Guide de l'ingénieur sur les ressources basées sur les onduleurs dans les systèmes électriques

Principaux enseignements

• Une ressource basée sur un onduleur se définit par son interface de conversion plutôt que par son combustible ; c'est pourquoi les terminaux HVDC et les STATCOM sont classés dans la même catégorie que les centrales solaires et les parcs de batteries.
• Le contrôle adaptatif au réseau dépend d'un angle de réseau stable ; ainsi, les sites à faible résistance du système incitent les opérateurs à adopter des spécifications de formation de réseau, avec les coûts supplémentaires que cela implique.
• La qualité des résultats d'une étude dépend entièrement des paramètres sur lesquels elle repose, et les données du modèle présentées sont souvent en contradiction avec ce que le régulateur exécute réellement.

Une ressource à onduleur désigne tout équipement de production ou de stockage raccordé au réseau via un onduleur électronique, plutôt que par le biais d'une machine synchrone à couplage direct.

Ce simple choix d'interface remet en cause la plupart des hypothèses qui sous-tendent l'analyse classique des réseaux électriques. Un générateur synchrone maintient la tension et la fréquence grâce à des principes physiques, la masse en rotation réagissant avant même que tout contrôleur n'intervienne. Un onduleur, quant à lui, les maintient grâce à un logiciel : il échantillonne le réseau des milliers de fois par seconde et commute des semi-conducteurs pour produire exactement le courant demandé par son code de commande. Sa réponse relève d'un choix de conception plutôt que d'une propriété physique.

L'énergie solaire, le stockage par batterie et l'éolien représentent 93 % des 86 GW de nouvelle capacité à grande échelle prévus aux États-Unis pour 2026 ; ainsi, le parc qui détermine le comportement du réseau se renouvelle en l'espace d'un seul cycle de planification. Si l'on ne peut pas décrire le comportement des commandes d'un onduleur en cas de défaut, de variation de fréquence ou de faiblesse du réseau, on ne peut pas non plus décrire le comportement du réseau lui-même.

Qu'est-ce qui est considéré comme une ressource alimentée par onduleur sur le réseau ?

Tout dispositif qui alimente le réseau via un convertisseur de source de tension est considéré comme une ressource à onduleur. Cette définition repose sur l'interface électrique plutôt que sur le combustible utilisé. Une centrale est considérée comme telle lorsque son courant de sortie est régulé par une boucle de commande et une commutation à semi-conducteurs, plutôt que par le champ tournant d'une machine directement liée à la fréquence du réseau.

Cette approche englobe des éléments que les ingénieurs ne classent pas toujours dans la même catégorie. Un terminal à courant continu haute tension assurant le transfert d’énergie entre deux zones asynchrones repose sur un onduleur, tout comme une batterie d’ micro-réseau alimentée au diesel qui n’est jamais reliée à une source d’énergie renouvelable. Ce qui se trouve en amont du bus CC n’a aucune incidence sur le comportement de contrôle en aval de celui-ci.

Il est important de bien définir cette limite, car les règles d'interconnexion, les exigences en matière de « ride-through » et les obligations de modélisation s'appliquent à l'interface plutôt qu'à la technologie elle-même. Une batterie de 20 MW et une centrale solaire de 200 MW répondent à des attentes qui se recoupent, car toutes deux sont raccordées au réseau via des convertisseurs.

« Ce qui se trouve en amont du bus CC n'a aucune incidence sur le comportement de régulation en aval de celui-ci. »

Les types de ressources fonctionnant avec un onduleur que vous rencontrerez concrètement

Cinq catégories couvrent la quasi-totalité des matières étudiées par un ingénieur. Elles se distinguent par ce qui se trouve en amont du bus CC et par la quantité d'Énergie s disponibles pour assurer une réponse rapide.

• Centrales solaires photovoltaïques à grande échelle, dans lesquelles des onduleurs en chaîne ou centraux convertissent le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif à la fréquence du réseau.
• Les systèmes de stockage par batterie, qui utilisent des convertisseurs bidirectionnels pour absorber ou injecter de l'énergie sur les mêmes bornes en quelques millisecondes.
• Les éoliennes de type 3 et de type 4, dans lesquelles un convertisseur partiel ou complet dissocie la vitesse du rotor de la fréquence du réseau.
• Des liaisons à courant continu haute tension et des stations « dos à dos » assurant le transport d'électricité en vrac entre des régions fonctionnant à des fréquences différentes.
• Les systèmes de compensation réactive à convertisseur, tels que les STATCOM, qui fournissent ou absorbent de la puissance réactive sans produire de puissance active de manière continue.

