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May 10, 2023

Les onduleurs formant réseau trouvent leur place sur les grands réseaux : peuvent-ils faire ce qu'ils disent ?

Jusqu'à récemment, les applications pratiques des onduleurs à formation de grille (GFM) étaient

Jusqu’à récemment, les applications pratiques des onduleurs de formation de réseau (GFM) étaient limitées aux micro-réseaux et aux réseaux isolés et aux applications de réseaux plus petits de l’ordre de quelques dizaines de mégawatts.

Au cours des 12 derniers mois, le paysage a changé rapidement, avec plus de 10 projets de l’ordre de plusieurs centaines de mégawatts développés dans le monde entier pour des applications de systèmes d’alimentation en vrac.

Cependant, cette technologie n’est pas bien comprise lorsqu’elle est appliquée à grande échelle. Cela devient plus important à l’avenir, lorsqu’il reprendra peut-être le rôle que les générateurs synchrones jouent depuis plusieurs décennies en tant que cheval de bataille du soutien à la stabilité du système.

Ce billet de blog vise à fournir un résumé des capacités, des limites et des considérations connues de GFM du point de vue de la modélisation du système électrique et de la performance technique, en mettant l’accent sur les études d’interconnexion du réseau et la planification et l’exploitation du système électrique.

En plus de la modélisation conventionnelle des transitoires du domaine du phaseur (PDT), la modélisation électromagnétique transitoire (EMT) devient de plus en plus importante pour l’analyse dynamique du système électrique dans des scénarios avec une part élevée de ressources basées sur des onduleurs (IBR).

Les modèles EMT et PDT peuvent se présenter sous la forme de modèles spécifiques au projet (avec les paramètres du système de contrôle spécifiques au site) ou de modèles génériques. Chacun des modèles EMT et PDT, et, à son tour, les modèles génériques et spécifiques au projet, ont certaines applications et limites justifiant leur utilisation complémentaire dans la planification et l’exploitation des réseaux électriques et les études d’interconnexion du réseau.

Cela est vrai pour les onduleurs de suivi de réseau (GFL) et les onduleurs GFM. En effet, la structure de contrôle des deux types d’onduleurs est très similaire avec des objectifs de contrôle différents.

Les malentendus courants associés à la modélisation GFM comprennent:

– Un point de vue selon lequel la modélisation PDT a peu ou pas d’application pour GFM puisque cette technologie est principalement destinée aux scénarios IBR élevés avec très peu ou pas de générateurs synchrones en ligne, conduisant au choix évident de la modélisation EMT.

– De l’autre côté du spectre, une perception selon laquelle, puisque les IBR GFM émulent généralement plusieurs caractéristiques d’une machine synchrone, la modélisation PDT serait suffisante comme elle l’a toujours été pour les machines synchrones.

L’expérience à ce jour indique que les modèles EMT fournis par les fabricants d’équipement d’origine (OEM) pour les études de connexion au réseau sont souvent robustes et précis, et généralement une représentation fidèle du code de commande réel de l’onduleur.

Différents degrés de robustesse et de précision ont été observés pour les modèles PDT GFM. En effet, le développement du modèle PDT nécessite l’application d’hypothèses simplificatrices et le développement manuel qui prend plus de temps à développer, ajuster, vérifier et mûrir le modèle.

Cela dit, les modèles PDT de GFM de certains OEM offrent une robustesse et une précision comparables aux meilleurs modèles de GFL spécifiques au projet. L’analyse comparative des modèles EMT et PDT permettra de comprendre et de résoudre les problèmes de démarrage potentiels dans les modèles PDT.

Cependant, il faut faire preuve de prudence, car les outils PDT peuvent ne pas être intrinsèquement capables de présenter le même rendement dynamique que celui d’un modèle EMT pour toutes les conditions de fonctionnement possibles, par exemple des conditions de faible résistance du système.

La nécessité de modèles de GFM spécifiques aux fournisseurs et aux projets pour les études d’interconnexion des réseaux est évidente. Cela permet une évaluation précise de la contribution positive de cette technologie à l’ensemble du réseau électrique, y compris la fourniture d’une puissance suffisante du système pour un fonctionnement stable des IBR GFL à proximité.

De plus, l’utilisation des modèles propres au projet permettra d’évaluer et de traiter toute interaction potentielle du système de contrôle avec d’autres IBR GFM et GFL du réseau; Les onduleurs GFM sont toujours capables d’interagir avec d’autres onduleurs de bande passante de contrôle similaire.

Enfin, différents équipementiers ont mis en œuvre différentes philosophies de contrôle GFM; À l’heure actuelle, des produits commerciaux basés sur un générateur / machine synchrone virtuel, un droop et un contrôle de puissance synchrone peuvent être trouvés. Plusieurs combinaisons et permutations existent au sein de chacune de ces catégories. Par conséquent, il n’est pas prudent d’utiliser des modèles génériques pour les études d’interconnexion des réseaux.

