Émulation hybride CA-CC d'un « micro-réseau » avec puissance Simulation HIL

Principaux enseignements

• La stabilité de l'micro-réseau hybride CA-CC est définie au niveau du convertisseur d'interconnexion plutôt qu'au niveau de l'un ou l'autre des bus ; l'interface doit donc disposer de ses propres critères d'acceptation et de ses propres marges de stabilité.
• La simulation HIL au niveau des signaux permet de valider la logique de commande, la synchronisation et les communications, tandis que les pertes, la saturation et les interactions d'impédance qui déstabilisent la frontière n'apparaissent qu'une fois que la puissance réelle la franchit.
• Les choix en matière de contrôle des flux de puissance impliquent un compromis entre la vitesse de réponse et la marge de stabilité ; il convient donc de les régler en fonction des conditions de réseau les plus défavorables que le site soit susceptible de rencontrer, plutôt qu’en fonction des conditions nominales.

Un système hybride CA-CC micro-réseau obtient sa marge de stabilité au niveau du convertisseur d'interconnexion, et un banc d'essai au niveau du signal ne vous permettra jamais de déterminer quelle est réellement cette marge.

Les problèmes commencent lorsque le convertisseur reliant les bus maintient la tension du bus CC alors que le côté CA subit un défaut, car les boucles de régulation cessent d’être indépendantes dès que le courant franchit la frontière. Chaque bus semble se comporter normalement lorsqu’il est modélisé isolément. Quatre perturbations survenues sur l’Interconnexion de l’Ouest en 2024 ont entraîné une perte de 3 210 MW de puissance produite par des onduleurs dans 104 installations, et ces pertes provenaient de la manière dont les convertisseurs ont réagi plutôt que des défauts eux-mêmes. Il s’agit du même couplage que celui qui apparaît au sein d’un réseau hybride micro-réseau, à plus petite échelle.

L'« Simulation HIL de puissance » place le convertisseur physique d'un côté de cette frontière, tandis que le reste de l'micro-réseau e reste en simulation. Vous obtenez ainsi le couplage que le matériel rencontrerait en conditions réelles, au niveau de puissance qu'il devra supporter. La plupart des défaillances survenant au niveau d'une interface CA-CC restent invisibles sur un banc d'essai qui n'échange que des signaux de bas niveau.

Qu'est-ce qui caractérise concrètement une « micro-réseau » hybride CA-CC ?

Une « micro-réseau » hybride CA-CC gère un bus CA et un bus CC comme un seul et même système contrôlé, reliés par un convertisseur d'interconnexion bidirectionnel qui détermine la quantité d'énergie échangée entre les deux. Les machines tournantes, l'interconnexion au réseau électrique et les charges traditionnelles se trouvent du côté CA. Les chaînes photovoltaïques, les batteries et les charges électroniques se trouvent du côté CC.

Le fait de répartir les sources en fonction de leur forme native permet d'éliminer certaines étapes de conversion. Un parc photovoltaïque installé sur un toit alimentant un bus de 750 V CC, qui héberge également la batterie et l'électrolyseur, évite les deux étapes d'inversion nécessaires dans une conception exclusivement en courant alternatif, ce qui représente un gain de plusieurs points de rendement aller-retour. Ce gain s'accompagne toutefois d'un problème de contrôle que la conception exclusivement en courant alternatif n'a jamais connu.

La fréquence et la tension alternatives suivent les réglages de « droop » ou de formation de réseau, la tension du bus continu suit un autre jeu de paramètres, et le convertisseur d'interconnexion est le seul élément à prendre en compte les deux. Si vous concevez ces deux parties au sein d'équipes distinctes, vous obtiendrez un système qui réussira tous les tests des sous-systèmes, mais qui oscillera dès le premier palier de charge au-delà de la limite.

Pourquoi le convertisseur d'interconnexion détermine le comportement de l'ensemble du système

Le convertisseur d'interconnexion détermine la consigne d'échange de puissance, le sens du flux et la part de régulation assurée par chaque bus. Il se comporte comme une source de courant pour un bus et comme une source de tension pour l'autre ; sa bande passante de régulation correspond donc à la raideur de couplage effective entre les deux moitiés.

