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Quantitative Analysis of the Synchronization Stability Region of Grid-Connected Converters During Fault Ride-Through Considering LVRT Characteristics

Cet article caractérise quantitativement la région de stabilité de synchronisation des convertisseurs raccordés au réseau lors du maintien de la tension en cas de défaut dans des conditions de réseau faible, en intégrant des analyses de stabilité en régime quasi-stationnaire, transitoire et de petit signal basées sur une logique de contrôle de maintien de la tension lors de creux de tension (LVRT), les frontières de stabilité résultantes étant validées par des simulations matérielles dans la boucle.

Auteurs originaux : Fei Li, Huanhuan Chen, Longchao Guo, Qiang Chen, Xing Zhang

Publié 2026-09-28

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Fei Li, Huanhuan Chen, Longchao Guo, Qiang Chen, Xing Zhang

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Les réseaux électriques modernes subissent une transformation profonde, passant de générateurs massifs et rotatifs à un paysage dominé par des sources d'énergie renouvelables telles que l'éolien et le solaire. Ces sources ne génèrent pas l'électricité directement ; elles dépendent plutôt de dispositifs électroniques sophistiqués appelés convertisseurs pour traduire leur puissance dans une forme utilisable par le réseau. Considérez ces convertisseurs comme les traducteurs qui permettent à la nouvelle énergie variable du soleil et du vent de parler la même langue que le réseau traditionnel. Cependant, ce changement a rendu l'ensemble du système plus sensible. Lorsque le réseau rencontre une perturbation soudaine, telle qu'un court-circuit causé par la chute d'un arbre ou la foudre, la tension au point de connexion peut chuter brutalement. Pour qu'un convertisseur survive à cet événement sans se déconnecter et provoquer une panne, il doit traverser cette basse tension, maintenant sa connexion et aidant à stabiliser le réseau. Cette capacité est connue sous le nom de maintien de la tension (low-voltage ride-through), et c'est une exigence critique pour maintenir la lumière allumée dans un monde dominé par les énergies renouvelables.

Le défi réside dans le fait que ces dispositifs électroniques doivent rester parfaitement synchronisés avec le rythme du réseau. Si la tension chute trop bas ou si le réseau devient trop faible, le convertisseur peut perdre sa place dans ce rythme, un peu comme un coureur qui trébuche et sort de l'alignement d'une fanfare. Lorsque cela se produit, le dispositif se déconnecte, et si suffisamment de dispositifs perdent l'alignage en même temps, le résultat peut être une panne de courant généralisée. Les ingénieurs tentent depuis longtemps de cartographier les limites de fonctionnement sûres pour ces convertisseurs, mais les méthodes existantes ne parviennent souvent pas à rendre compte du comportement non linéaire complexe qui se produit spécifiquement lors de ces chutes de tension. Elles peinent à prédire exactement jusqu'à quel point une chute de tension un convertisseur peut tolérer avant de perdre sa synchronisation, surtout lorsque la force même du réseau change.

Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie de Hefei et de Sungrow Power Supply Co., Ltd. a abordé ce problème en créant une carte de sécurité détaillée en trois dimensions pour les convertisseurs connectés au réseau lors de défauts. Au lieu de considérer le système comme un état unique et statique, ils ont analysé le parcours d'un convertisseur depuis l'avant du défaut, à travers le moment de la chute de tension, jusqu'au nouvel état modifié qui suit. Ils se sont concentrés sur trois manières spécifiques dont un convertisseur peut échouer à rester synchronisé. Premièrement, la question de savoir si un état stable existe même après le défaut : si la tension chute trop bas et que le réseau est trop faible, les conditions mathématiques d'une connexion stable disparaissent tout simplement. Deuxièmement, même si un état stable existe, le convertisseur peut échouer à l'atteindre, se perdant dans une transition chaotique entre les anciennes et les nouvelles conditions. Troisièmement, le convertisseur peut atteindre un nouvel état mais y rester instable, oscillant de manière incontrôlée en raison de petites fluctuations internes.

Pour résoudre cela, les chercheurs ont développé une approche unifiée qui traite la force électrique du réseau et la profondeur de la chute de tension comme les deux variables principales. Ils ont construit un modèle qui intègre la logique spécifique utilisée par les convertisseurs lors d'un défaut, laquelle implique l'injection de courant réactif pour soutenir le réseau tout en limitant le courant total pour protéger le matériel. En simulant le système sous des milliers de combinaisons différentes de chutes de tension et de forces de réseau, ils ont pu tracer des limites précises. Ils ont découvert que la région de fonctionnement sûre n'est pas une forme simple, mais une zone complexe définie par l'intersection de ces trois limites de stabilité. Dans de nombreux cas, la limite la plus restrictive n'est pas l'existence d'un état stable, mais la capacité du convertisseur à effectuer la transition vers celui-ci sans perdre son rythme, ou s'il restera stable une fois arrivé.

