Simulation d'Énergie s renouvelables dans le cadre d'études d'intégration au réseau

Principaux enseignements

• La portée de l'étude détermine le domaine de simulation ; ce choix doit donc être arrêté dès le lancement du projet, et non après la création des premiers modèles d'usine.
• Les simulations en domaine phasor permettent d'étudier efficacement la stabilité à grande échelle, tandis que la méthode EMT permet d'analyser le comportement des systèmes de commande et de protection des convertisseurs en cas de défaillances du réseau faible.
• La qualité du modèle prime sur la résolution du solveur, car ce sont les paramètres vérifiés et les modèles de système validés qui garantissent la fiabilité d'une étude.

Choisir un domaine de simulation inadapté est le moyen le plus sûr de perdre des mois dans une étude d'intégration des énergies renouvelables.

Les centrales solaires, les parcs éoliens et les systèmes de stockage par batterie fonctionnent tous grâce à l’électronique de puissance, et les questions que se posent les ingénieurs à leur sujet se répartissent en deux catégories. Certaines portent sur la manière dont le réseau global se stabilise en quelques secondes après un défaut. D’autres portent sur les premières millisecondes, durant lesquelles les commandes des convertisseurs et la logique de protection déterminent l’issue. Les développeurs américains prévoient d’ajouter 86 GW de nouvelle capacité en 2026, le solaire représentant 51 % et le stockage 28 % de ce total ; le nombre d’études portant sur ce choix ne cesse donc d’augmenter.

La réponse n’est pas que la simulation des transitoires électromagnétiques soit supérieure à la simulation en domaine phasoriel. Chacune résout une catégorie de problèmes que l’autre ne peut pas traiter. Une étude EMT portant sur un réseau d’interconnexion complet nécessite des semaines de calcul et fournit des résultats que personne n’a le temps d’interpréter. Une étude en domaine phasoriel d’une centrale solaire raccordée à un réseau fragile montre une récupération de tension parfaite que le site réel ne reproduira pas. C’est la portée de l’étude qui détermine le choix de l’outil, et cette décision doit être prise dès le lancement du projet.

Ce que couvre réellement la simulation « Renewable Énergie » dans les études d'intégration au réseau

La simulation d’ Énergie s renouvelables reproduit la manière dont les centrales solaires, éoliennes et de stockage réagissent aux conditions du réseau à l’aide d’un modèle numérique de la centrale, de ses convertisseurs et du réseau qui l’entoure. Les études d’intégration au réseau utilisent ces modèles pour démontrer qu’une centrale sera capable de maintenir la tension, de résister aux défauts et de rester stable une fois raccordée.

Une étude d'interconnexion porte sur le flux de charge, la contribution aux courts-circuits, la stabilité transitoire et, sur les réseaux plus faibles, une évaluation complète des interactions de commande (EMT). Une centrale solaire de 200 MW raccordée à une longue ligne radiale satisfera à tous les critères en régime permanent, mais échouera néanmoins au test EMT, car le contrôleur de courant de son onduleur oscille contre l'impédance de la ligne.

La portée permet de distinguer ces deux types d'études. Les travaux sur la stabilité visent à déterminer si le système reste intact sur une vaste zone ; chaque centrale devient alors une source contrôlée dont la dynamique est simplifiée. Les travaux sur la transition électromagnétique (EMT) traitent des commutations, des boucles de régulation et des protections pour un seul convertisseur en cas de défaut unique. Les deux réponses sont correctes dans le cadre de leurs hypothèses respectives.

Comment les outils du domaine des phaseurs permettent de répondre aux questions relatives à la stabilité globale du réseau

La simulation en domaine phasor, également appelée simulation RMS, part du principe d'une fréquence fondamentale fixe et ne prend en compte que l'amplitude et l'angle des tensions et des courants. Cette hypothèse élimine les détails liés à la commutation et permet au solveur de traiter des dizaines de milliers de nœuds sur une durée de 20 secondes de réponse du système.

Les planificateurs chargés de mener une évaluation régionale de la fiabilité portant sur 60 000 bus testeront des centaines de scénarios d'urgence pendant la nuit. Chaque scénario permet de vérifier l'écart d'angle des rotors, le nadir de fréquence après la perte d'une grande unité et le rétablissement de la tension au niveau des centres de charge. L'intégration de modèles EMT complets pour chaque centrale d'énergie renouvelable ferait passer la durée de cette simulation de quelques heures à plusieurs semaines.

