Exploiter les capacités avancées de soutien au réseau des ressources basées sur les onduleurs 

Par : Deepak Ramasubramanian, Institut de recherche sur l'énergie électrique (EPRI)

Le réseau électrique est à l'aube d'une transition avec des quantités croissantes de ressources basées sur des onduleurs (IBR) dans la file d'attente d'interconnexion. Ces ressources présentent des caractéristiques de performance très différentes de celles des machines synchrones conventionnelles qui ont alimenté le réseau électrique jusqu'à présent. Au fur et à mesure que les IBR se répandent dans le réseau électrique, elles posent de nouveaux défis, inédits jusqu'à présent. Pour relever ces défis, il est important que nous tirer profit toutes les capacités des IBR.

Contrairement aux machines synchrones, un IBR n'a aucune caractéristique naturelle. L'ensemble de ses performances est régi par des lignes de code informatique. Par conséquent, le comportement ou les caractéristiques d'un IBR sont basés sur les exigences de performance présentes dans la région d'interconnexion. Il est donc important que les planificateurs du transport définissent clairement les performances attendues de ces ressources, tout en évitant le risque d'une prescription excessive.

Jusqu'à récemment, on ne s'attendait pas à ce qu'un IBR fournisse beaucoup de services ou de capacités au réseau électrique, car il était entendu que le parc de machines synchrones se chargerait de fournir ces capacités et ces services. Cependant, avec la mise hors service croissante du parc de machines synchrones, il devient nécessaire de tirer profit des services et des capacités des IBR. Un tel paradigme met en évidence les deux extrémités différentes des objectifs de contrôle des IBR. D'un côté, il y a un objectif de contrôle hérité que l'on peut qualifier de suivi du réseau (GFL). Dans ce cas, un IBR fonctionne en mode d'injection de puissance constante. Lorsqu'il fonctionne dans ce mode, l'IBR ne fournit aucune puissance réactive au réseau et, en outre, aucune forme de variation de la puissance de sortie en fonction de la fréquence. Si l'on compare ce mode de fonctionnement d'un paradigme de domaine temporel dynamique à un paradigme d'écoulement de puissance en régime permanent, ce mode de fonctionnement serait modélisé comme un bus PQ dans une solution d'écoulement de puissance avec des limites Q fixées à 0. Comme on le sait, dans une solution d'écoulement de puissance, une augmentation du nombre de ces bus PQ pour représenter les générateurs peut rapidement conduire à un scénario non convergent. Une situation similaire peut se produire même dans un scénario dynamique, dans lequel, en cas de perturbation du réseau, si tous les onduleurs continuent à injecter la quantité de puissance active avant la perturbation et n'injectent aucune puissance réactive, cela peut conduire à une situation instable.

De l'autre côté, il y a un objectif de contrôle que l'on peut qualifier de formation du réseau (GFM). Cet objectif de contrôle est appliqué dans les réseaux insulaires et autonomes depuis de nombreuses années et représente essentiellement un IBR aussi proche que possible d'une source de tension idéale. Si nous transposons un paradigme dynamique à un paradigme d'écoulement de puissance en régime permanent, un tel mode d'exploitation serait modélisé comme une barre d'arrêt dans une solution d'écoulement de puissance. Nous savons également qu'il n'est pas possible d'obtenir une solution d'écoulement de puissance convergente avec de nombreux bus de ralentissement indépendants. Une situation similaire peut survenir même dans un scénario dynamique où, pour une perturbation du réseau, si tous les onduleurs fonctionnent comme une source de tension idéale, cela pourrait conduire à une solution instable.

Entre ces deux extrémités des objectifs de contrôle se trouve un continuum de contrôle qui peut être réalisé par les IBR et qui est important pour le fonctionnement stable et fiable du futur réseau électrique. C'est de ce continuum que découle le concept de capacités avancées de soutien au réseau. Il convient de noter que si l'on se concentre sur la notion de capacités avancées de soutien au réseau, la terminologie relative au suivi du réseau ou à la formation du réseau peut être ignorée ou, dans le meilleur des cas, laissée au personnel chargé des ventes et du marketing.

