueil. Les études sérieuses ne se contentent pas d'identifier les limites du développement solaire.

« Elles permettent de distinguer les limites d'ordre structurel de celles que l'on peut faire évoluer grâce à des modifications de contrôle validées. »

C'est surtout au cours de cette dernière étape que l'on utilise le plus souvent OPAL-RT, car la simulation en boucle fermée permet de vérifier qu'une modification proposée au système de contrôle se comportera de la même manière lorsque les équipes de terrain la mettront en service.