Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

Le réseau électrique moderne est un équilibre délicat entre l’offre et la demande, un système qui repose depuis plus d'un siècle sur de massives turbines tournantes dans les centrales au charbon et au gaz. Ces machines lourdes agissent comme un amortisseur naturel ; leur poids colossal et leur élan maintiennent la fréquence du système stable même lorsque la charge change soudainement. Alors que le monde s'oriente vers des énergies plus propres, les parcs éoliens remplacent ces centrales traditionnelles. Cependant, les éoliennes ne tournent pas avec la même inertie physique pesante. Elles se connectent au réseau via des commutateurs électroniques, ce qui signifie qu'elles manquent de ce tampon physique naturel. Lorsqu'une grande quantité d'énergie éolienne est ajoutée sans suffisamment de cette « masse rotationnelle », le réseau devient fragile. Si une perturbation majeure survient, telle que l'arrêt d'une grande usine ou la défaillance d'un générateur, la fréquence du système peut chuter trop rapidement, risquant ainsi de déclencher des pannes de courant.

Pour résoudre cela, les ingénieurs ont développé deux méthodes différentes pour faire en sorte que les éoliennes se comportent davantage comme les générateurs traditionnels. Une méthode, appelée « suivi de réseau » (grid-following), consiste à ce que l'éolienne écoute le réseau et ajuste sa production en conséquence, un peu comme un passager suivant un conducteur. L'autre, dite « formation de réseau » (grid-forming), permet à l'éolienne d'agir comme le conducteur, fixant sa propre tension et sa propre fréquence pour soutenir le réseau. Bien que les éoliennes de type formation de réseau soient puissantes, elles peuvent être instables dans certaines conditions, tandis que les modèles de suivi de réseau sont moins efficaces pour fournir un soutien immédiat. Le défi réside dans la capacité à faire travailler ensemble ces deux types de turbines de manière fluide, surtout lorsque la vitesse du vent change et que le réseau subit un choc soudain.

Une équipe de chercheurs de l'Université maritime de Shanghai et de l'Institut de recherche sur les équipements électriques de Shanghai a proposé une nouvelle stratégie pour coordonner ces fermes éoliennes hybrides. Ils ont reconnu que la méthode standard de contrôle de ces turbines utilise des paramètres fixes qui ne changent pas, quelle que soit la gravité d'une perturbation ou le niveau de soutien apporté par les autres turbines. Cette rigidité peut conduire à une situation où les turbines de suivi de réseau attendent trop longtemps avant d'aider, ou aident trop lorsqu'elles ne sont pas nécessaires, gaspillant ainsi de l'énergie et usant prématurément l'équipement. Les chercheurs ont développé un système où les turbines peuvent adapter leur comportement en temps réel, ajustant leur « raideur » et leur « amortissement » internes selon les besoins précis du réseau à un instant donné.

Le cœur de leur solution repose sur une méthode de contrôle connue sous le nom de générateur synchrone virtuel. Cette approche logicielle trompe l'éolienne pour lui donner l'apparence d'une machine possédant la masse rotative lourde d'un générateur traditionnel, lui permettant de résister aux variations de fréquence. Dans le nouveau concept des chercheurs, la force de cette masse virtuelle et le niveau d'amortissement fourni ne sont pas des chiffres fixes. Au lieu de cela, ils varient dynamiquement en fonction de la rapidité de la chute de fréquence et de l'ampleur de celle-ci. Si la fréquence commence à dégringoler rapidement, le système augmente instantanément son inertie virtuelle pour ralentir la chute. À mesure que le système entame sa récupération, les réglages basculent pour aider la fréquence à revenir à la normale sans créer de dépassement ou d'oscillations sauvages. Cette approche adaptative garantit que les turbines formant le réseau fournissent la juste dose de soutien au moment opportun.