Le fonctionnement sûr et fiable du réseau électrique dépend de l'existence d'un contrôle suffisant de la tension et de la fréquence. Du point de vue de l'écoulement de la puissance en régime permanent, cela implique la nécessité de disposer d'un nombre suffisant de bus PV et de bus de délestage distribués. D'un point de vue dynamique, la rapidité du contrôle de la fréquence et de la tension est importante pour maintenir une réponse stable en cas de perturbation du système électrique. Dans un IBR, il existe généralement deux niveaux de hiérarchie de contrôle. Le niveau le plus lent de la hiérarchie de contrôle agit comme un contrôle au niveau de la centrale qui se charge de coordonner les sorties des onduleurs ou des turbines individuels au sein d'une centrale IBR. Ce niveau de contrôle plus lent, s'il est doté de la capacité de fournir une réponse de tension et de fréquence, peut apporter un premier niveau d'amélioration dans les capacités avancées de soutien du réseau. Le niveau le plus rapide de la hiérarchie de contrôle se situe au niveau de l'onduleur ou de la turbine au sein d'une centrale IBR. Ce niveau de contrôle plus rapide, s'il est également capable de fournir une réponse de tension et de fréquence, peut augmenter considérablement les capacités avancées de soutien au réseau qui peuvent être fournies par les IBR.

Il est important de noter qu'un grand nombre de méthodes ou de mécanismes de contrôle peuvent permettre d'atteindre ces objectifs. Par conséquent, l'exploitation des capacités avancées de soutien au réseau devrait être abordée du point de vue des exigences de performance plutôt que de l'architecture de contrôle. La capacité d'habilitation des IBR existants peut également contribuer à améliorer le tirer profit capacités avancées de soutien au réseau. Aujourd'hui, de nombreux IBR fonctionnent avec un contrôle de niveau supérieur de l'installation qui fournit des fonctionnalités de réponse à la tension et à la fréquence, tandis que les contrôles au niveau de l'onduleur ou de la turbine fonctionnent généralement pour atteindre un objectif de suivi des commandes de puissance provenant du contrôle au niveau de l'installation. Déplacer certains de ces objectifs de contrôle au niveau de l'onduleur, soit par le biais de l'architecture de contrôle existante, soit par le biais de nouvelles formes d'architecture de contrôle, peut aider à tirer parti des capacités avancées de soutien au réseau.

Les travaux récents du groupe de travail sur les services de l'Énergie Systems Integration Group (ESIG) mettent en évidence les avantages de l'utilisation des objectifs de contrôle au niveau de l'onduleur pour tirer profit capacités avancées de soutien au réseau. Les évaluations réalisées par le groupe de travail identifient l'impact des deux objectifs de contrôle de l'IBR tout en mettant en évidence la nature du continuum de contrôle.

En outre, les évaluations montrent également l'importance d'un paramétrage approprié des modèles lors de la comparaison du fonctionnement des IBR dans différents domaines de simulation. La figure ci-dessus montre comment de nombreux aspects différents de l'exploitation de la capacité de soutien avancé du réseau par les IBR peuvent être évalués dans plusieurs domaines de simulation, si les précautions nécessaires sont prises pour assurer l'interopérabilité et la paramétrisation des modèles. Un effort récent de l'IEEE CIGRE sur ce sujet pourrait permettre une interopérabilité plus efficace entre les domaines de simulation.

Les IBR peuvent être contrôlés pour fournir toute forme de comportement dynamique souhaité, allant d'un fonctionnement à puissance constante jusqu'à être la première ressource d'une séquence de mise sous tension en cas de black start. Leur impact sur le réseau est cependant basé sur les définitions de la performance attendue, de la capacité et de l'utilisation ultérieure de cette capacité. Comme de plus en plus de ressources de ce type s'interconnectent au réseau électrique, l'exploitation de cette vaste capacité disponible serait cruciale pour garantir un fonctionnement fiable et résilient du réseau électrique en vrac. Ne nous laissons pas alourdir par la terminologie et les notions de la fin du livre, mais profitons plutôt de cette occasion pour reconnaître les myriades de capacités de soutien du réseau qui existent et peuvent être exploitées pour que l'ordre puisse émerger du chaos.