Amélioration de la stabilité du système électrique par la segmentation HVDC

Ces dernières années, les grands réseaux électriques ont été confrontés à des défis sérieux, principalement en raison des oscillations électromécaniques. Ces oscillations peuvent perturber la stabilité des systèmes électriques, rendant crucial de trouver des moyens de les gérer efficacement. Une approche qui a gagné en attention est la segmentation des systèmes électriques à courant alternatif (CA) à l'aide de la technologie de courant continu à haute tension (CCHT). Cette méthode peut aider à atténuer l'impact des oscillations électromécaniques et à améliorer la stabilité globale du réseau électrique.

#Le besoin d'une meilleure stabilité

À mesure que les réseaux électriques s'étendent et se connectent les uns aux autres, ils rassemblent diverses sources d'énergie. Cela augmente la stabilité globale du système en raison d'une inertie collective plus importante, ce qui aide à gérer les variations de fréquence. Cependant, faire fonctionner ces systèmes interconnectés plus près de leurs limites peut conduire à l'instabilité, en particulier lors de perturbations. Des incidents récents ont montré que les oscillations électromécaniques représentent un risque significatif pour ces grands systèmes CA interconnectés.

Les oscillations électromécaniques se produisent lorsqu'il y a de petites perturbations dans le réseau, entraînant des flux d'énergie instables. Ces oscillations peuvent se manifester dans une plage de fréquence de 0,1 à 2 Hz et peuvent devenir un problème sérieux si elles ne sont pas abordées. Traditionnellement, la méthode la plus courante pour gérer ces oscillations a été à travers des contrôleurs supplémentaires, en particulier des stabilisateurs de système électrique (PSS) placés dans des machines synchrones.

Cependant, cette stratégie peut ne pas toujours suffire, car certains systèmes électriques peuvent faire face à des oscillations à faible amortissement. Dans de tels cas, les opérateurs peuvent être contraints de prendre des mesures correctives, y compris limiter les échanges d'énergie entre les régions ou même isoler temporairement certaines parties du réseau.

#Qu'est-ce que la segmentation CC?

La segmentation CC consiste à diviser un grand réseau électrique CA en segments plus petits et interconnectés à l'aide de systèmes CCHT. Cette méthode permet un meilleur contrôle des oscillations électromécaniques en reliant des clusters CA asynchrones par des connexions CCHT. La segmentation peut aider à contenir les perturbations et à limiter leur propagation, réduisant ainsi les risques de pannes généralisées et de coupures de courant.

Cette approche a été mise en œuvre dans divers endroits dans le monde, démontrant ses avantages potentiels. Par exemple, un projet en Chine a appliqué avec succès la segmentation CC pour gérer le flux d'énergie lors de situations critiques, soulignant son efficacité à limiter la propagation des perturbations et à améliorer la performance globale du réseau.

#Défis liés à la segmentation CC

Bien que la segmentation CC offre de nombreux avantages, elle présente également des défis. Un problème majeur est que segmenter simplement le réseau n'améliore pas automatiquement l'amortissement dans les clusters CA restants. Sans contrôleurs supplémentaires dans les systèmes CCHT, la Stabilité de fréquence de l'ensemble du système segmenté peut diminuer. Chaque cluster CA isolé peut avoir une inertie et un soutien de fréquence réduits, le rendant vulnérable aux oscillations.

Pour combler cette lacune, des contrôleurs supplémentaires capables de gérer à la fois la stabilité de fréquence et les oscillations intra-zone sont nécessaires. Cette recherche vise à explorer comment ces contrôleurs supplémentaires peuvent être utilisés efficacement dans un cadre de segmentation CC afin d'améliorer la stabilité globale du système.

#Contrôleurs supplémentaires

La recherche propose l'utilisation de deux types de contrôleurs supplémentaires dans les systèmes CCHT :

1. Contrôleurs de puissance active : Ces contrôleurs se concentrent sur le maintien du soutien de fréquence entre les différents clusters CA. Ils ajustent les points de consigne de puissance active pour s'aligner avec les besoins globaux du système.

2. Contrôleurs de puissance réactive (POD-Q) : Ces contrôleurs visent à amortir les oscillations intra-zone. Ils fonctionnent en modulant la puissance réactive aux stations VSC pour stabiliser les oscillations qui peuvent se produire au sein des clusters.

Les deux types de contrôleurs travaillent ensemble pour améliorer la stabilité du système électrique segmenté. La recherche démontrera leur efficacité à travers des simulations et des analyses.

