Un onduleur (Unité de Production d'Electricité UPE) est une source d'électricité connectée de manière asynchrone au réseau électrique via un convertisseur de puissance électronique. Les dispositifs de cette catégorie, également appelés installation de production d'éléctricité (IPE), comprennent les générateurs d'énergie renouvelable variable (éolien, solaire) et les systèmes de stockage d'énergie tels que les batteries, les supercondensateurs, etc. . Ces dispositifs ne possèdent pas de comportement intrinsèque (comme la réponse inertielle d'un générateur synchrone) et leurs caractéristiques sont presque entièrement définies par les algorithmes de contrôle, ce qui pose des défis spécifiques en matière de stabilité du réseau à mesure que leur importance augmente (on parle de taux de pénétration). Par exemple, une simple défaillance logicielle peut affecter tous les dispositifs d'un même type en cas d'incident (voir la section sur l'incendie de Blue Cut ci-dessous). Les onduleurs sont parfois appelées générateurs non synchrones . La conception des onduleurs suit généralement les normes IEEE 1547 et NERC PRC-024-2 .
Le terme « sources non conventionnelles » inclut les onduleurs ainsi que d’autres générateurs qui se comportent différemment des générateurs synchrones.
Un appareil qui suit le signal du réseau (grid-following) est synchronisé à la tension du réseau local et injecte un vecteur de courant électrique aligné sur cette tension (autrement dit, il se comporte comme une source de courant ). Les onduleurs sont généralement des appareils qui se contentent de suivre le signal du réseau . Du fait de leur fonctionnement en mode suivi de réseau, l'onduleur s'arrête en cas de forte perturbation de tension ou de fréquence . Ces onduleurs ne contribuent pas à la robustesse du réseau, n'amortissent pas les oscillations de puissance active et ne fournissent pas d'inertie .
Un appareil rétigène (grid-forming ; GFM) imite partiellement certaines caractéristiques d'un générateur synchrone : sa tension est contrôlée par un oscillateur à commande locale qui ralentit lorsque l'énergie prélevée du dispositif augmente. Contrairement à un générateur conventionnel, l'appareil rétigène ne possède pas de capacité de surintensité et réagira donc très différemment en cas de court-circuit. L'ajout de la capacité rétigène (GFM) à un onduleur classique n'est pas coûteux en termes de composants, mais a un impact sur les revenus : afin de garantir la stabilité du réseau en fournissant de la puissance supplémentaire en cas de besoin, les semi-conducteurs de puissance doivent être surdimensionnés et un système de stockage d'énergie ajouté. Le convertisseur rétigène présente une consommation en veille plus élevée que celui qui est piloté le réseau. La modélisation démontre cependant qu'il est possible d'exploiter un système électrique presque entièrement basé sur des appareils pilotés par le réseau. Une combinaison de centrale de stockage d'énergie par batterie rétigène et de compensateurs synchrones (« SuperFACTS ») fait actuellement l'objet de recherches.
Le Réseau européen des gestionnaires de réseaux de transport d'électricité (ENTSO-E) classe les qppqreils rétigènes en trois catégories, de 1 à 3. La catégorie 1 correspond au niveau de contribution le plus faible à la stabilité du réseau (dans la classification initiale, la numérotation était inversée, la catégorie 1 étant la plus élevée). La catégorie 2 est elle-même subdivisée en 2A, 2B et 2C, la catégorie 2A étant la plus basique :
Les appareils de classe 1 s'occupent principalement de leur propre survie (gammes de fonctionnement complètes en fréquence et en tension) et ont une contribution minimale au réseau, y compris une gestion de base de la puissance réactive pour maintenir le facteur de puissance unitaire et un mode sensible à la fréquence limité (LFSM-O). Les appareils de classe 2 offrent des fonctionnalités supplémentaires : 2A prend en charge la tenue au passage des défauts (fault ride through) et le contrôle de la tension en régime permanent ; 2B ajoute le contrôle dynamique de la tension, le mode sensible à la fréquence (FSM) ainsi que le LFSM-U ; 2C assure également le contrôle de la tension à puissance active nulle, l'amortissement des oscillations et l'injection rapide de courant de défaut (FFCI) pour les périodes B et C (les périodes CA qui suivent immédiatement la période « A » présentant le défaut). La classe 3 est capable de fonctionner de manière totalement autonome sans aucun soutien du réseau. Elle crée la tension du système, est capable de gérer le niveau de défaut dans la période A, contribue à l' inertie totale du système (ITS) du réseau, peut gérer la déconnexion de la demande à basse fréquence (DDBF), fournit un puits pour les harmoniques et interharmoniques de la tension du système, et un puits pour le déséquilibre de tension.
Caractéristiques La conformité à la norme IEEE 1547 permet à l'onduleur de prendre en charge les fonctions de sécurité :
Si la tension de ligne mesurée s'écarte sensiblement de la valeur nominale (généralement en dehors des limites de 0,9 à 1,1 pu ), l'onduleur se déconnecte après un délai (temps de maintien de la tension). Ce délai est d'autant plus court que l'écart de tension est important. Une fois l'onduleur hors tension, il reste déconnecté pendant une durée significative (plusieurs minutes). En cas de variation inattendue de la tension, l'onduleur passe en mode d' arrêt momentané : tout en restant connecté, il n'injecte aucune puissance dans le réseau. Cet état est de courte durée (moins d'une seconde).
