Commande intelligente d’onduleur de centrales solaires photovoltaïques et de systèmes de stockage d’énergie

I. Concept du projet

La forte pénétration de la production d’énergie renouvelable dans les réseaux de distribution a généré plus d’incertitudes et de difficultés techniques dans l’exploitation du réseau de distribution du service d’électricité. En raison de la nature intermittente de la production d’énergie renouvelable, il est essentiel de maintenir le profil de tension du réseau et de faciliter l’intégration de la production décentralisée d’énergie basée sur des onduleurs de courant. Une distribution d’électricité optimisée implique également une réduction des pertes sur le réseau de distribution et un approvisionnement d’électricité adéquat et de qualité.

Elexicon Energy inc. en partenariat avec l’Université de Western Ontario (UWO) a reçu un prêt de projet du fond LDC Tomorrow administré par le groupe Mearie. Le projet comporte l’application d’un nouveau contrôleur d’onduleur intelligent de parcs solaires PV (la nuit et le jour) et des systèmes de stockage d’énergie en se servant de leurs capacités résiduelles d’onduleur pour assurer un échange réactif dynamique d’électricité avec les réseaux de distribution afin d’effectuer les fonctions suivantes :

  1. Minimisation des pertes en lignes
  2. Réduction de tension de conservation (RTC) pour la réduction des charges de pointe et des charges totales sur le réseau

Ce projet est basé sur une nouvelle technologie brevetée utilisant les parcs de panneaux solaires comme équilibreur dynamique réactif de courant, nommée PV-STATCOM, avec leur capacité résiduelle d’onduleur.

Les avantages de la technologie PV-STATCOM proposée sont démontrés par des études de simulation des départs de ligne de distribution électrique d’Elexicon Energy raccordés aux parcs de panneaux solaires PV et aux systèmes de stockage d’énergie basés sur les onduleurs (BESS).

  • Les économies annuelles d’énergie et les avantages financiers en découlant pour Elexicon sont quantifiés.
  • La technologie proposée peut être appliquée aux réseaux de panneaux solaires PV et aux systèmes de stockage d’énergie basés sur les onduleurs installés dans tout service de distribution d’électricité au Canada, apportant des avantages substantiels aux services d’électricité canadiens.

II. La technologie PV-STATCOM

Les parcs de panneaux solaires PV sont inactifs pendant la nuit et leur capacité d’onduleur est complètement inutilisée. Même au début de la matinée et plus tard dans l’après-midi, une portion substantielle de la capacité de l’onduleur demeure également inutilisée. La technologie PV-STATCOM innovatrice offre les avantages suivants :

  • La technologie PV-STATCOM peut assurer la fonctionnalité 24 h sur 24 et 7 jours sur 7 d’un système STATCOM à un coût 10 fois inférieur à un système statique de compensation synchrone conventionnel (STATCOM) ou un compensateur statique d’énergie réactive (SVC) pour les mêmes fonctions de prise en charge du réseau. Ceci est possible parce que des commandes STATCOM additionnelles dotées de leurs circuits connexes de lecture doivent être installées sur les onduleurs existants et les infrastructures électriques et civiles existantes d’un parc de panneaux solaires PV (sous-station, transformateurs, barres omnibus, disjoncteurs, systèmes de protection, etc.) pour transformer une centrale solaire en système STATCOM.
  • Cette technologie peut également être appliquée pour les parcs éoliens, les systèmes de stockage d’énergie basés sur des onduleurs et des postes de recharge de véhicules électriques, durant les périodes de la journée où leurs capacités d’onduleur ne sont pas entièrement utilisées. Le contrôleur PV-STATCOM proposé n’interfère pas avec les systèmes de production d’énergie solaire PV ou avec les échanges de puissance active des systèmes BESS. Il ne fait que se servir de la capacité d’onduleur inutilisée ou inactive des parcs de panneaux solaires PV et des systèmes BESS.
  • La technologie PV-STATCOM réagit en 1 à 2 cycles au lieu d’en 1 à 2 secondes pour les fonctions intelligentes de l’onduleur volt-var ou volt-watt.
  • La technologie PV-STATCOM peut offrir plusieurs nouveaux avantages sur une base permanente dans les réseaux de transmission et les réseaux de distribution comme ci-dessous.

