Banc d'essai MMC : système HVDC à échelle de laboratoire (multiterminal) destiné à moderniser le réseau électrique européen

L'entreprise

L'Institut des équipements et réseaux haute tension, de la numérisation et de l'économie de l'énergie de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, est un institut de recherche de premier plan dans le domaine de l'ingénierie électrique. La RWTH d’Aix-la-Chapelle a participé à l’initiative PROMOTioN (PROgress on Meshed HVDC Offshore Transmission Networks), un projet européen d’envergure réunissant 33 partenaires issus de 11 pays et visant à développer des réseaux offshore HVDC maillés, à la fois rentables et fiables, afin d’acheminer des gigawatts d’énergie éolienne depuis la mer du Nord et la mer Baltique.

Les défis

• Évacuation de l'énergie éolienne offshore : l'intégration de parcs éoliens offshore de plusieurs gigawatts via un réseau HVDC à terminaux multiples pose des défis complexes en matière de contrôle et de protection pour les réseaux de transport continentaux en courant alternatif.
• Obstacles liés aux essais haute tension : les essais physiques à grande échelle des convertisseurs HVDC haute tension sont pratiquement impossibles en raison des risques extrêmes pour la sécurité, des coûts élevés et du manque d'accès aux infrastructures du réseau.
• Contrôle des convertisseurs complexes : les convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux (MMC) présentent des topologies novatrices qui nécessitent une validation sophistiquée des systèmes de contrôle, tant au niveau bas qu’au niveau haut, avant leur déploiement à grande échelle.
• Incertitude liée à l'interaction entre les réseaux : les gestionnaires de réseau et les planificateurs manquent d'expérience opérationnelle concernant la dynamique entre les liaisons MMC-HVDC, les parcs éoliens offshore et les réseaux CA environnants.

La solution OPAL-RT

OPAL-RT a fourni et mis en place un banc d'essai complet de type MMC à courant continu, à basse tension et à plusieurs terminaux :

• HYPERSIM Simulation en temps réel du réseau CA et d'un parc éolien : un simulateur HIL OP5707 reproduisant HYPERSIM émule le réseau électrique CA environnant et la dynamique du parc éolien offshore.
• Bancs d'essai MMC modulaires : installation de huit bancs d'essai MMC à l'échelle de laboratoire. Chaque banc d'essai se compose d'un OP4510 (FPGA Kintex-7 + processeur Intel Xeon) destiné au contrôle des convertisseurs de bas et haut niveau, ainsi que de six boîtiers de sous-modules OP1210 (jusqu'à 11 niveaux, 400 V, 6 kW).
• Alimentation – «Simulation HIL » (PHIL) : amplificateurs de puissance linéaires intégrés à quatre quadrants de 21 kVA (« Puissance Plus ») permettant de coupler en temps réel les convertisseurs MMC du laboratoire physique à l'environnement CA simulé.
• Émulation de ligne CC : utilisation des sections PI de l'OP8600 (32 étages) pour émuler jusqu'à 800 km de lignes de transport CC bipolaires (ou 1 600 km de lignes monopolaires).

Les résultats

• Mise en service rapide : mise en service réussie du démonstrateur HVDC multi-terminaux complexe en juillet 2019, à peine huit mois après les essais de réception en usine (FAT) à Montréal.
• Validation du soutien au réseau CA : analyse réussie de stratégies avancées de contrôle MMC visant à fournir des services auxiliaires et un soutien en fréquence aux réseaux CA.
• Recherche sur les harmoniques et les défauts : a permis de mener des essais approfondis sur la résonance harmonique des parcs éoliens offshore, les capacités de démarrage autonome des redresseurs à diodes et les stratégies de gestion des défauts en courant continu.
• Transfert de technologie à risque réduit : des essais PHIL à échelle réduite ont permis de valider des solutions à faible puissance pouvant être directement extrapolées et appliquées aux réseaux commerciaux HVDC offshore à haute tension.

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