Maîtriser la formation et le suivi d'une grille lors d'un test en temps réel

Principaux enseignements

• Le contrôle de la formation du réseau doit être testé en tant que contrôle de la forme d'onde, en mettant l'accent sur le comportement de la source de tension, les limites de courant et la stabilité en cas de réseau affaibli.
• Le contrôle de suivi de réseau fonctionne bien sur des réseaux robustes, mais les défauts et les faibles intensités de court-circuit mettent en évidence sa dépendance à l'égard d'une référence externe.
• La simulation en temps réel en boucle fermée vous offre une vision très claire des effets liés à la synchronisation et aux interfaces avant que la mise en service ne fige des hypothèses coûteuses.

Les onduleurs formateurs de réseau et les onduleurs suiveurs de réseau nécessitent des plans de test différents, car ils contrôlent le réseau de manière totalement différente.

Les nouvelles capacités en énergies renouvelables ont atteint près de 510 GW en 2023, ce qui a fait passer le comportement des onduleurs d'un sujet de niche à un enjeu de stabilité du réseau. À mesure que les réseaux intègrent davantage d'énergie solaire, de stockage et d'interfaces électroniques de puissance, on ne peut plus considérer la formation du réseau et le suivi du réseau comme des paramètres de contrôle interchangeables. Un mode de contrôle établit la référence locale de tension et de fréquence. L'autre mesure cette référence et injecte du courant en fonction de celle-ci. Cette distinction doit déterminer la manière dont on teste, règle et valide les commandes des onduleurs.

« Un onduleur couplé au réseau agit comme une source de tension régulée qui détermine l'angle, l'amplitude et la fréquence de la tension locale pour le réseau qui l'entoure. »

La création d'une grille permet de définir les coordonnées locales

Un onduleur de formation de réseau agit comme une source de tension contrôlée qui définit l'angle, l'amplitude et la fréquence de la tension locale pour le réseau qui l'entoure. Il n'attend pas qu'un réseau solide définisse la forme d'onde. Il sert de point d'ancrage de contrôle lors du fonctionnement en réseau affaibli, en îlotage et lors du démarrage à froid.

Un système de batteries alimentant une ligne de distribution hors tension en est l'exemple le plus parlant. L'onduleur fait monter la tension en puissance, établit la fréquence nominale et compense le premier déséquilibre entre la production et la charge. Lorsqu'un moteur démarre ou qu'un disjoncteur de ligne se ferme, le contrôleur ajuste sa sortie pour maintenir la cohérence de la forme d'onde, plutôt que de chercher à atteindre une cible de boucle à verrouillage de phase.

Ce mode de fonctionnement modifie les éléments à valider. Le comportement en source de tension fait entrer dans le chemin critique les boucles de tension internes, l’impédance virtuelle, la logique de limitation de courant et la gestion Énergie . Si ces éléments sont mal réglés, l’onduleur peut sembler fonctionner normalement lors d’une étude statique, mais perdre tout de même le synchronisme dès l’apparition de variations de charge, de saturation ou de décalage de mesure.

Le suivi du réseau dépend d'une source de tension externe

La principale différence entre le contrôle en suivi de réseau et le contrôle en formation de réseau réside dans le fait qu'un onduleur en suivi de réseau mesure une forme d'onde existante et adapte son injection de courant en fonction de celle-ci. Il dépend d'une source de tension externe, généralement via une boucle à verrouillage de phase. Si cette référence s'affaiblit ou se déforme, les performances se dégradent en premier lieu, et la stabilité peut être compromise par la suite.

Une grande centrale solaire raccordée à un réseau de transport robuste correspond bien à ce modèle. Chaque onduleur suit la tension du réseau, régule le courant actif et réactif, et laisse le réseau global déterminer la fréquence. Cette configuration est efficace lorsque l'intensité des courts-circuits est élevée et qu'il n'est pas prévu que la centrale reprenne le service après une coupure.

Le dilemme se pose lorsque l'on transfère ce même régulateur vers une ligne d'alimentation distante ou un micro-réseau comportant de nombreux convertisseurs. Les boucles à verrouillage de phase peuvent osciller lors de sauts de phase, de creux de tension ou dans des conditions de faible rapport de court-circuit. Le contrôle du courant reste important, mais une question plus épineuse se pose rapidement : qui maintient la forme d'onde stable lorsque la référence elle-même commence à fluctuer ?

