Les opérateurs de réseau peuvent améliorer la qualité de l’énergie, stabiliser les tensions et atteindre la stabilité grâce aux compensateurs synchrones statiques.
Les sources d’énergie renouvelables sont adoptées dans le monde entier dans un effort pour réduire l’empreinte carbone et lutter contre le changement climatique. En même temps, la prolifération des véhicules électriques et hybrides, ainsi que des utilisateurs à forte puissance comme les centres de données et les réseaux intelligents, a entraîné une demande sans précédent d’électricité propre, fiable et abordable. L’un des principaux défis de la conception des réseaux électriques est de maintenir la stabilité et la qualité de l’énergie, car les ressources énergétiques distribuées créent des flux d’énergie plus complexes et dynamiques.
Supercondensateurs pour les opérations de réseau.
Les fluctuations des rendements d’énergie renouvelable, les variations des modèles de charge et d’autres perturbations ont tendance à provoquer des déviations de tension et de fréquence qui peuvent endommager ou altérer l’équipement, perturber les opérations et causer des coupures de courant. Un réseau avec une faible inertie est particulièrement sensible à ces fluctuations, car le pourcentage réduit d’énergie provenant des turbines (qui ont une inertie intégrée) entraîne une plus grande instabilité lorsque les sources de production d’énergie et les charges importantes se mettent en ligne et se déconnectent. Pour remédier à ces problèmes, les opérateurs peuvent utiliser des compensateurs synchrones statiques (STATCOM) pour stabiliser les tensions, améliorer la qualité de l’énergie et renforcer la stabilité du réseau.
Application des STATCOM dans les installations électriques
Les STATCOM sont des dispositifs électroniques de puissance connectés en dérivation au réseau électrique pour fournir un contrôle rapide et dynamique de la puissance réactive. Ils fonctionnent en injectant ou en absorbant de la puissance réactive aussi souvent que nécessaire pour maintenir la stabilité de la tension et compenser les perturbations causées par des fluctuations de charge, des pannes ou d’autres événements. En répondant en temps réel aux changements des conditions du réseau, les STATCOM peuvent aider à prévenir l’effondrement de la tension, améliorer la qualité de l’énergie et renforcer la fiabilité et l’efficacité globales des systèmes électriques.
Un système STATCOM typique se compose de trois composants majeurs : un convertisseur à source de tension (VSC), un transformateur de couplage et un système de contrôle. Le VSC est responsable de la conversion du courant continu provenant d’un dispositif de stockage d’énergie en courant alternatif qui sera injecté dans le réseau. Les VSC utilisent généralement des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) et d’autres composants de puissance pour effectuer des conversions, en plus de techniques avancées de modulation de largeur d’impulsion (PWM) pour assurer un contrôle précis et efficace.
Le transformateur de couplage relie le VSC au réseau électrique et permet au STATCOM d’injecter ou d’absorber de la puissance réactive selon les besoins. Il fournit également l’isolation nécessaire entre le VSC et le réseau, protégeant le STATCOM des transitoires et autres perturbations. Enfin, le système de contrôle surveille les conditions du réseau et détermine la puissance réactive qui doit être injectée ou absorbée pour maintenir la stabilité de la tension. En cas de fluctuations de puissance, ce système envoie des signaux de contrôle au VSC pour ajuster sa sortie, garantissant que le STATCOM réagit rapidement aux changements des conditions du réseau.
Limitations de stockage d’énergie dans les applications STATCOM
Bien que les STATCOM soient précieux pour maintenir la stabilité du réseau, leur performance est limitée par leur incapacité à fournir une compensation de puissance active ou réelle. Ils compensent généralement uniquement les problèmes de puissance réactive, ne parvenant pas à traiter les fortes pénétrations de sources d’énergie renouvelable. Les fluctuations des rendements d’énergie renouvelable et des modèles de charge peuvent être atténuées à l’aide de compensation de puissance active ou réelle fournie par des STATCOM améliorés ou formant le réseau – des STATCOM avancés intégrant des systèmes de stockage d’énergie qui leur permettent de fournir à la fois de la puissance réactive et active.