Dans la pratique, la distinction s'opère entre les installations disposant d'une capacité de stockage d'Énergie s et celles qui n'en disposent pas. Une batterie répond à un événement de fréquence en fournissant de la puissance active aussi longtemps que son état de charge le permet. Une centrale solaire ne peut intervenir que si sa production est limitée et qu'elle dispose d'une marge de réserve, ce que les exploitants financent rarement.

En quoi le fonctionnement des onduleurs « grid-following » et « grid-forming » diffère-t-il ?

La principale différence entre les onduleurs « grid-following » et les onduleurs « grid-forming » réside dans la provenance de la référence d'angle de tension. Un onduleur « grid-following » mesure l'angle du réseau à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase et injecte un courant en fonction de celui-ci. Un onduleur « grid-forming » génère son propre angle interne et se comporte comme une source de tension branchée en aval d'une impédance.

C'est cette distinction qui détermine à quelle catégorie appartient chaque type de commande. Les onduleurs à suivi de réseau fonctionnent bien lorsque le réseau est suffisamment robuste pour qu'une boucle à verrouillage de phase puisse suivre un angle stable. Si l'on réduit suffisamment le rapport de court-circuit, cette même boucle commence à entrer en conflit avec la tension qu'elle tente de suivre.

Le contrôle de formation de réseau élimine cette dépendance, et les gestionnaires de réseau l’imposent désormais dans les zones où la puissance du réseau est faible. Cela a un coût. Une centrale de formation de réseau doit disposer d’ Énergie s en aval du convertisseur et d’une marge de courant suffisante pour maintenir son angle en cas de perturbation ; par conséquent, un mégawatt d’énergie solaire coûte plus cher.

Pourquoi les ressources équipées d'onduleurs modifient les marges de résistance et de stabilité du réseau

Le remplacement des machines synchrones par des convertisseurs réduit à la fois la résistance et l'inertie du réseau. La résistance du réseau diminue car les onduleurs limitent leur courant de défaut à un niveau proche de la puissance nominale, contre cinq à sept fois la puissance nominale pour un générateur synchrone. L'inertie diminue car il n'y a pas de masse tournante couplée pour ralentir une variation de fréquence.

L'exemple le plus parlant est celui de l'ouest du Texas. L'interaction de contrôle subsynchrone entre les centrales éoliennes, les centrales solaires et les longues lignes de transport radiales a généré des oscillations persistantes que les opérateurs ont gérées en limitant la production jusqu'à ce que les paramètres de contrôle soient réajustés. Aucune défaillance mécanique n'est à déplorer. L'interaction s'est produite au sein des boucles de contrôle des convertisseurs, qui fonctionnaient chacune correctement prise isolément.

Le taux de variation de la fréquence est l'autre marge soumise à pression. Une inertie plus faible signifie qu'une perte de production donnée entraîne une variation plus rapide de la fréquence, ce qui réduit la marge de manœuvre pour les mesures de délestage et rapproche les seuils de protection des excursions normales. Les planificateurs y répondent par le recours à des condensateurs synchrones et par des exigences en matière de renforcement du réseau, chacune de ces mesures entraînant un coût qui doit être justifié par les résultats d'études.

Comment les ressources équipées d'onduleurs sont modélisées et validées avant leur raccordement au réseau

Deux classes de modèles sont requises. Les modèles de phaseurs à séquence positive couvrent la planification du réseau global avec une résolution de l'ordre de la milliseconde, tandis que les modèles de transitoires électromagnétiques permettent de modéliser le comportement de commutation, l'interaction des boucles de régulation et la réponse aux défauts avec une résolution de l'ordre de la microseconde. Les questions relatives aux réseaux fragiles et à la formation de réseau ne peuvent trouver de réponse que dans l'EMT.

La précision des modèles constitue le maillon faible. Des analyses de la qualité des modèles menées à l’échelle du réseau électrique nord-américain ont révélé qu’environ 66 % des réglages de protection déclarés par les exploitants de centrales ne sont pas configurés pour exploiter pleinement la capacité des onduleurs qu’ils protègent, et que les valeurs déclarées ne correspondaient souvent pas aux fichiers de modèles dynamiques fournis en annexe. Une étude de stabilité fondée sur ces fichiers décrit une centrale qui n’existe pas.