Cette limite apparaît lorsque les phénomènes physiques qui vous intéressent se situent au-dessus de la fréquence fondamentale. Les modèles phasoriques ne permettent pas de représenter les interactions de régulation sous-synchrones, la résonance harmonique ni le comportement de limitation de courant d'un onduleur lors d'un défaut asymétrique. Ils supposent également une référence de fréquence stable, ce qui n'est plus le cas à mesure que les machines synchrones sont mises hors service.

Lorsque les modèles de transitoires électromagnétiques deviennent la seule option crédible

La simulation EMT résout les équations différentielles du réseau dans le domaine temporel par pas d'environ 10 à 50 microsecondes, ce qui lui permet de reproduire la commutation, les harmoniques, les défauts asymétriques et les boucles de régulation internes d'un convertisseur. Toute question concernant la réaction d'un onduleur au cours du premier cycle nécessite ce niveau de résolution.

Les interconnexions à réseau fragile en sont la preuve. Lorsque le rapport de court-circuit au point de raccordement chute à 3 ou moins, les boucles à verrouillage de phase et les régulateurs de tension des onduleurs commencent à interagir avec l’impédance du réseau, et une centrale peut osciller à des fréquences bien éloignées de 60 Hz. Les autorités de régulation chargées de la fiabilité ont attribué, depuis 2016, dix perturbations à grande échelle du réseau à des baisses imprévues de la production des ressources équipées d’onduleurs, totalisant près de 15 000 MW, dont environ 10 000 MW entre 2020 et 2024. La quasi-totalité de ces événements s’expliquait par des réactions des systèmes de contrôle et de protection des convertisseurs qu’un modèle phasorial n’avait jamais représentées.

Cette décision a redéfini ce qui est considéré comme une diligence raisonnable. Les gestionnaires de réseau au sein de l'ERCOT, du CAISO et de plusieurs provinces canadiennes exigent désormais, comme condition préalable au raccordement, des modèles EMT spécifiques au fabricant. Vous devrez concevoir votre système autour du code du contrôleur « boîte noire » du fournisseur et justifier l'équivalent réseau qui se cache derrière.

« La quasi-totalité de ces incidents était liée à des réactions des systèmes de commande et de protection des convertisseurs qu’un modèle phasoriel n’a jamais pu reproduire. »

Choisir le solveur adapté à la portée de votre étude

Le périmètre de l'étude définit le domaine d'analyse. Les questions relatives à la stabilité à l'échelle du réseau, à l'adéquation des réserves ou à la tension après un incident sur des centaines de nœuds relèvent du domaine des phaseurs. Les questions concernant l'interaction entre les commandes des convertisseurs, la coordination des protections ou les performances harmoniques en un point de raccordement relèvent de l'EMT.

Le coût se répartit différemment de ce à quoi s’attendent les équipes. Un cas phasor se terminant en 90 secondes vous incite à ajouter des scénarios jusqu’à ce que la valeur marginale du scénario 400 soit proche de zéro. Un cas EMT s’étalant sur 40 minutes vous oblige à déterminer quelles pannes sont prioritaires. HYPERSIM présente en détail l’aspect EMT de cette distinction : les modèles de centrale intègrent le code des contrôleurs des fournisseurs, tandis qu’ePHASORSIM gère les cas à grande échelle où des milliers de nœuds ont plus d’importance que les détails à l’échelle de la microseconde.

Erreurs de modélisation courantes qui invalident les résultats relatifs à l'intégration des énergies renouvelables

La plupart des études d'intégration qui échouent sont dues à la qualité des modèles plutôt qu'au choix du solveur. Les modèles de bibliothèques génériques avec des paramètres par défaut, les équivalences de réseau qui surestiment l'intensité de court-circuit et les paramètres de contrôle qui ne correspondent pas à l'installation mise en service produisent tous des résultats présentés comme fiables, mais que les mesures sur site contredisent.

Cinq problèmes sont à l'origine de la majeure partie des modifications apportées aux études sur l'intégration des énergies renouvelables.