Cependant, les batteries – les options de stockage d’énergie privilégiées pour les STATCOM – tendent à se dégrader au fil du temps, avec leurs performances et leurs capacités diminuant à chaque cycle de charge et de décharge. Cela conduit à une efficacité réduite, à des coûts de remplacement élevés et à une durée de vie plus courte. De plus, les batteries posent des risques de sécurité car elles peuvent surchauffer facilement ou exploser si elles sont endommagées, et elles contiennent des métaux lourds et des éléments toxiques pouvant causer des nuisances si elles ne sont pas éliminées correctement.
Les flywheels, une autre alternative, offrent des densités de puissance élevées et des temps de réponse rapides ; cependant, ils contiennent des systèmes mécaniques complexes qui nécessitent un entretien spécialisé et sont sujets à des pannes. En particulier, les vitesses de rotation élevées des flywheels et leurs puissants champs magnétiques peuvent mettre à rude épreuve les roulements, les joints et autres composants, entraînant une usure. De plus, tant les batteries que les flywheels ont un coût de possession total relativement élevé. Des coûts plus élevés les rendent moins économiquement viables pour les installations STATCOM à grande échelle, en particulier dans des applications nécessitant peu d’entretien et une fiabilité à long terme.
Supercondensateurs : solutions de stockage d’énergie efficaces pour les STATCOM
Les supercondensateurs, également appelés ultracondensateurs ou condensateurs à couches doubles électrochimiques (EDLC), représentent une alternative viable aux batteries et aux flywheels pour le stockage d’énergie dans les installations de STATCOM. Contrairement aux batteries, qui utilisent des réactions chimiques, les supercondensateurs stockent l’énergie dans un champ électrique et utilisent des électrodes et des électrolytes à haute surface pour réaliser des capacités ultrahautes, leur permettant de se charger et de se décharger plus efficacement que les batteries, avec une dégradation minimale au fil du temps.
Diagramme d’un supercondensateur (ou condensateur à double couche électrique) soulignant la double couche composée des plans de Helmholtz intérieur et extérieur (IHP et OHP).
Un avantage majeur des supercondensateurs pour les STATCOM est leur ultra-haute densité de puissance. En raison de leur capacité à fournir des courants très élevés par courtes impulsions, les supercondensateurs peuvent offrir la réponse rapide et dynamique nécessaire pour stabiliser le réseau lors de perturbations. Ils se chargent et se déchargent également rapidement, leur permettant de réagir en temps réel aux changements des conditions du réseau.
Les supercondensateurs présentent également des durées de vie opérationnelles prolongées. Contrairement aux batteries, qui doivent être remplacées tous les quelques années, les supercondensateurs peuvent durer des décennies avec un entretien minimal. Ils peuvent subir des millions de cycles de charge/décharge avec la pleine profondeur de décharge nécessaire à la stabilisation constante du réseau, ce qui les rend plus rentables et fiables à long terme. Les supercondensateurs sont intrinsèquement plus sûrs que les batteries car ils ne contiennent pas de matériaux dangereux et ne sont pas sujets à la surchauffe, à l’emballement thermique ou aux explosions.
Considérations clés pour l’intégration
L’intégration de supercondensateurs dans un STATCOM implique plusieurs points clés :
- dimensionnement de la banque de supercondensateurs pour répondre aux besoins en puissance et en énergie de l’application prévue
- conception de l’interface entre les supercondensateurs et l’électronique de puissance du STATCOM
- développement de stratégies de contrôle pour optimiser la performance du système
Le dimensionnement de la banque de supercondensateurs est une étape critique dans le processus de conception car il détermine le montant d’énergie qui peut être stocké et la puissance maximale qui peut être délivrée. Les concepteurs doivent analyser les exigences spécifiques de l’application STATCOM, y compris l’ampleur et la durée des perturbations de tension attendues, la génération de chaleur, le temps de réponse requis du système et la puissance totale nominale du STATCOM.
Après que la banque de supercondensateurs a été dimensionnée, l’étape suivante consiste à concevoir l’interface entre les supercondensateurs et l’onduleur du STATCOM. Une connexion directe des supercondensateurs au lien CC ou à l’entrée de l’onduleur élimine le besoin d’un convertisseur CC/CC et permet un flux d’énergie efficace et rationalisé, réduisant les pertes et simplifiant la conception globale du système. Une plage de tension plus large sur le lien CC peut optimiser l’utilisation des supercondensateurs en leur permettant d’exploiter davantage d’énergie stockée. Certains STATCOM fonctionnent à des niveaux de kilovolts ou de dizaines de kilovolts. Les contrôles de sécurité et de protection sont également critiques.