Pour combler cette lacune, il faut tester le contrôleur lui-même plutôt qu’une simple représentation de celui-ci. Les configurations « Simulation HIL » font fonctionner la carte de commande physique du variateur sur un réseau simulé s’exécutant en temps réel ; c’est ainsi que les ingénieurs utilisant les simulateurs OPAL-RT reproduisent un événement de maintien en tension à basse tension avant la mise sous tension de l’installation. Le contrôleur réagit au défaut simulé en utilisant la logique du micrologiciel qu’il utilisera en conditions réelles.

« Une étude de stabilité fondée sur ces dossiers décrit une usine qui n'existe pas. »

Questions fréquemment posées par les ingénieurs au sujet des ressources basées sur des onduleurs

Les mêmes questions reviennent à chaque examen d'interconnexion, et les réponses portent généralement sur l'interface du convertisseur plutôt que sur le combustible qui l'alimente. La plupart des confusions proviennent du fait que les ressources basées sur des onduleurs sont considérées comme relevant de la catégorie des énergies renouvelables, alors qu'elles relèvent en réalité de la catégorie de contrôle.

Toutes les ressources fonctionnant avec un onduleur sont-elles des sources d'énergie renouvelables ?

Non. Les terminaux HVDC, les STATCOM et les batteries alimentées par n'importe quelle source fonctionnent tous à l'aide d'onduleurs, et un convertisseur à gaz de type «micro-réseau » répond également à ces critères. Il se trouve que la production d'énergie renouvelable prédomine, ce qui explique pourquoi ces termes sont utilisés de manière interchangeable.

En quoi une ressource fonctionnant avec un onduleur diffère-t-elle d'une ressource de type « distributed Énergie » ?

Ces catégories se recoupent sans pour autant se confondre. Une ressource « Énergie e distribuée » désigne la puissance et le point de raccordement sur une ligne de distribution. Une ressource « à onduleur » désigne l’interface électrique ; ainsi, une centrale solaire de 300 MW raccordée au réseau de transport relève de la première catégorie sans pour autant relever de la seconde.

Les ressources équipées d'onduleurs génèrent-elles un courant de défaut ?

Oui, mais dans une bien moindre mesure qu'une machine synchrone. La limitation de courant à l'intérieur du convertisseur plafonne cette contribution à proximité de la puissance nominale, ce qui affaiblit la coordination en cas de surintensité et impose souvent des schémas de protection différentielle ou à distance à des circuits qui fonctionnaient auparavant avec de simples relais.

Pourquoi les installations équipées d'onduleurs se déclenchent-elles en cas de défaut à proximité ?

Les causes habituelles sont les coupures momentanées, la perte de synchronisme de la boucle à verrouillage de phase et les erreurs de mesure de fréquence. L'incendie de Blue Cut, survenu en Californie en 2016, a entraîné la perte d'une grande partie de la production solaire, car les onduleurs ont interprété une mesure de fréquence induite par un défaut comme étant hors plage.

Ce qui distingue une intégration fiable des ressources à l'aide d'onduleurs des approximations

Pour garantir une intégration fiable, il faut savoir ce que les commandes vont réellement faire, puis le vérifier avant que l'installation ne revête une quelconque importance pour qui que ce soit. Les principes physiques d'un onduleur sont bien établis. L'incertitude réside dans le micrologiciel, les réglages de protection et les paramètres de commande, que personne en dehors de l'installation ne peut consulter dans une fiche technique.

Les équipes qui réussissent dans ce domaine considèrent le modèle comme une hypothèse qui doit être vérifiée. Elles récupèrent les paramètres réellement chargés dans le contrôleur, exécutent des cas EMT aux taux de court-circuit auxquels l'installation sera réellement confrontée, et testent le matériel sur banc d'essai lorsqu'un résultat d'étude semble trop parfait. Ce travail n'a rien de prestigieux, mais c'est ce qui fait la différence entre une phase de mise en service respectée des délais et une phase qui prend du retard.

Du point de vue économique, cette discipline est tout aussi payante. Une défaillance détectée lors d’un test de fonctionnement sur banc d’essai coûte des heures de travail aux ingénieurs. La même défaillance, détectée après la mise sous tension, entraîne une réduction de la production, la mise en place d’un plan d’actions correctives et l’intervention des autorités de régulation. Les laboratoires de simulation en temps réel, notamment ceux basés sur les plateformes OPAL-RT, ont pour objectif d’anticiper ces découvertes, afin que la validation ne soit plus une simple formalité à cocher à la fin d’un projet.