• Les modèles de convertisseurs génériques remplacent le micrologiciel du fabricant ; par conséquent, la logique de contournement ne correspond jamais à celle de l'équipement installé.
• Les équivalents du réseau sont réduits de manière trop radicale, ce qui gonfle l'intensité du court-circuit et masque l'interaction avec le réseau faible.
• Les paramètres de régulation proviennent du dossier d'étude et non du dossier de mise en service ; le modèle reflète donc l'intention initiale.
• Les pas de temps de l'EMT sont assouplis afin de raccourcir les calculs, ce qui permet de lisser les variations dynamiques rapides qui avaient suscité des inquiétudes.
• La validation s'arrête à un seul défaut triphasé équilibré, ce qui signifie que les défauts déséquilibrés et les baisses de tension superficielles ne sont pas testés.

Ces échecs ont une cause commune. La fidélité du modèle est considérée comme une propriété du logiciel plutôt que des données qui lui sont fournies. Un solveur EMT d’une microseconde exécutant un modèle d’onduleur générique avec les paramètres par défaut de l’usine vous en apprend moins sur votre installation qu’une étude phasorielle minutieuse fondée sur des paramètres vérifiés. Demandez sur quoi un modèle a été validé avant de vous interroger sur sa vitesse de calcul.

Comment les flux de travail hybrides combinent ces deux domaines au sein d'un même projet

Les études d'intégration sérieuses utilisent ces deux domaines de manière séquentielle. Les analyses en domaine phasorique permettent de passer au crible l'ensemble du système afin d'identifier les contingences, les barrages et les installations pertinentes, puis les analyses EMT examinent ces cas en détail à l'aide d'un équivalent de réseau construit à partir des résultats de ce criblage.

Un projet de modernisation d'un parc éolien de 400 MW illustre bien ce schéma. Les concepteurs passent en revue toutes les situations de contingence simples et doubles dans le domaine des phaseurs, constatent que trois défauts sur un couloir 230 kV voisin entraînent une récupération de tension marginale, et n'intègrent que ces trois cas dans l'EMT, en y associant le modèle de contrôleur de turbine fourni par le fabricant.

En procédant ainsi, vous préservez votre calendrier. Les équipes qui se lancent dans l’EMT simplement parce que la demande d’interconnexion le mentionne passent six semaines à modéliser des scénarios de crise non pertinents. Celles qui s’arrêtent à l’étape des phasors valident des cas auxquels leur équipement ne pourrait pas résister. Certaines plateformes permettent désormais de simuler conjointement les deux domaines en un seul cycle, grâce à un sous-système EMT interfacé avec un modèle phasor du réseau global.

Mettre en place une méthode de simulation capable de résister à l'examen des interconnexions

La crédibilité d’une étude repose davantage sur le raisonnement que vous pouvez exposer que sur la résolution utilisée pour les calculs. Les évaluateurs souhaitent comprendre pourquoi vous avez choisi un domaine donné, quelles hypothèses ont été posées pour l’équivalent réseau et comment le modèle de centrale a été validé. Les équipes qui documentent ces trois éléments obtiennent plus rapidement l’approbation que celles qui ont simplement effectué tous leurs calculs dans EMT.

Les ingénieurs qui maîtrisent ce processus considèrent le choix du domaine comme une décision relative à la portée du projet prise dès le lancement, les questions d’étude étant consignées par écrit avant même que quiconque n’ouvre un fichier de modélisation. Ils disposent d’une bibliothèque de modèles validés afin d’éviter de devoir recréer la même turbine ou le même onduleur à chaque projet. Ils relancent l’écran des phaseurs lorsque la configuration de la centrale change en fin de projet, car une valeur de consigne réactive révisée modifie les cas pertinents. Rien de tout cela n’a de prestige, mais chaque élément s’ajoute aux autres.

OPAL-RT a conçu ses plateformes selon cette même distinction ; c'est pourquoi les calculs détaillés relatifs aux convertisseurs et ceux portant sur les réseaux à grande échelle sont effectués à l'aide d'outils distincts, plutôt que dans un seul et même solveur de compromis. Choisissez le domaine qui correspond véritablement à votre problématique, justifiez les hypothèses qui le sous-tendent, et votre étude conservera toute sa validité bien après la signature de l'accord d'interconnexion.

« La crédibilité d’une étude tient davantage au raisonnement que l’on peut présenter qu’à la résolution utilisée. »