Cependant, ce qui est le mieux pour les études d’interconnexion du réseau diffère de ce qui est le mieux pour la planification à long terme. Étant donné que l’évolution rapide de la technologie peut se produire dans le délai de planification de plusieurs années, il existe souvent une incertitude quant au type et à la marque précis de la génération qui sera connectée à l’avenir. Cela rend l’utilisation de modèles dynamiques spécifiques au site et au fournisseur peu pratique pour les études de planification à long terme.

L’utilisation des modèles génériques EMT et PDT est donc l’approche la plus pratique. L’adoption croissante de l’IBR et l’émergence de nouveaux phénomènes d’instabilité dans le monde entier signifient que la modélisation EMT devra jouer un rôle clé en plus des modèles PDT couramment utilisés.

Les IBR, et en particulier les GFM, peuvent être contrôlés de différentes manières et, contrairement aux machines synchrones, ont très peu de caractéristiques inhérentes. Les différences notables entre un IBR GFM et une machine synchrone sont les suivantes :

– Réponse contrôlable et réglable de l’IBR GFM par opposition à une réponse fixe de la machine synchrone. Par exemple, l’inertie virtuelle fournie par un IBR GFM peut être adaptée pour répondre aux besoins du système électrique auquel il est connecté, et peut varier sur une large gamme.

– Contrairement à une machine synchrone où la plupart des capacités sont fournies en grande partie en tant que fonctionnalités inhérentes sans possibilité d’en ajouter ou de les supprimer, un IBR GFM peut fournir tout ou partie de ses capacités de prise en charge du réseau en fonction des besoins du système et de la priorité des services requis.

– En règle générale, un IBR GFM a un temps de construction et de mise en service plus court, un facteur important si l’application prévue est d’augmenter la stabilité des IBR GFL à proximité.

Malgré cette flexibilité, les IBR GFM et GFL sont des dispositifs limités en courant, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas fournir simultanément une contribution optimale à plusieurs attributs du système d’alimentation.

La figure 1 montre comment le courant total disponible dans le GFM peut être alloué à divers services de soutien au réseau, les aspects indiqués en vert étant généralement les contributions par défaut qui peuvent également être fournies par la GFL.

La hiérarchisation correcte de ces fonctions devrait être envisagée en fonction des besoins du système électrique environnant, en reconnaissant que la contribution la plus élevée possible à un certain attribut n’est pas toujours la réponse la plus souhaitable. Par exemple, l’expérience pratique montre que la fourniture d’une inertie élevée dans des conditions de faible résistance du système pourrait avoir un impact négatif sur les tensions du système.

L’adoption accrue des IBR GFM et la flexibilité de fournir de multiples capacités de soutien au réseau signifieront que les exigences techniques globales en matière de performance du système électrique et des générateurs individuels seront de plus en plus étroitement liées.

Par conséquent, si une certaine capacité est recherchée auprès de l’IBR GFM, il est d’abord important de déterminer quelle est cette capacité de sorte que des exigences fonctionnelles de haut niveau puissent être fournies aux OEM.

En outre, il est crucial de déterminer si ces capacités sont fournies intrinsèquement sans coût supplémentaire de développement ou si des modifications importantes de l’équipement d’origine sont nécessaires pour fournir les services système nécessaires.

Par exemple, la fourniture d’un courant de défaut supplémentaire aura un coût supplémentaire, et la mesure dans laquelle il sera nécessaire dans le futur système électrique avec très peu ou pas de production synchrone n’est pas claire. Domaines d’intervention suggérés

Les domaines d’intervention suivants sont suggérés pour le développement futur du point de vue de la modélisation des systèmes électriques et de l’évaluation du rendement technique :

– Amélioration des modèles EMT et PDT des contrôles GFM spécifiques au projet et génériques pour une utilisation dans la planification et l’exploitation du système électrique, ainsi que dans les études d’interconnexion du réseau.

– Des normes techniques personnalisées pour les générateurs et les systèmes électriques tenant compte des différences entre les IBR GFL et GFM et les machines synchrones, plutôt que d’adopter les exigences existantes développées principalement en tenant compte des machines synchrones et des IBR GFL.

– Des processus plus systématiques pour les essais d’acceptation des modèles, l’évaluation de la conformité (y compris le réglage) et la validation des modèles, reconnaissant la réponse hautement interactive de l’IBR GFM avec le système électrique plus large.

– Études prospectives de la dynamique du réseau électrique pour déterminer les besoins futurs du système électrique et la combinaison de production requise. Il s’agit notamment de répondre aux questions suivantes :

Babak Badrzadeh est directeur technique des systèmes électriques chez Aurecon

Cet article est un billet de blog rédigé par l’Energy Systems Integration Group (ESIG). ESIG est une organisation à but non lucratif qui mobilise l’expertise de la communauté technique de l’industrie de l’électricité pour soutenir la transformation du réseau et l’intégration et l’exploitation des systèmes énergétiques. Des informations supplémentaires sont disponibles sur https://www.esig.energy