Les installations couplées en courant continu constituent désormais la norme plutôt que l'exception. 47 % des projets de capacité solaire inscrits sur les listes d'attente de raccordement aux réseaux aux États-Unis sont associés à un système de stockage par batterie, ce qui permet de regrouper la production, le stockage et leur liaison commune en courant continu derrière un seul convertisseur avant que le courant n'atteigne une borne en courant alternatif.

Si vous réglez ce convertisseur isolément, vous choisirez une bande passante qui semble convenir pour une source idéale. Mais si vous l'intégrez entre un réseau CA rigide et un bus CC alimenté par des convertisseurs de puissance constante, ce même réglage fera entrer la boucle de tension CC dans un cycle limite. La bande passante n'a de sens que par rapport à ce qui se trouve de part et d'autre de l'interface.

Lorsque le HIL au niveau des signaux s'arrête avant l'interface de puissance

Les échanges HIL au niveau des signaux impliquent des tensions et des courants mis à l'échelle avec un contrôleur ; ils permettent ainsi de vérifier la logique de commande, la synchronisation et les communications. Ils ne peuvent toutefois pas reproduire ce qui se passe lorsque le courant traverse des composants magnétiques réels, car la boucle ne comporte pas de puissance suffisante pour générer les pertes, la saturation et les interactions d'impédance qui déterminent le comportement de l'interface.

Un régulateur qui satisfait à tous les cas de maintien de tension au niveau du signal se déclenche tout de même sur un banc d'essai sous tension lorsque le condensateur du circuit intermédiaire se décharge plus rapidement que ne le prévoyait le modèle. Voici les effets qu'il ne prend pas en compte.

• Le couplage des harmoniques de commutation dans la mesure de la tension du bus continu et la déstabilisation de la boucle externe
• Les pertes dans les semi-conducteurs et les pertes magnétiques entraînent un écart entre la puissance échangée et la consigne programmée
• Saturation et courant d'appel dans le transformateur d'interface lors de défauts de courant alternatif déséquilibrés
• Interaction d'impédance modifiant l'amortissement de la boucle de tension continue sous charge
• La réduction de puissance thermique limite la durée pendant laquelle le convertisseur maintient sa contribution au courant de défaut

Aucune de ces anomalies ne se présente sous la forme d'une erreur de modélisation que l'on pourrait détecter à l'œil nu. Elles se manifestent plutôt par le fait qu'un banc de test se comporte d'une certaine manière le mardi, puis d'une autre manière après quatre heures de fonctionnement. Les équipes qui négligent l'étape de vérification des niveaux de puissance se heurtent à ces problèmes lors de la mise en service, lorsque la modification d'un contrôle nécessite des déplacements sur site plutôt qu'une simple recompilation.

« Il ne peut pas reproduire ce qui se passe lorsqu'un courant traverse des matériaux magnétiques réels, car il n'y a pas de puissance dans la boucle pour provoquer les pertes, la saturation et les interactions d'impédance qui déterminent le comportement de l'interface. »

Comment Power Simulation HIL , teste l'interface

L'Simulation HIL e de puissance place le convertisseur d'interconnexion physique entre un réseau CA simulé et un bus CC simulé, un amplificateur à quatre quadrants pilotant chaque côté simulé à pleine tension et à plein courant. Le simulateur lit le courant réel du convertisseur et renvoie la tension de bus résultante en quelques microsecondes.

Il est possible de valider une interface de campus de 200 kW avant même que le site n'existe. L'alimentation CA, le groupe électrogène diesel et le disjoncteur du réseau public fonctionnent dans le simulateur aux côtés du bus CC et du parc photovoltaïque, et le convertisseur testé les perçoit tous deux comme s'ils étaient déjà installés. Les variations de charge, les défauts asymétriques et les transitions en îlotage sont simulés à pleine puissance sans mettre en danger aucune installation sur le terrain.

L’algorithme d’interface fait également partie du test. Le couplage par la méthode du transformateur idéal est rapide à configurer et à déstabiliser, car le retard de l’amplificateur se situe à l’intérieur de la boucle fermée et la marge dépend du rapport d’impédance qui la traverse. Le fait de maintenir cette marge au niveau d’un nœud CA et d’un nœud CC au cours d’un même cycle permet de distinguer un banc de test utilisable d’un oscillateur coûteux. C’est pour cette raison que le banc OPAL-RT OP1430 PHIL Prime met en parallèle les sorties de l’amplificateur entre les nœuds CA et CC, de sorte que les deux limites conduisent le courant pendant la validation des commandes.

