Maîtriser les commandes grid-forming et grid-following dans les essais en temps réel

Principaux enseignements

• Les preuves de conformité et de stabilité d'un onduleur de raccordement au réseau doivent provenir d'un seul modèle, d'un seul contrôleur et d'un seul ensemble de séquences.
• Les séquences IEEE 1547 permettent de vérifier les performances des terminaux et réservent les essais relatifs à la réponse aux sauts de phase, à la limitation de courant et à la marge de grille faible à des tests supplémentaires.
• Un modèle EMT intégrant le contrôleur de production dans la boucle, alimenté par des conditions aux limites à grande échelle, permet de réexécuter l'ensemble complet des séquences à chaque nouvelle version du micrologiciel.

Les essais de les onduleurs de formation de réseau sont considérés comme concluants lorsqu'une campagne d'essais démontre que l'onduleur reste stable sur un réseau faible et satisfait à toutes les séquences exigées par sa norme de raccordement.

Ces deux objectifs sont généralement pris en charge par des équipes distinctes utilisant des modèles différents, et c’est là que les problèmes commencent. Un onduleur de couplage au réseau se comporte comme une source de tension en aval d’une impédance ; sa réponse à un défaut ou à un saut de phase résulte donc d’un code de commande qu’une plaque signalétique ne peut pas décrire.

Le coût lié au fait de ne pas respecter cette étape est déjà bien documenté. Sur les dix incidents majeurs survenus depuis 2016, le NERC a recensé près de 15 000 MW de réduction imprévue de la production provenant de ressources équipées d’onduleurs, et cette même étude a mis en évidence des lacunes au niveau des modèles et des paramètres de protection dans les centrales examinées. Les preuves de conformité et de stabilité devraient provenir d’un seul modèle, d’un seul contrôleur et d’un seul ensemble de séquences.

Ce que doivent démontrer les essais sur les onduleurs de couplage au réseau

Les essais des onduleurs de formation de réseau doivent permettre de vérifier trois éléments. L'onduleur doit maintenir ses valeurs de référence de tension et de fréquence sur toute sa plage de fonctionnement, il doit rester stable lorsque la limitation de courant se déclenche en cas de défaut, et il doit respecter chacune des séquences de performance prévues par la norme d'interconnexion applicable. Un plan d'essai qui ne couvre qu'un seul de ces trois éléments présente une lacune.

Imaginons un onduleur de batterie pilotant une machine synchrone virtuelle à la moitié de sa puissance nominale lorsque l'angle de tension du réseau subit un saut de 30 degrés. Une source de tension réagit dès le premier cycle, en injectant du courant pour contrer ce saut. Ses semi-conducteurs ne pouvant supporter qu'une faible marge au-dessus du courant nominal, le limiteur se déclenche presque instantanément. C'est la réaction du contrôleur au cours des cycles suivants qui déterminera l'issue de la situation.

C’est pourquoi les critères de réussite doivent être chiffrés avant le premier test. Il faut définir un temps de réponse, une valeur cible d’amortissement pour l’oscillation de puissance qui s’ensuit, ainsi qu’une règle précisant la vitesse à laquelle le variateur doit sortir du mode de limitation de courant. Un critère qui se contente d’exiger que le variateur reste stable ne peut pas faire l’objet d’un audit.

En quoi les essais de formation de réseau diffèrent-ils des essais de suivi de réseau ?

La principale différence entre les essais de « formation de réseau » et ceux de « suivi du réseau » réside dans la référence sur laquelle s'appuie chaque onduleur. Un onduleur en mode « suivi du réseau » mesure la tension du réseau via une boucle à verrouillage de phase et injecte un courant en opposition à celle-ci ; ses essais permettent donc de vérifier le suivi. Un onduleur en mode « formation de réseau » définit sa propre tension et sa propre fréquence ; ses essais permettent donc de vérifier ce qui se passe lorsque le réseau s'écarte de cette référence ou disparaît.

