Les modèles génériques de l’EPRI peuvent aider les gestionnaires de réseau à prédire comment les sources d’énergie distribuées affecteront les opérations et la capacité du réseau.
Au cours des dernières décennies, le nombre de ressources énergétiques distribuées (DER) dans le réseau a considérablement augmenté, en particulier les systèmes d’énergie renouvelable et de stockage d’énergie associés. Une grande partie de cette intégration repose sur l’énergie éolienne et solaire à inversion, et ces ressources renouvelables devraient encore croître au cours des prochaines années.
La planification préventive est essentielle pour définir les limites d’exploitation potentielles, évaluer comment la performance du réseau peut être améliorée et déterminer si des mises à niveau du système de réseau existant sont nécessaires pour accueillir davantage d’actifs DER. Cependant, de nombreuses méthodes et outils de planification du système électrique conventionnels ne fonctionnent pas bien lorsqu’il s’agit d’intégrer les DER.
De nombreux modèles ne considèrent que les caractéristiques physiques des sources de production d’énergie. À mesure que les réseaux deviennent plus intelligents, les opérateurs utilisent davantage de logiciels et de méthodes d’optimisation qui ne sont pas facilement pris en compte dans les modèles traditionnels. Pour relever ce défi, l’Institut de recherche sur l’énergie électrique (EPRI) a développé de nouveaux modèles génériques de systèmes électriques pour les réseaux à zéro émission nette.
Ressources énergétiques distribuées. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Besoins d’intégration des DER : de nouveaux outils
Les opérateurs de réseau doivent planifier la croissance de la demande future. Avec le mouvement croissant vers des réseaux à zéro émission nette, cette planification se concentre souvent sur la fourniture de services de transport pour les sources d’énergie renouvelable. Ces ressources sont généralement situées loin des centres de charge — souvent dans des régions éloignées et rurales — et se comportent différemment des systèmes de production d’énergie traditionnels. Différentes méthodes de planification sont nécessaires pour accueillir à la fois les approches classiques de production d’énergie et le nombre croissant de DER, tout en garantissant un accès fiable des consommateurs à une alimentation électrique durable.
Les approches de planification des systèmes dans le réseau sont des études dynamiques qui se concentrent sur la façon dont le réseau réagit après qu’un événement s’est produit. Cela permet aux opérateurs d’examiner le réseau de manière globale et de tester si certains événements du réseau entraîneront une instabilité et des problèmes potentiels. L’atteinte de ces résultats de modèle repose sur des modèles mathématiques précis et robustes capables de modéliser chaque appareil au sein d’un réseau.
Ces modèles tiennent compte des caractéristiques physiques de chaque appareil et des systèmes de contrôle. Cependant, l’augmentation du nombre d’algorithmes de contrôle avancés et intelligents utilisés pour les DER pose des défis dans ces études dynamiques. Il est difficile de capturer avec précision comment ces DER se comportent lorsqu’ils sont contrôlés par des algorithmes avancés plutôt que par des processus de contrôle traditionnels. Les modèles ne peuvent pas non plus tenir compte de l’impact de la modification des algorithmes sur les réponses des appareils.
Conditions météorologiques affectant les DER. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Zhuo et al
Les modèles génériques surmontent les défis IP
Un autre aspect où les modèles actuels ont du mal à peindre un tableau précis est lié au code informatique protégé par des droits de propriété intellectuelle (IP). Dans ces cas, les fabricants d’équipement d’origine (OEM) fournissent les modèles les plus précis, car ils ont une visibilité sur la propriété intellectuelle. Cependant, la plupart des études de planification sont réalisées avant que les OEM ne soient identifiés, et même dans les cas où l’OEM est connu, obtenir la permission d’accéder à des modèles protégés par des droits d’auteur est un défi.
Dans les scénarios liés à la propriété intellectuelle, des modèles génériques peuvent être utilisés sans représenter un OEM. Au lieu de cela, ils représentent les réponses dynamiques de l’équipement. Les modèles génériques des systèmes de contrôle au sein des machines synchrones sont généralement des modèles standardisés développés et validés sur de longues périodes. Cependant, malgré leur attrait, il n’existe pas de cycles de développement et de validation prolongés pour les ressources à inversion et la transmission en courant continu haute tension (HVDC).
Modèles génériques pour les ressources basées sur des onduleurs et la HVDC
Pour combler les lacunes techniques dans les approches de modélisation dynamique, l’EPRI a travaillé avec des OEM, des entreprises de services publics, des groupes de travail industriels, des laboratoires nationaux et des opérateurs de systèmes pour examiner comment les modèles génériques peuvent être mis à jour pour s’appliquer à de nouveaux systèmes énergétiques englobant un nombre croissant de DER.
Le sous-comité de validation des modèles du Conseil de coordination de l’électricité de l’Ouest (WECC) a approuvé plusieurs des modèles génériques de l’EPRI. Ce forum dirigé par l’industrie décide quels modèles génériques peuvent être utilisés pour les études d’interconnexion du WECC.
Les modèles génériques ont été intégrés dans différents outils de modélisation commerciaux pour développer, paramétrer et évaluer des modèles WECC génériques à utiliser avec les ressources basées sur des onduleurs. Ils ont également aidé le WECC à développer les modèles composite de charge et les modèles génériques HVDC.
Ces modèles peuvent être utilisés pour comprendre la tendance générale dans les études prospectives impliquant des DER. Cependant, il est toujours important que les modèles soient correctement paramétrés, car il existe des scénarios où ces modèles peuvent désormais être appliqués mais d’autres scénarios où ils ne peuvent pas, comme tout modèle mathématique.
Système conventionnel (gauche) vs. système basé sur des onduleurs (droite). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Laboratoire national des énergies renouvelables
Lorsqu’il est utilisé avec différents opérateurs de systèmes, des entreprises de services publics intégrées et des propriétaires de transmission, le modèle EPRI a amélioré la robustesse numérique des modèles génériques dans les études impliquant des ressources basées sur des onduleurs. Le modèle pouvait prédire l’instabilité potentielle des systèmes dans différentes conditions d’exploitation. Les modèles ont également montré qu’ils pouvaient mieux prédire les charges durant les événements du réseau et inclure des modèles HVDC pour l’intégration de l’énergie éolienne en mer dans leurs prévisions.
La capacité du réseau doit s’améliorer pour accueillir davantage de DER
Les DER sont devenus essentiels dans la course à la décarbonisation du réseau et pour aider à fournir de l’énergie lorsque le réseau subit une panne. Cependant, dans son état actuel, l’augmentation du nombre de DER entrant dans le réseau (avec des millions de DER désormais connectés), en plus des technologies de production d’énergie traditionnelles encore connectées, cause des goulets d’étranglement énergétiques locaux dans le réseau. De nombreux réseaux électriques sont déjà à pleine capacité et ne pourront bientôt plus soutenir une capacité renouvelable supplémentaire à moins que la capacité du réseau double au cours de la prochaine décennie. D’ici 2030, le nombre de DER et de véhicules électriques connectés au réseau pourrait se multiplier de manière exponentielle. Il est crucial d’optimiser la capacité actuelle du réseau pour faire de la place à davantage de DER et d’augmenter considérablement la capacité du réseau.