La régulation de fréquence découle de l'algorithme de commande de l'onduleur

La régulation de fréquence dans un onduleur de formation de réseau repose sur une loi de commande qui relie le déséquilibre de puissance à une réponse en fréquence. Le contrôleur modifie intentionnellement la fréquence ou l'angle de phase lorsque la charge et la production divergent. La régulation par droop y parvient à l'aide d'une simple pente, tandis que les méthodes de machine virtuelle intègrent un comportement inertiel et des termes d'amortissement.

Une variation de charge de 200 kW sur un onduleur de batterie en îlotage illustre clairement ce mécanisme. La puissance active augmente instantanément, la fréquence chute en fonction du réglage de la courbe de réponse, et le régulateur se stabilise sur un nouveau point de fonctionnement à mesure que la source prend en charge la charge supplémentaire. Vous n’observez pas simplement une mesure. Vous voyez l’onduleur assurer l’équilibre du système.

Les réglages les plus importants concernent la pente, la bande passante et les limites de récupération. Des réglages agressifs maintiennent la fréquence de manière stricte, mais peuvent provoquer des oscillations par rapport à d'autres sources ou à la résonance du réseau. Des réglages plus souples améliorent l'amortissement tout en permettant des variations de fréquence plus importantes, ce qui peut déclencher les moteurs, les dispositifs de protection ou les commandes adjacentes si l'ensemble du système n'a pas été réglé dans son ensemble.

La réponse en cas de défaillance met en évidence la principale différence au niveau du contrôle

La réponse en cas de défaut permet de distinguer ces modes de commande plus clairement que n'importe quel test en régime permanent. Un onduleur en mode « suivi de réseau » détecte généralement la chute de tension, continue à suivre la forme d'onde perturbée et injecte du courant dans les limites de sa stratégie. Un onduleur en mode « formation de réseau » tente de maintenir une référence de tension utilisable tout en respectant les limites des semi-conducteurs, ce qui entraîne un comportement différent au cours des premières millisecondes.

Prenons l'exemple d'une chute de tension triphasée sur une ligne de distribution faible. L'unité de suivi du réseau donnera souvent la priorité au courant réactif commandé et restera verrouillée sur l'angle de phase défectueux jusqu'à ce que la protection ou la logique de maintien de tension change d'état. L'unité de formation de réseau peut maintenir la tension du bus local et alimenter les charges adjacentes, mais elle doit passer en douceur en mode de limitation de courant, sans quoi elle déformera la forme d'onde qu'elle tente de maintenir.

C'est pourquoi les tests de détection des défauts ne peuvent se limiter à des indicateurs de passage ou d'échec. Il faut surveiller les composants de la séquence, la récupération d'angle, l'activation du limiteur de courant et la rapidité avec laquelle le contrôleur revient à un point de fonctionnement normal une fois le défaut éliminé. Les ingénieurs en protection ont également besoin de ces détails, car les réglages des relais adaptés aux sources synchrones peuvent donner une image faussée du comportement du convertisseur.

Les réseaux fragiles révèlent leurs limites en matière de stabilité bien plus tôt

Les réseaux fragiles révèlent rapidement les limites de contrôle, car l'angle de tension, l'amplitude et le niveau de défaut varient davantage pour une même perturbation. Un contrôleur qui semble fonctionner normalement sur une source stable peut se mettre à osciller, provoquer une surintensité ou détecter une phase erronée lorsque le rapport de court-circuit diminue. C'est pourquoi les tests sur réseaux fragiles doivent être effectués au début de la validation, et non vers la fin.

Part des énergies renouvelables 86 % de la capacité électrique mondiale en 2023. Cette évolution signifie que davantage de lignes d'alimentation, de centrales et de sites hybrides fonctionneront avec une part plus importante de commandes de convertisseurs régulant le comportement électrique local. Un parc éolien et un centre de stockage distants, reliés par une longue ligne, constituent un cas courant où la protection contre les courts-circuits est faible et où les interactions entre les contrôleurs deviennent rapidement visibles.

Le rapport de court-circuit est utile, mais il ne suffit pas à lui seul. La résonance du réseau, l'angle d'impédance de ligne et les bandes passantes des contrôleurs adjacents peuvent avoir une importance tout aussi grande. Vous obtiendrez de meilleurs résultats en effectuant des balayages de paramètres qui modifient simultanément plusieurs variables de la puissance du réseau, car de nombreux cas d'instabilité apparaissent dans des combinaisons que le seul chiffre du rapport de court-circuit ne permet pas de mettre en évidence.