Le phénomène d'« islanding » met clairement en évidence cette distinction. La norme IEEE 1547 exige qu’une unité détecte un « islanding » involontaire et cesse d’alimenter le réseau dans un délai de 2 secondes. Une centrale intégrée au réseau et autorisée à opérer en « islanding » intentionnel doit, au contraire, maintenir la tension pour les charges restées connectées. Un même événement donne lieu à deux critères de réussite opposés, et votre plan d’essai doit préciser lequel s’applique sur chaque site.

Limites des essais selon la norme IEEE 1547 pour les onduleurs de formation de réseau

Les essais prévus par la norme IEEE 1547 pour les onduleurs formateurs de réseau confirment que les performances en sortie doivent être identiques à celles exigées pour toute ressource raccordée au réseau de distribution. La norme IEEE 1547-2018 définit les exigences, tandis que la norme IEEE 1547.1-2020 précise les procédures d’essai relatives à la capacité de maintien en fonctionnement, à la régulation de tension, à la réponse en fréquence, au fonctionnement en îlotage et à l’interopérabilité. Aucun de ces deux documents n’évalue les caractéristiques qui permettent à un onduleur de jouer un rôle de formateur de réseau.

Prenons l'exemple d'une séquence de résistance aux chutes de tension. L'appareil reste connecté pendant la chute de tension, les temporisations de déclenchement sont respectées et le test est réussi. Rien dans cet enregistrement ne permet de savoir si l'onduleur a continué à fonctionner comme une source de tension ou s'il est passé en mode de contrôle de courant, qui présente des propriétés de stabilité différentes. 

« Deux versions de micrologiciel présentant des marges de grille faibles très différentes peuvent générer le même certificat. »

Les centrales raccordées au réseau sont conformes à la norme IEEE 2800-2022 et au code de réseau de l'opérateur du réseau ; plusieurs opérateurs publient désormais, en complément, des spécifications relatives à la stabilisation du réseau. Celles-ci complètent les contrôles manquants, notamment la réponse aux sauts de phase, les performances à faible rapport de court-circuit et le fonctionnement après la déconnexion de la dernière machine synchrone.

Considérez la norme IEEE 1547 comme un minimum requis. Il s'agit d'un élément de preuve indispensable, mais elle n'a jamais été conçue pour constituer à elle seule l'argumentaire complet en faveur de la stabilité.

Quelles méthodes de test de stabilité des réseaux fragiles mettent en évidence des problèmes de contrôle ?

Les méthodes de test de stabilité du réseau de faible intensité consistent à réduire progressivement le rapport de court-circuit au point de raccordement et à répéter les mêmes perturbations à chaque étape. Cette approche met en évidence les problèmes de contrôle, car la marge diminue progressivement ; on observe ainsi l'amplification de l'oscillation avant le déclenchement de l'onduleur.

Les enjeux augmentent à mesure que le réseau se développe. Le stockage par batterie, qui sert généralement de support au contrôle de la formation du réseau, représente 28 % des 86 GW de capacité de production que les promoteurs américains prévoient d’ajouter en 2026, et chacun de ces projets est étudié en fonction de la résistance du réseau au niveau de son propre point de raccordement. Une campagne pratique propose cinq méthodes.

• Balayage du rapport de court-circuit, depuis une grille rigide jusqu'au cas crédible le plus faible.
• Étapes de saut de phase dont l'amplitude augmente à chaque niveau de résistance de la grille.
• Défauts symétriques et asymétriques avec rétablissement dans le réseau affaibli.
• Analyses d'impédance sur toute la gamme de fréquences afin de localiser les résonances faiblement amorties.
• Transitions planifiées entre le fonctionnement en réseau et le fonctionnement en îlot.

Effectuez le balayage dans les deux sens. Le contrôle de formation de grille basé sur l’affaissement a tendance à bien fonctionner avec un faible rapport de court-circuit, mais peut perdre en amortissement sur une grille très rigide, ce qui va à l’encontre de ce que l’expérience en matière de suivi de grille enseigne. Les équipes qui s’arrêtent à l’extrémité la plus faible ne s’en rendent compte qu’au moment de la mise en service.