Le système de contrôle pour un STATCOM basé sur des supercondensateurs doit également être soigneusement conçu pour optimiser les performances du système. Des algorithmes peuvent surveiller l’état de charge des supercondensateurs, réguler la sortie de l’onduleur et coordonner le fonctionnement global des STATCOM avec d’autres dispositifs connectés au réseau. De plus, des techniques de contrôle avancées, telles que le contrôle prédictif par modèle à ensemble fini (FS-MPC), peuvent améliorer la rapidité et la précision de la réponse du STATCOM aux conditions changeantes du réseau.
Les STATCOM basés sur des supercondensateurs peuvent être mis en œuvre tant à l’échelle des services publics qu’à celle du secteur commercial. Les STATCOM basés sur des supercondensateurs à l’échelle des services publics sont conçus pour des applications à haute tension et haute puissance, fonctionnant généralement à des niveaux de tension compris entre 35 kV et 100 kV AC, avec une tension CC correspondante d’environ 100 kV. Ces systèmes peuvent fournir des compensations de puissance de 20 MW à 150 MW, les rendant idéaux pour des applications de stabilisation et de soutien du réseau à grande échelle. À ces niveaux de puissance, les banques de supercondensateurs doivent être conçues et construites pour un fonctionnement fiable et sûr en utilisant des unités de supercondensateurs modulaires et montées en rack pouvant être facilement agrandies et entretenues.
Les STATCOM basés sur des supercondensateurs à l’échelle commerciale sont conçus pour des applications à basse tension et faible puissance fonctionnant à des niveaux de tension inférieurs à 10 kV AC, avec une tension CC correspondante allant jusqu’à 1,5 kV. Ces systèmes offrent une compensation de puissance réactive de quelques MVA, les rendant idéaux pour le soutien local au réseau et l’amélioration de la qualité de l’énergie.
Modules et armoires de supercondensateurs Eaton pour les STATCOM
Les modules de supercondensateurs XLHV d’Eaton et les armoires XLCV offrent une solution efficace, fiable et économique pour la compensation dynamique de puissance et la stabilité du réseau.
Modules de supercondensateurs XLHV.
Les modules de supercondensateurs XLHV sont des dispositifs à haute tension et haute capacité avec un design compact et léger et une large plage de températures de fonctionnement. Les modules atteindront les valeurs souhaitées de tension et de capacité lorsqu’ils sont connectés en série ou en parallèle et sont disponibles dans différentes options de capacité et de tension pour répondre à une variété d’exigences d’application.
Pour les grandes installations de STATCOM, Eaton propose des armoires de supercondensateurs XLCV, des solutions clés en main offrant un système de supercondensateurs complet et intégré dans un seul package facile à installer. Les armoires comprennent tous les composants nécessaires, y compris les modules de supercondensateurs, l’électronique de puissance et les systèmes de contrôle, et peuvent être personnalisées pour répondre à des exigences spécifiques. Les armoires XLCV d’Eaton sont conçues pour une fiabilité accrue et un faible entretien, avec des systèmes de surveillance et de diagnostic intégrés pour garantir des performances optimales à long terme.
Armoire de supercondensateurs.
Les modules XLHV et les armoires XLCV sont conçus pour fournir des réponses rapides et dynamiques aux conditions changeantes du réseau, avec des temps de réponse inférieurs à une milliseconde et des densités de puissance élevées allant jusqu’à 10 kW/kg. Ces produits peuvent être utilisés dans une gamme d’applications STATCOM, y compris la régulation de tension, la correction du facteur de puissance et le filtrage des harmoniques.
Solution flexible et évolutive
Les supercondensateurs sont privilégiés par rapport à d’autres solutions courantes de stockage d’énergie pour les applications STATCOM. Avec une haute densité de puissance, de longues durées de vie opérationnelles et des avantages de sécurité intrinsèques, ils offrent les performances rapides, fiables et rentables requises dans des installations électriques de plus en plus complexes et dynamiques. Les modules de supercondensateurs XLHV d’Eaton et les armoires de supercondensateurs XLCV sont des solutions globales pour intégrer des supercondensateurs dans les STATCOM. Avec des caractéristiques avancées et des conceptions sur mesure, ces produits offrent aux opérateurs de réseau et aux ingénieurs une solution flexible, évolutive et fiable pour la compensation dynamique de puissance et la stabilité du réseau.