Une fois qu'un onduleur cesse de fournir de l'énergie, il ne peut revenir que progressivement, en augmentant sa puissance de zéro à pleine puissance.
La nature électronique des onduleurs limite leur capacité de surcharge : les contraintes thermiques font que leurs composants ne peuvent même pas fonctionner temporairement à plus de 1 à 2 fois la capacité nominale, tandis que les machines synchrones peuvent brièvement tolérer une surcharge allant jusqu'à 5 à 6 fois leur puissance nominale.
Une panne typique d'un générateur synchrone conventionnel (comme une perte de moteur principal ) est lente (secondes), tandis qu'un UPE asynchrone doit se déconnecter rapidement en raison de sa faible marge de surcharge.
La North American Electric Reliability Corporation (NERC) note qu'un UPE asynchrone, comme les générateurs conventionnels, peut fournir des services de fiabilité essentiels et résume les différences comme suit : +Différences entre les onduleurs et les générateurs synchrones Onduleurs Générateur synchrone Comportement déterminé par le convertisseur de puissance et le logiciel de contrôle Comportement principalement déterminé par les propriétés physiques de la machine Inertie inexistante ou faible Grande inertie du rotor Courant de défaut faible Courant de défaut élevé Basé sur une électronique sensible Sa conception permet de résister à des conditions extrêmes montée en puissance rapide La montée en puissance est limitée par des contraintes mécaniques. Contrôle rapide de la fréquence Réponse inertielle par conception La disponibilité est limitée par les conditions environnementales. Disponibilité complète Très peu d'équipements supplémentaires en dehors du générateur Équipements auxiliaires importants augmentant le risque défaut
fonctions de protection Les IPE asynchrones sont équipés de nombreuses fonctions de protection intégrées aux onduleurs. L'expérience de la fin des années 2010 et du début des années 2020 a montré que certaines de ces protections étaient superflues, car elles avaient été conçues pour un réseau électrique robuste avec une faible pénétration des onduleurs. Les recommandations NERC 2018 suggéraient de supprimer certains de ces contrôles afin d'éviter les déconnexions (« déclenchements ») intempestives des onduleurs, et les dispositifs plus récents pourraient en être dépourvus. Les contrôles restants sont essentiels à l'autoprotection des onduleurs qui, comparés à un générateur synchrone, présentent une tolérance relativement faible aux surtensions et aux surintensités. Les protections typiques comprennent :
Surtension alternative instantanée . Une surtension de forte amplitude peut endommager les composants électroniques sensibles de l'onduleur. Le capteur de tension mesure la forme d'onde avec un filtrage minimal. Dans certains cas, la mise hors tension de l'onduleur pendant une perturbation peut aggraver le problème de tension (cf. surtension subcyclique ) ; Une protection instantanée contre les surintensités alternatives empêche l'onduleur, qui tolère mal les surcharges, d'injecter du courant dans un défaut. Une réponse rapide est également essentielle, c'est pourquoi très peu de filtrage est appliqué aux données du capteur de courant ; Une surtension CC indique un problème sur le bus CC de l'onduleur (et un défaut interne à l'électronique de l'onduleur) ; Les onduleurs multiniveaux (comme les onduleurs à point neutre fixé à trois niveaux, ou NPC) présentent un déséquilibre de tension CC dû à la présence de plusieurs bus CC. Un déséquilibre de tension entre ces bus, pouvant survenir en raison d'une distorsion de la forme d'onde causée par un défaut transitoire externe, nécessite un déclenchement pour être éliminé ; La protection contre les variations de tension et de fréquence coupe l'onduleur en cas de forte distorsion de la forme d'onde. Suite à l'incendie de Blu Cut, les directives NERC exigent un filtrage poussé des données afin d'éviter le déclenchement de l'appareil lors d'un défaut externe de courte durée ; La protection contre les sauts de phase détecte un changement dans la différence de phase entre les formes d'onde de la tension et du courant qui pourrait indiquer un îlotage accidentel ; Perte de synchronisme . Si l'« angle PLL » (équivalent IBR de l' angle du rotor ) varie rapidement, cela peut indiquer un dysfonctionnement de l'appareil et nécessiter un déclenchement pour éviter des dommages ultérieurs. Cependant, avec des réseaux plus faibles et une forte pénétration des IBR, une fausse alarme est possible.
Une fois déclenchés, les IPE asynchrones redémarrent automatiquement ou manuellement. La durée typique du redémarrage se situe entre quelques secondes et quelques minutes (la valeur par défaut de la norme IEEE-1547 est de 300 secondes).
Faiblesses De nouveaux défis pour la stabilité du système sont apparus avec la pénétration accrue des onduleurs. Des cas de déconnexions lors d'événements d'urgence où la tenue au défaut était attendue, et un mauvais amortissement des oscillations sous-synchrones dans les réseaux faibles ont été signalés.