La simulation en temps réel met en évidence des problèmes de contrôle que les études hors ligne ne permettent pas de détecter

La simulation en temps réel met en évidence les effets liés au timing, à la saturation et aux interfaces que les modèles hors ligne ont tendance à masquer. Vous pouvez exécuter le code du contrôleur sur un modèle de réseau en temps réel, forcer l'apparition de perturbations à des instants précis et observer le comportement de l'installation avant même que les travaux sur site ne commencent. Cela permet de détecter les défauts de contrôle à un stade où leur correction reste peu coûteuse.

Simulation HIL basé sur OPAL-RT permet de connecter le contrôleur, les E/S, les protections et la pile de communication réels à un réseau simulé instable. La gigue, la mise à l'échelle des capteurs, les retards d'impulsion et les transitions du limiteur de courant apparaissent tous dans la boucle. Un contrôleur qui semblait fonctionner correctement dans un logiciel à pas fixe peut présenter des oscillations dès lors que la synchronisation de l'ADC et la latence du réseau sont intégrées au test.

C'est à proximité des limites de régulation que cette différence est la plus importante. La reprise après défaillance, les changements de mode et les changements brusques de commande échouent souvent parce que plusieurs petits détails de mise en œuvre se cumulent simultanément. Les études hors ligne restent importantes pour accélérer la conception, mais elles ne fournissent pas le tableau complet des temps de réponse en boucle fermée dont vous avez besoin avant la mise en service.

Les essais sur les onduleurs de raccordement au réseau doivent permettre de boucler la boucle

Les essais des onduleurs couplés au réseau doivent intégrer le réseau, le contrôleur et les interfaces physiques au sein d'une boucle fermée. Les vérifications en boucle ouverte permettent de valider les équations et la logique de base, mais elles ne garantissent pas un comportement stable en cas de perturbations. Pour obtenir des résultats fiables, l'onduleur doit réagir au modèle du réseau de la même manière que ce dernier réagit à son tour.

Une séquence de tests rigoureuse commence par un petit ensemble de cas qui mettent en évidence les structures de contrôle, avant de passer à des matrices de scénarios plus complexes. L'objectif est de mettre à l'épreuve les parties du contrôleur qui détiennent l'autorité sur le système. Cinq vérifications permettent généralement de détecter rapidement les problèmes les plus importants.

• Commencez par la mise sous tension du bus à l'arrêt et la séquence de démarrage.
• Tester la réponse en échelon de charge sur plusieurs points de fonctionnement.
• Simuler des défauts symétriques et asymétriques par limitation de courant.
• Vérifiez les transitions entre les modes « formation de réseau » et « suivi du réseau ».
• Prendre en compte les conditions de réseau instables ainsi que les retards de communication.

Chaque essai ne doit pas se limiter à la mesure de la puissance active et de la tension efficace. L'angle de la forme d'onde, l'état de limitation du courant instantané, les indicateurs de mode du contrôleur et les temporisateurs de protection vous permettent de comprendre pourquoi un essai s'est déroulé sans problème ou a échoué. Vous recherchez la cause et la séquence des événements, car cela permet de transformer un essai raté en une solution de contrôle plutôt qu'en une énigme de laboratoire.

« La simulation en temps réel permet de mettre en évidence les effets liés au timing, à la saturation et aux interfaces que les modèles hors ligne ont tendance à masquer. »

Les contraintes du projet doivent guider le choix du mode de contrôle

Le choix du mode de contrôle doit tenir compte des contraintes du projet, car la solution appropriée dépend de la solidité du réseau, des charges de défaut, des besoins en matière de démarrage autonome et du nombre de sources devant se coordonner. Une interconnexion de transport solide avec un simple export de puissance favorisera le mode « suivi du réseau ». Un réseau en îlotage ou une connexion fragile nécessitant un soutien de tension favorisera le mode « formation du réseau ».

Une installation mixte se situe souvent à mi-chemin. Un onduleur de batterie peut assumer les fonctions de formation de réseau pour la mise sous tension et la stabilité locale, tandis que les onduleurs solaires restent en mode de suivi du réseau afin de simplifier les commandes et de limiter les puissances nominales. Cette répartition ne fonctionne que si l'on définit clairement les responsabilités, que l'on teste les transferts de contrôle et que l'on adapte les protections au comportement réel de l'installation en cas de défaut.

Les équipes qui réussissent dans ce domaine considèrent le choix des contrôleurs comme une contrainte technique. Elles ne se contentent pas de le réduire à une simple étiquette ou à une case à cocher dans un code de réseau. OPAL-RT s'inscrit parfaitement dans cette phase de travail, car il permet d'évaluer le comportement des contrôleurs en situation de contrainte avant que les hypothèses de conception ne se transforment en problèmes concrets sur le terrain.