#Test des contrôleurs proposés

Pour évaluer la performance des contrôleurs supplémentaires proposés, un système de test connu sous le nom de système Nordic 44 est utilisé. Ce système sert de modèle pour analyser la segmentation CC aux côtés des contrôleurs nouvellement introduits. L'étude se concentre sur le fonctionnement des contrôleurs dans diverses conditions et scénarios, permettant aux chercheurs de mettre en évidence les améliorations en matière de stabilité obtenues grâce à leur application.

#Différents scénarios

Une série de scénarios sera analysée pour comparer l’efficacité des contrôleurs. Les quatre cas à étudier incluent :

1. Cas de base CA : Le système électrique initial sans aucune segmentation ou contrôleurs supplémentaires.
2. Segmenté CC sans contrôleurs : La version segmentée du système sans contrôles supplémentaires.
3. Segmenté CC avec contrôleurs de puissance active et POD-Q locaux : Le système segmenté avec soutien de fréquence et mesures locales pour l'amortissement.
4. Segmenté CC avec contrôleurs de puissance active et POD-Q COI : Le système segmenté utilisant des mesures globales du Centre d'inertie pour soutenir l'amortissement.

Chaque scénario est évalué en fonction de sa capacité à gérer les oscillations électromécaniques et à maintenir la stabilité de fréquence.

#Résultats et analyses

#Améliorations des rapports d'amortissement

Les résultats indiquent que la segmentation CC supprime efficacement les oscillations interzones critiques. Cependant, les oscillations intra-zone dans chaque cluster représentent toujours un risque. L'ajout de contrôleurs supplémentaires, en particulier des contrôleurs POD-Q, améliore considérablement les rapports d'amortissement pour ces oscillations intra-zone. Il s'agit d'un constat prometteur, car il montre qu'il existe des moyens de maintenir la stabilité au sein de chaque cluster isolé, même après segmentation.

#Stabilité de fréquence

En termes de stabilité de fréquence, l'ajout de contrôleurs de puissance active s'avère bénéfique. Ces contrôleurs aident à maintenir une fréquence plus cohérente entre les clusters, réduisant la probabilité de fluctuations majeures lors de perturbations. La recherche montre que les nadirs de fréquence (le point de fréquence le plus bas après une perturbation) étaient plus élevés avec les contrôleurs supplémentaires en place par rapport aux cas où seule la segmentation CC avait eu lieu.

#Étude de cas : Système Nordic 44

#Configuration initiale

Le système de test Nordic 44 commence comme un système électrique CA normal. L'architecture initiale est transformée en une version segmentée CC en remplaçant certaines lignes CA par des liaisons VSC-HVDC. L'étude commence par évaluer la performance du système CA d'origine avant d'introduire les changements.

#Mise en œuvre des contrôleurs

La conception des contrôleurs supplémentaires suit un processus en deux étapes. Tout d'abord, le filtre avance/retard est réglé pour garantir une sensibilité optimale des valeurs propres pour chaque mode ciblé. La prochaine étape consiste à calculer le gain requis pour atteindre les rapports d'amortissement souhaités, ce qui a été un point focal crucial de la recherche.

#Résultats de simulation

Les simulations réalisées avec différents cas révèlent des informations précieuses sur le comportement du système. La mise en œuvre des contrôleurs POD-Q a démontré des améliorations significatives des rapports d'amortissement pour certains modes d'oscillation. En particulier, les contrôleurs utilisant des mesures locales avaient tendance à performer de manière comparable à ceux utilisant des mesures globales.

#Prise en compte des retards de communication

Un aspect également considéré est l'impact de la latence de communication sur la performance des contrôleurs POD-Q. Des retards réalistes sont introduits dans les simulations, révélant que, bien que les retards aient légèrement impacté les rapports d'amortissement, les contrôleurs sont restés efficaces, affirmant leur robustesse dans des scénarios pratiques.

#Conclusion

La recherche conclut que la segmentation CC représente une méthode viable pour améliorer la stabilité des grands systèmes électriques. Cependant, pour réaliser pleinement les avantages de cette approche, des contrôleurs supplémentaires sont nécessaires. Ces contrôleurs non seulement gèrent la stabilité de fréquence, mais amortissent également efficacement les oscillations intra-zone, améliorant la performance globale du réseau.

L'utilisation de mesures à la fois locales et globales pour informer les contrôleurs ajoute également à la capacité du système. Les résultats suggèrent que l'option la plus pratique pour la mise en œuvre est le contrôleur POD-Q qui utilise des mesures locales, en raison de sa simplicité et de son efficacité.

Dans l'ensemble, cette recherche souligne l'importance de l'intégration de méthodes de contrôle avancées au sein des systèmes électriques segmentés pour garantir qu'ils restent stables face aux perturbations. Avec une exploration et un développement continus dans ce domaine, l'avenir semble prometteur pour l'amélioration de la fiabilité et de la résilience des systèmes électriques.