Applications de la technologie PV-STATCOM au réseau de distribution :

  • Régulation de la tension dynamique au même titre qu’un système statique de compensation synchrone (STATCOM)
  • Connectivité accrue des parcs éoliens pendant la nuit (quand le vent est à son maximum)
  • Les systèmes STATCOM ne sont plus nécessaires en raison de la connectivité accrue des systèmes de panneaux solaires PV
  • Prévention de l’instabilité des moteurs à induction situés à distance
  • Réduction de tension de conservation (RTC) et réduction des pertes en lignes en optimisant les réseaux de panneaux solaires PV et les systèmes BESS au même titre qu’un système STATCOM
  • Réduction des intensités de court-circuit provenant des onduleurs des panneaux PV

Applications de la technologie PV-STATCOM au réseau de transmission :

  1. Amélioration de la capacité de transmission d’électricité par l’atténuation des fluctuations de courant et une stabilité accrue du réseau
  2. Régulation simultanée rapide de la fréquence et atténuation des fluctuations de courant
  3. Prévention de la résonance hyposynchrone (PRH)
  4. Allègement de la reprise de tension reportée induite par une disjonction (FIDVR)

III. Première démonstration sur site canadien de la technologie PV-STATCOM

Le 13 décembre 2016, la technologie « PV-STATCOM » en modes diurne et nocturne a été démontrée pour la première fois au Canada (et peut-être dans le monde), sur le réseau électrique de Bluewater Power, à Sarnia, en Ontario. Les essais ont démontré qu’un parc de panneaux solaires PV de 10 kW s’est transformé de manière autonome en un système PV-STATCOM pour stabiliser un moteur à induction essentiel au fonctionnement du réseau pendant une perturbation majeure.

IV. Brevets

Treize brevets ont été délivrés aux États-Unis, au Canada, en Europe et en Chine portant sur les différents aspects de la technologie PV-STATCOM. Treize brevets ont également été déposés en Europe, en Inde, aux États-Unis, au Canada et en Chine.

V. Potentiel d’application de la technologie PV-STATCOM

Lorsqu’un service d’électricité ou un abonné a déterminé le besoin d’investir dans un contrôleur FACTS (STATCOM ou SVC) pour régler un problème sur le réseau de transmission et de distribution et lorsqu’un parc solaire est situé dans les environs.

Le parc solaire doté de la technologie PV-STATCOM peut assurer le même service au service d’électricité ou à l’abonné à un coût environ 10 fois moins élevé.

  • Ceci génère des économies de coûts considérables dont profitent le service d’électricité et l’abonné.

VI. Avantages pour le service d’électricité

  1. Un meilleur fonctionnement du réseau des services d’électricité
  2. Des économies substantielles générées par l’utilisation de cette technologie par rapport aux systèmes STATCOM, SVC, DVAR de capacité équivalente.

VII. Avantages pour les parcs solaires

De nouvelles sources de revenus pour les parcs de panneaux solaires PV pour assurer les fonctions d’appoint du réseau le jour et la nuit, en plus de la vente effective d’électricité.

VIII. Avantages du projet :

  1. Minimisation des pertes en lignes : En Amérique du Nord, les pertes en lignes sont normalement de 4 à 5 % sur les réseaux de transmission et de distribution. Si l’on sait que la demande quotidienne diurne en Ontario atteint en moyenne 18 000 MW, les pertes en lignes seraient de 720 MW. Si l’on pouvait récupérer cette perte en lignes, on pourrait approvisionner les besoins en électricité de presque 500 000 personnes. Par conséquent, une réduction des pertes en lignes, même partielle, peut apporter des avantages substantiels.
  2. Réduction de tension de conservation : La réduction de tension de conservation (RTC) est une technique éprouvée utilisée dans le monde entier pour réduire la demande de pointe et la consommation d’énergie totale des réseaux de distribution. Cette technique implique d’abaisser à dessein les tensions sur les circuits de distribution dans le bas de la plage de tensions acceptables par le service d’électricité. De nombreuses études portant sur plusieurs services d’électricité et diverses implantations ont démontré qu’une réduction de 1 % des tensions sur les barres omnibus peut réduire la consommation d’énergie de 0,7 à 1,5 % selon le type de charges.