Les chercheurs ont confirmé leurs cartes théoriques à l'aide d'une simulation de type "hardware-in-the-loop" (matériel dans la boucle), une technique où un véritable contrôleur physique est connecté à un ordinateur qui simule le reste du système électrique. Cette configuration leur a permis de tester les limites dans un environnement réaliste sans risquer d'endommager le matériel réel. Ils ont sélectionné des scénarios spécifiques où la tension chutait à des niveaux très bas, tels que 12 % ou 25 % de la valeur normale, et ont testé les convertisseurs à la limite même des zones de sécurité prédites. Dans les simulations, lorsque la force du réseau était juste en dessous de leur limite calculée, les convertisseurs perdaient la synchronisation, leur fréquence et leurs angles de puissance spiralant hors de contrôle. Lorsque la force du réseau était juste au-dessus de la limite, les convertisseurs réussissaient à traverser le défaut et revenaient à un fonctionnement stable. Ces résultats ont validé que leur analyse en trois parties prédit avec précision le point de défaillance.

L'étude révèle que la capacité d'un convertisseur à survivre à un défaut dépend fortement de la combinaison spécifique de la faiblesse du réseau et de la profondeur de la chute de tension. Elle souligne également qu'un convertisseur peut se trouver dans une situation où un état stable existe théoriquement, mais que l'appareil ne parvient tout de même pas à l'atteindre parce que le chemin pour y parvenir est trop turbulent. De plus, les chercheurs ont découvert que même lorsqu'un convertisseur effectue avec succès une transition vers un nouvel état, il peut entrer dans une région d'instabilité de petit signal, où il commence à osciller et finit par perdre la connexion, un phénomène piloté par l'interaction complexe entre les boucles de contrôle et les limites de courant. Ce travail fournit un outil quantitatif pour les ingénieurs afin de concevoir des systèmes plus robustes, garantissant qu'à mesure que le monde se dirige vers un réseau alimenté par les énergies renouvelables, les traducteurs électroniques restent synchronisés et fiables, même lorsque le réseau est soumis aux contraintes les plus sévères.

Résumé Technique : Analyse Quantitative de la Région de Stabilité de Synchronisation des Convertisseurs Connectés au Réseau lors du Ride-Through de Creux de Tension (LVRT) en Considérant les Caractéristiques LVRT

Énoncé du Problème
Dans le contexte des systèmes de puissance « dual-high » caractérisés par une forte pénétration des énergies renouvelables et une dominance de l'électronique de puissance, les convertisseurs connectés au réseau sont de plus en plus sensibles aux paramètres externes du réseau. Lors de courts-circuits, tant la tension au point de couplage commun (PCC) que l'admittance équivalente du réseau peuvent changer brusquement. Bien que les limites de stabilité en régime permanent (souvent caractérisées par le rapport de court-circuit, SCR) soient bien étudiées, les méthodes existantes sont inadéquates pour caractériser quantitativement les frontières de stabilité de synchronisation lors de perturbations majeures, spécifiquement les creux de tension.

La littérature actuelle traite souvent des mécanismes d'instabilité spécifiques de manière isolée :

Instabilité quasi-statique : Les critères existants pour l'existence d'un équilibre supposent souvent des références de courant prescrites, échouant à prendre en compte la boucle de rétroaction où la logique de contrôle LVRT ajuste les références de courant en fonction de la tension du PCC, laquelle modifie à son tour la chute de tension de l'impédance du réseau.
Instabilité transitoire : Les méthodes telles que le critère de l'aire égale (EAC) négligent souvent l'amortissement ou supposent un amortissement constant, alors que l'amortissement de la boucle à verrouillage de phase (PLL) varie avec l'état du système. De plus, les études de trajectoires de phase actuelles évaluent généralement des conditions de défaut prescrites plutôt que de cartographier la redistribution des courants LVRT et des tensions post-défaut vers une frontière critique d'admittance de réseau.
Instabilité de petit signal : Sous des conditions LVRT, un couplage fort se produit entre les références de courant dépendantes de la tension du PCC, la limitation de courant, la dynamique de la PLL et les filtres LCL. Les modèles réduits standards échouent souvent à capturer ces interactions d'ordre élevé nécessaires pour déterminer les frontières de stabilité pendant les défauts.

Méthodologie
Le document propose une approche systématique pour construire une région de stabilité de synchronisation complète en utilisant l'amplitude par unité de l'admittance de réseau post-défaut ( $|Y_{g,p.u.}|$ ) et la tension de réseau post-défaut ( $V_{gf,p.u.}$ ) comme indices quantitatifs unifiés. L'analyse est menée selon trois perspectives complémentaires :