Les chercheurs ont également abordé un problème spécifique de coordination entre les deux types de turbines. Les turbines de suivi de réseau possèdent généralement une « zone morte » (deadband), une petite plage de fluctuation de fréquence durant laquelle elles n'interviennent pas afin d'éviter de réagir à chaque infime vacillement. Dans une ferme hybride, si les turbines formant le réseau apportent déjà un soutien solide, les turbines de suivi de réseau ne devraient pas intervenir inutilement. Toutefois, si les turbines formant le réseau sont en difficulté, celles de suivi doivent prendre le relais immédiatement. L'équipe a créé une zone morte dynamique dont la largeur varie selon la performance en temps réel des unités formant le réseau. Si les turbines formant le réseau font du bon travail, la zone morte s'élargit, indiquant aux turbines de suivi de rester calmes et de conserver leurs réserves d'énergie. Si le soutien des turbines formant le réseau faiblit, la zone morte se rétrécit, signalant aux turbines de suivi d'activer leur aide immédiatement. Cela crée une relation coopérative et fluide où les deux types de turbines agissent comme une seule unité intelligente plutôt que comme deux groupes distincts.

Pour tester cette idée, les chercheurs ont construit une simulation informatique détaillée d'un système électrique comprenant deux générateurs traditionnels et une ferme éolienne hybride composée de quarante turbines de suivi de réseau et vingt turbines formant le réseau. Ils ont soumis ce système virtuel à des perturbations de charge soudaines sous trois vitesses de vent différentes : faible, moyenne et élevée. Dans chaque scénario, ils ont comparé leur nouvelle stratégie adaptative à deux anciennes méthodes : l'une où les turbines utilisaient des réglages fixes, et l'autre où seules les turbines formant le réseau étaient adaptatives alors que les suivantes restaient statiques.

Les résultats montrent un avantage clair pour l'approche adaptative. Lorsqu'une perturbation importante se produit, le système utilisant la nouvelle stratégie maintient une fréquence minimale plus élevée, signifiant que le réseau reste bien plus proche de sa limite opérationnelle sécurisée. Dans le scénario de faible vitesse de vent, la fréquence est tombée à 49,8641 Hz avec l'ancienne méthode fixe, mais la nouvelle stratégie l'a maintenue à 49,8772 Hz. Dans le scénario de haute vitesse de vent, l'amélioration est encore plus prononcée, la fréquence restant à 49,7326 Hz contre 49,7117 Hz avec la méthode fixe. Ces fréquences minimales plus élevées sont cruciales car elles réduisent le risque de déclenchement d'arrêts d'urgence par le système.

Au-delà du simple maintien d'une fréquence plus haute, la nouvelle stratégie améliore également la répartition de la charge de travail entre les turbines. Les simulations ont montré que les turbines formant le réseau libèrent davantage de leur énergie cinétique stockée quand cela est nécessaire, et que les turbines de suivi activent leur soutien plus efficacement. De plus, la zone morte dynamique empêche les turbines de suivi de s'activer trop souvent lors de fluctuations mineures. Les chercheurs ont constaté que cela réduit le nombre de fois où les turbines doivent modifier leur production de puissance, ce qui est essentiel pour limiter l'usure de l'équipement. En coordonnant les deux types de turbines pour qu'elles ne réagissent que lorsqu'elles y sont contraintes et de façon proportionnée au besoin réel, le système parvient à un meilleur équilibre entre la stabilité du réseau et la préservation de la durée de vie de la ferme éolienne.

L'étude conclut que cette stratégie de coordination adaptative offre un moyen pratique d'intégrer des niveaux élevés d'énergie éolienne sans sacrifier la stabilité du réseau. En permettant à l'inertie virtuelle et aux seuils d'activation de changer en temps réel, la ferme éolienne hybride peut répondre aux perturbations avec la même flexibilité et la même résilience qu'une centrale traditionnelle. Les simulations suggèrent que cette méthode non seulement empêche la fréquence de descendre trop bas, mais assure aussi que les différents composants de la ferme éolienne travaillent ensemble efficacement, offrant une solution robuste pour l'avenir des réseaux d'énergie renouvelable.