Pourquoi les séquences de conformité nécessitent-elles un modèle de transitoires électromagnétiques ?

Les séquences de conformité nécessitent un modèle de transitoires électromagnétiques (EMT), car les événements qui déterminent le résultat de la formation du réseau ne durent que quelques millisecondes. La limitation de courant, la réponse au saut de phase et le rétablissement après un défaut se produisent tous en l'espace d'un ou deux cycles. 

« Un modèle phasor effectue une moyenne sur cette fenêtre ; il fournit donc un résultat "propre" pour un comportement qu'il n'a jamais calculé. »

Le contrôleur Simulation HIL met ce système en œuvre. Le contrôleur de production est connecté à un circuit d'alimentation, un transformateur et un convertisseur simulés qui effectuent leurs calculs en temps réel, tandis qu'un script exécute pas à pas chaque séquence de maintien en fonctionnement et de perturbation. Le micrologiciel testé est celui fourni avec le produit.

La clé réside dans la répétition. Une séquence complète peut être réexécutée pendant la nuit après chaque mise à jour du micrologiciel, à chaque niveau de puissance du réseau, avec des conditions initiales identiques.

Il faut tenir compte d'une limite dans votre planification. Les essais de certification se déroulent toujours sur du matériel physique, et l'étage de puissance simulé doit être validé par rapport à des mesures avant que l'on puisse se fier à ses marges de sécurité. Le modèle prend tout son sens lorsqu'il permet de limiter les essais en laboratoire aux cas qui comptent vraiment.

Comment le contexte global influence les résultats d'un test de formation de grille

Le contexte à grande échelle modifie les résultats des tests de formation de réseau, car un onduleur testé seul face à une source idéale n’interagit jamais avec ses voisins. Les perturbations réelles se manifestent sous forme de variations de fréquence, de décalages d’angle de tension et d’oscillations lentes générées par des centaines de machines et d’autres onduleurs. Un régulateur qui semble bien amorti face à une source fixe peut présenter un comportement indésirable dès lors que ces perturbations sont présentes.

Prenons l'exemple d'une centrale de stockage de 200 MW faisant l'objet d'une étude portant sur la perte d'un grand générateur situé à deux sous-stations de là. Un modèle en domaine phasor de la région génère la baisse de fréquence et la variation d’angle à la limite de la centrale, et le modèle détaillé reproduit cette trajectoire par rapport au contrôleur. Avec les outils OPAL-RT, le travail se répartit naturellement : ePHASORSIM prend en charge le réseau à grande échelle et HYPERSIM gère les détails EMT autour de l’onduleur. Vous obtenez ainsi des conditions aux limites reconnaissables par une étude de code de réseau, ainsi que les détails infracycliques que cette étude ne peut pas résoudre.

À quoi ressemble un historique de conformité solide et défendable en matière de réseau électrique ?

Un dossier de conformité du réseau électrique, pouvant être justifié, établit un lien entre chaque exigence et une séquence, une forme d'onde et une version du modèle. Toute personne qui l'examine peut sélectionner une clause de la norme IEEE 1547 ou du code de réseau, identifier l'essai qui la couvre et observer la réponse du contrôleur à chaque niveau de puissance du réseau.

Ce bilan repose davantage sur la routine que sur des exploits. Les équipes qui réexécutent l'ensemble des tests à chaque nouvelle version du micrologiciel détectent le changement de réglage qui a corrigé une faible oscillation du réseau et a discrètement perturbé le fonctionnement en continu. Les équipes qui ne procèdent qu'à un seul test avant la mise en service en sont généralement informées par un fournisseur d'électricité.

Nous estimons que la discipline prime sur les outils, même si ces derniers doivent suivre le rythme. Les ingénieurs qui utilisent les simulateurs OPAL-RT ont tendance à considérer le modèle comme un actif à long terme, validé, géré par versions et réutilisé de la conception à la mise en service. C’est cette pratique qui vous permet de signer un rapport de conformité et de dormir sur vos deux oreilles même lorsque le réseau s’avère plus fragile que ne le prévoyait l’étude.