Qu’est-ce qui maintient le courant alterné en synchronisation lorsque les grands générateurs d’alimentation sont hors ligne?

À l’avenir, l’Europe doit être principalement alimentée par les énergies renouvelables. L’expansion de la capacité d’énergie éolienne et solaire et la fourniture d’une puissance suffisante en hiver ne sont que deux des défis que cela présente.

Le grand public n’est largement pas au courant des changements fondamentaux d’accompagnement du réseau électrique: tandis que les générateurs de centrales électriques à grande échelle traditionnelles – c’est-à-dire des centrales hydroélectriques, au charbon et nucléaires – il existe désormais le besoin de convertisseurs contrôlés électroniquement.

La protection de ces convertisseurs contre les dysfonctionnements de la grille tels que les trempettes de tension et les courts-circuits n’est en aucun cas une entreprise facile. Maintenant, le groupe dirigé par Florian Dörfler, professeur de contrôle des systèmes complexes à ETH Zurich, a fourni une solution.

Tout d’abord, il est important de savoir que l’électricité traversant les réseaux électriques de l’Europe est basée sur la technologie actuelle alternée, ce qui signifie que la direction du courant s’inverse toutes les centième de seconde. Cette fréquence est établie par les générateurs dans de grandes centrales, qui sont synchronisées entre elles via la grille.

D’un autre côté, les centrales éoliennes et solaires produisent un courant direct, qui doit être converti en courant alternatif par les convertisseurs. Les convertisseurs d’aujourd’hui s’adaptent à la fréquence du réseau et injectent leur puissance en synchronisation.

Cette approche fonctionne tant qu’il y a suffisamment de grandes centrales électriques avec des turbines opérant dans la grille. Cependant, si un nombre croissant de charbon et centrales nucléaires Rendez-vous hors ligne à l’avenir, ces générateurs de synchronisation seront perdus – et un remplacement sera nécessaire.

Mécanisme de protection radicale

À l’avenir, il y aura un besoin de convertisseurs de formation de grille – c’est-à-dire des convertisseurs qui ne suivent pas simplement une fréquence, comme c’est le cas aujourd’hui, mais aident plutôt activement à le stabiliser. Jusqu’à présent, les ingénieurs n’avaient pas de solution viable sur la façon dont ces convertisseurs de formation de réseau pouvaient continuer à fonctionner en cas de court-circuit ou d’une baisse de tension dans le réseau électrique tout en étant protégé contre la surcharge.

Les convertisseurs d’aujourd’hui ont un mécanisme de protection qui garantit qu’ils se déconnectent de la grille en cas de dysfonctionnement de la grille. Cette protection est nécessaire car, s’il devait y avoir une grande baisse de tension dans le réseau électrique, le convertisseur tenterait de compenser la tension manquante en injectant un courant élevé. Cela surchargerait le convertisseur et le dommagera irrémédiablement dans l’espace des millisecondes.

Avec nouveaux algorithmes Pour un contrôle intelligent, le groupe de Dörfler a maintenant réussi à continuer à exploiter les convertisseurs de formation de grille même en cas de dysfonctionnement de la grille. Un arrêt rigoureux n’est plus nécessaire. Cette approche permet à une centrale éolienne ou solaire de rester en ligne, de continuer à fournir de la puissance et de contribuer donc à stabiliser la fréquence du réseau même en cas de dysfonctionnement de la grille. En conséquence, le système peut assumer le rôle actuellement réalisé par des générateurs d’électricité traditionnels à grande échelle.

Le contrôleur du convertisseur mesure en continu les paramètres de la grille et ajuste le convertisseur en temps réel via une boucle de rétroaction. ETH Zurich a demandé un brevet sur les nouveaux algorithmes.

Les thèses de maîtrise dans l’industrie

L’idée initiale est venue de l’un des étudiants de maîtrise de Dörfler, qui fait maintenant un doctorat à ETH: Maitraya Desai s’est rendu compte que, en cas de dysfonctionnements de grille, il est préférable de faire face à la tension du réseau et à la fréquence du courant alternatif séparément. Comme il est difficile de maintenir la tension en cas de dysfonctionnement de la grille, le nouvel algorithme de contrôle se concentre sur la fréquence et tente de le maintenir stable dans la grille en toutes circonstances. Dans le même temps, l’algorithme limite le courant pour éviter de surcharger le convertisseur, tout en permettant à la tension de varier librement.

Après la première exécution de calculs, les chercheurs de l’ETH ont vérifié ces calculs dans les simulations informatiques et enfin dans un petit système de test en laboratoire. Étant donné que les améliorations concernent uniquement les logiciels, il n’est pas nécessaire que l’industrie construise des systèmes de démonstration. Il peut plutôt incorporer les algorithmes directement dans son logiciel de contrôle.

Dörfler prévoit de travailler en étroite collaboration avec les partenaires de l’industrie intéressés à cette fin. Par exemple, l’objectif est que les étudiants de l’ETH fassent leurs thèses de maîtrise à entreprises industriellesaidant ainsi à mettre en œuvre la nouvelle approche dans les produits des partenaires industriels.

« Nous et d’autres recherchons ce domaine depuis 15 ans », explique Dörfler. « Notre approche est actuellement le meilleur moyen de résoudre le problème. »

Les nouveaux algorithmes contribuent à la stabilité du réseau électriqueRéduisez le risque de pannes et ouvrez la voie à une transition des grands générateurs d’électricité centralisés à un système flexible décentralisé de petites centrales électriques fournissant des énergies renouvelables. En conséquence, ils pourraient représenter un élément de construction clé de la transition énergétique.