Stabilité Quasi-Statique (Existence d'Équilibre) :
- Les auteurs dérivent un critère pour l'existence de points d'équilibre en quasi-état stationnaire post-perturbation.
- En intégrant la logique de contrôle LVRT (où le courant réactif est priorisé et le courant actif est réduit en fonction de la profondeur de la chute de tension) avec la relation du vecteur tension côté réseau, la variable de référence de courant intermédiaire de défaut est éliminée.
- Une équation de contrainte est établie pour déterminer la frontière critique d'admittance de réseau requise pour qu'un point de fonctionnement existe sous diverses profondeurs de chute de tension.
Stabilité Transitoire (Dynamique de Transition) :
- Un modèle transitoire non linéaire de second ordre est établi, considérant les références de courant LVRT et les paramètres de réseau post-défaut. La boucle de contrôle de courant est négligée en raison de sa bande passante plus rapide que celle de la PLL.
- Le modèle est analogue à une machine synchrone, définissant l'inertie équivalente, le couple mécanique, le couple électromagnétique et l'amortissement.
- Un balayage à deux paramètres de la tension de chute de réseau et de l'amplitude de l'admittance de réseau est effectué. L'analyse de trajectoire de phase est utilisée pour identifier la frontière où les trajectoires divergent du point d'équilibre stable post-défaut, indiquant une perte de synchronisme transitoire.
Stabilité de Petit Signal (Stabilité Locale) :
- Un modèle d'état d'ordre élevé (11ème ordre) est développé. Ce modèle prend explicitement en compte la régulation de courant LVRT, la limitation de courant, le couplage multi-boucles et le filtrage passe-bas de la tension du PCC utilisé pour la détection de défaut.
- Une approche de modélisation par morceaux est adoptée : une matrice Jacobienne ( $B_1$ ) s'applique lorsque les références de courant sont inférieures à la limite, et une autre ( $B_2$ ) s'applique lorsque la limite est atteinte.
- L'analyse des valeurs propres de ces matrices Jacobiennes sur l'espace de fonctionnement détermine la frontière de stabilité de petit signal.
Validation :
- Les frontières théoriques sont intégrées pour former une région de stabilité complète.
- Des simulations Hardware-in-the-Loop (HIL) utilisant une plateforme RT-LAB et un RTU-BOX sont menées sous plusieurs conditions de fonctionnement (spécifiquement à $V_{gf,p.u.} = 0,12$ et $0,25$ p.u.) pour valider les frontières théoriques.

Résultats Clés

Région de Stabilité Intégrée : L'étude construit avec succès une région de stabilité de synchronisation définie par l'intersection des frontières de stabilité quasi-statique, transitoire et de petit signal.
Contraintes Dominantes : Sous les paramètres de contrôle testés, la frontière de stabilité quasi-statique (existence d'un point d'équilibre) se situe en dessous des deux autres frontières. Par conséquent, la région de stabilité globale est principalement déterminée par la frontière de stabilité transitoire et la frontière de stabilité de petit signal.
Caractéristiques Non Linéaires : La frontière de stabilité de petit signal présente des caractéristiques non linéaires et localement discontinues prononcées. Le système peut passer de « stable » à « instable » puis revenir à « stable » à mesure que l'admittance du réseau varie, un phénomène attribué au basculement de la matrice Jacobienne lorsque les limites de courant sont atteintes.
Vérification : Les simulations HIL ont confirmé que :
- À faible admittance de réseau ( $|Y_{g,p.u.}| = 4$ ) et chute de tension profonde ($0,12$ p.u.), le système subit une instabilité transitoire malgré l'existence d'un équilibre post-défaut stable.
- À une admittance de réseau plus élevée et pour la même chute de tension ($0,12$ p.u.), le système présente un comportement de stabilité non monotone : les points de fonctionnement $p13$ ( $|Y_{g,p.u.}| = 6,74$ ) et $p15$ ( $|Y_{g,p.u.}| = 6,4$ ) restent stables, tandis que le point intermédiaire $p14$ ( $|Y_{g,p.u.}| = 6,65$ ) tombe dans une région instable et présente une instabilité de petit signal.
- À une chute de tension modérée ($0,25$ p.u.), la frontière de stabilité transitoire est le facteur limitant.

Signification et Revendications
L'article affirme fournir un cadre quantitatif pour évaluer la stabilité de synchronisation des convertisseurs connectés au réseau pendant le ride-through de défaut, comblant la lacune où les méthodes existantes ne peuvent caractériser les frontières de stabilité critiques à travers différentes profondeurs de chute de tension et forces de réseau.

Les principales contributions incluent :

La dérivation d'un critère de stabilité quasi-statique qui tient compte intrinsèquement de la rétroaction entre les références de courant LVRT et la tension du PCC.
L'établissement d'une région de stabilité unifiée qui considère simultanément l'existence de points d'équilibre, la dynamique de transition entre les états pré- et post-défaut, et la stabilité locale du point de fonctionnement post-défaut.
La démonstration que même lorsqu'un équilibre post-défaut existe et que la transition est transitoirement stable, une instabilité de petit signal peut toujours se produire sous certaines conditions d'admittance de réseau en raison du couplage complexe des boucles de contrôle et de la limitation de courant.

Les auteurs concluent que la capacité de stabilité de synchronisation transitoire diminue à mesure que l'admittance du réseau diminue et que la sévérité de la chute de tension augmente, et que la région de stabilité est conjointement déterminée par les frontières transitoire et de petit signal, toutes deux influencées par les paramètres de la PLL.

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