Développement de stratégies de contrôle distribuées pour les systèmes d’électronique de puissance afin de fournir des services de réseau

Les futurs systèmes énergétiques efficaces et à faible teneur en carbone constituent un thème important du projet Asimute. Les sources d’énergie fossiles utilisées jusqu’à présent seront remplacées par des sources renouvelables, principalement le soleil et le vent, qui seront mises en œuvre exclusivement par l’électronique de puissance. Du côté des consommateurs, les appareils conventionnels lents et les alimentations électriques jusqu’ici plutôt inefficaces avec des transformateurs à grande induction ou des éléments mécaniques, comme les moteurs couplés au réseau, font également place à des circuits d’électronique de puissance très efficaces. Cependant, l’électronique de puissance est activement régulée par rétroaction, n’a pas d’inertie et réagit immédiatement. L’électronique de puissance conventionnelle ne peut pas stabiliser le réseau, mais attend une tension presque parfaitement sinusoïdale avec une amplitude et une fréquence stables et fixes. En outre, la tension ne doit pas varier avec la charge. Avec une telle tension stable, l’électronique de puissance prélève ou injecte un courant, mais ne contrôle pas directement la tension. Or, les éléments qui assuraient une tension stable étaient de grands générateurs massifs issus de centrales électriques à énergie fossile, qui sont désormais démantelés. Il en résulte des réseaux instables, avec une dérive de la fréquence sur l’ensemble du réseau et une tension localement instable, qui peut entraîner des coupures de courant locales et endommager les appareils. Ce dernier point touchera particulièrement les régions rurales.

Dans ce domaine de projet, nous voulons développer des convertisseurs et des méthodes de contrôle correspondantes capables de stabiliser les réseaux futurs, tant aux niveaux supérieurs qu’inférieurs du réseau, qui sont importants pour l’approvisionnement des ménages et de la plupart des petites et moyennes entreprises.

Des stratégies de contrôle distribué innovantes sont nécessaires pour coordonner les systèmes d’électronique de puissance afin de fournir des services de réseau tels que la stabilisation de la fréquence et de la tension et le filtrage des distorsions. Dans le cadre de cette action, les bases théoriques de telles stratégies de régulation seront développées et testées dans la simulation et le démonstrateur. En particulier, des topologies pour l’interconnexion informationnelle des systèmes d’électronique de puissance seront développées et évaluées en termes d’effort de communication, de fiabilité et de cybersécurité. Les méthodes d’échange d’informations sur la dynamique du système, qui sont aujourd’hui généralement utilisées pour la régulation de la fréquence, seront également examinées en vue de leur applicabilité à d’autres services. Sur la base des topologies, des algorithmes de contrôle distribués et des protocoles de communication associés seront créés et étudiés.

En particulier, le réseau de distribution moyenne tension et le réseau local basse tension sont affectés à plusieurs égards (violation de la tolérance de tension par une injection solaire puissante, perte de puissance de court-circuit, augmentation des impédances de réseau, flux de puissance indésirables et inconnus dus aux futurs chargeurs haute puissance). Alors que la régulation de l’électronique de puissance conventionnelle devient typiquement instable dans ces conditions et aggrave les autres problèmes mentionnés, des méthodes de régulation adaptatives (estimation de l’impédance du réseau sans violation de la norme IEC61000, adaptation adaptative du régulateur, et atténuation des rétroactions parasites avec d’autres composants électroniques du réseau) et des topologies de circuits électroniques modulaires compacts (convertisseurs modulaires de puissance partielle et régulateurs de flux de puissance) ont été développées, qui permettent d’une part d’alimenter l’alimentation à partir d’énergies renouvelables, les chargeurs automobiles, etc. d’autre part, d’augmenter leur pénétration dans le réseau et même, si possible, d’éliminer partiellement les problèmes.

Actuellement, les services de réseau mentionnés semblent surtout pertinents pour un petit nombre d’unités décentralisées plus puissantes, telles que les grandes installations photovoltaïques et surtout les systèmes de stockage en réseau, et se concentrent en particulier sur les problèmes de réseau globaux (par exemple, la stabilité de la fréquence). Le grand nombre de petites unités d’électronique de puissance, notamment dans les ménages et les zones rurales, permet d’améliorer les problèmes typiques. Dans le cadre de cette action, une stabilisation dynamique de la tension adaptée à l’impédance du réseau pour des angles de phase d’alimentation et un filtrage de la tension appropriés sera développée sur la base de l’estimation de l’impédance du réseau issue de l’action susmentionnée et testée dans un environnement de réseau basse tension typique.