Les choix en matière de contrôle du flux de puissance qui déterminent la stabilité de l'interface

Trois familles de régulation dominent le convertisseur d'interconnexion. Le transfert de puissance fixe assure un échange commandé, la signalisation du bus CC réagit aux écarts de tension, et la régulation par droop normalisée répartit la régulation entre les deux bus en reportant la fréquence CA et la tension CC sur une même échelle. Chacune de ces méthodes fait un compromis entre la vitesse de réponse et la marge de stabilité.

La réponse en droop normalisée est l'objectif que la plupart des équipes s'efforcent d'atteindre, car les deux bus réagissent à une perturbation sans liaison de communication. Le compromis se manifeste dans des conditions de courant alternatif faible, où un gain de droop qui répartit proprement la charge à pleine puissance du réseau entraîne une oscillation de fréquence soutenue dès que le rapport de court-circuit diminue.

Choisissez l'approche adaptée aux conditions les plus défavorables auxquelles le site sera confronté, plutôt qu'aux conditions nominales. Un banc d'essai fonctionnant uniquement à pleine puissance de court-circuit ne servira à rien si le gain de chute de tension tombe en panne dès le premier après-midi nuageux, alors que le groupe électrogène est hors service.

Des problèmes de stabilité qui n'apparaissent que lors d'un échange de puissance réel

Un véritable échange de puissance engendre des modes de défaillance que les modèles hors ligne ne détectent pas. Les charges à puissance constante sur le bus continu présentent une impédance incrémentielle négative ; l’impédance de sortie du convertisseur d’interconnexion interagit avec celle-ci, et le couple oscille à une fréquence qu’aucun des deux sous-systèmes ne présente à lui seul. Ce phénomène n’est visible qu’une fois que le courant circule effectivement.

Le cas le plus courant est celui d’un bus de 400 V CC alimentant des convertisseurs en point de charge. Chaque convertisseur en aval régule sa sortie avec une grande précision ; ainsi, lorsque la tension du bus chute, il consomme davantage de courant, ce qui accentue encore la chute de tension du bus. Si l’on ajoute à cela une boucle de tension externe lente au niveau du convertisseur d’interconnexion, la section CC développe une oscillation à basse fréquence qui se situe là où se trouve la réponse de chute de tension CA.

L'interaction sous-synchrone appartient à la même catégorie. Des conditions de réseau faible poussent la boucle à verrouillage de phase et le régulateur de courant dans une zone où ils se renforcent mutuellement, et l'oscillation se propage à travers l'interface jusqu'au bus continu. Ces deux phénomènes passent inaperçus car le test permettant de les mettre en évidence nécessite une puissance que le banc d'essai au niveau du signal ne dispose pas.

« Ces deux éléments passent inaperçus car le test qui permet de les détecter nécessite une puissance dont le banc d'essai au niveau du signal ne dispose pas. »

Ce qu'une approche rigoureuse des tests d'interface apporte à votre équipe à long terme

Les micro-réseaux hybrides CA-CC ne présentent pas de défaillances au niveau de leurs sources ni de leurs charges. C'est à la jonction entre les barres omnibus, à l'intérieur du convertisseur chargé de respecter simultanément deux ensembles de règles de régulation, que les défaillances surviennent. C'est la mise en évidence de cette jonction au niveau de la puissance, avant la mise en service, qui fait la différence entre un projet qui démarre sans heurts et un autre qui passe sa première année à lutter contre les oscillations.

Chaque heure consacrée à tester le convertisseur interconnecté avec des impédances réalistes permet de gagner plusieurs jours de débogage sur site. Les équipes qui maîtrisent ce point considèrent l'interface comme un sous-système à part entière, doté de ses propres critères d'acceptation. Elles testent le cas de réseau faible, le cas de charge à puissance constante et le cas de résistance aux pannes à pleine puissance, avant la livraison du convertisseur.

C’est précisément à cela que sert un banc d’essai de niveau de puissance, et c’est pourquoi OPAL-RT conçoit ses systèmes PHIL de manière à ce que les nœuds CA et CC soient mis sous tension lors d’une même série d’essais, plutôt que lors de campagnes distinctes. Le comportement d’une « micro-réseau» hybride réside dans l’interaction entre ses bus. Si cette interaction est correctement mise au point sur un banc d’essai, le reste de la conception peut se contenter d’être standard.