Les stratégies d’optimisation Volt/Var faisant appel à des régulateurs de tension, à des régleurs en charge de transformateurs et à des condensateurs commutés sont couramment utilisées sur les réseaux de distribution pour la réduction de la perte en lignes et pour la RCT. Les systèmes de commande d’onduleurs intelligents (Volt-var, etc.) sur des parcs de panneaux solaires PV ont été étudiés pour assurer la réduction de la perte en lignes et la RCT, mais uniquement pendant le jour.

Toutefois, un ensemble de réseaux de panneaux solaires PV et de systèmes BESS en mode diurne et nocturne n’ont pas été utilisés jusqu’ici pour assurer la RCT et la réduction de la perte en lignes.

Ce projet utilise des parcs de panneaux solaires PV en modes diurne et nocturne et des systèmes de stockage d’énergie sur piles 24 heures par jour comme systèmes STATCOM avec un délai de réaction de 1 à 2 cycles. Ceci permet une implantation très rapide, quasi continue des tensions optimales sur les réseaux de distribution pour obtenir la réduction de la perte en lignes et la réduction de la charge par RCT. Les parcs de panneaux solaires sont dotés de toutes les capacités d’onduleur accessibles pendant la nuit. En outre, on dispose d’une capacité d’onduleur inutilisée substantielle dans le début de la matinée et à la fin de l’après-midi. Cette capacité résiduelle des onduleurs PV complétée par la capacité inutilisée de l’onduleur du BESS sur une période de 24 heures sera utilisée pour l’échange de puissance réactive comme système STATCOM pour la RCT et la réduction de la perte en lignes.

Ce projet vise à démontrer les avantages de la nouvelle technologie PV-STATCOM dans le réseau de distribution d’Elexicon. Des études d’optimisation du flux de charge et des études de simulation des transitoires électromagnétiques sont en cours sur les réseaux de distribution d’Elexicon qui sont raccordés à des parcs solaires et à des systèmes de stockage d’énergie. Les économies d’énergie et la réduction de la charge de pointe qui peuvent être réalisées sur les réseaux d’Elexicon à l’aide de la technologie PV-STATCOM basée sur les capacités résiduelles effectives des onduleurs des parcs de panneaux solaires PV et des systèmes de stockage d’énergie sont déterminées sur des périodes quotidiennes et mensuelles. Ces économies sont ensuite quantifiées en dollars pour Elexicon.

IX. Résultats préliminaires du projet :

  • Une évaluation est en cours sur les avantages de l’implantation de la technologie PV-STATCOM en modes nocturne et diurne sur le réseau de panneaux solaires PV de 120 kW raccordé à l’édifice de bureaux d’Elexicon pour réaliser la réduction de la perte en lignes et la RCT.
  • Des logiciels PSS/E de calibre industriel sont utilisés dans les études de simulation.
  • Le réseau étudié est modélisé dans les logiciels PSS/E et les études sont menées à l’aide de la fonctionnalité d’optimisation du flux de charge (OPF) du logiciel.
  • Les études se servent des données des installations de panneaux solaires PV et de charge fournies par Elexicon.
  • La technologie PV-STATCOM pour différents objectifs fait l’objet d’essais menés dans le cadre d’études d’optimisation du flux de charge pour chaque 5 minutes tout au long de la journée (24 heures) au cours du mois de juin 2020.
  • Les études sont menées pendant une journée de semaine et pendant le week-end. Les résultats sont extrapolés pour estimer les économies annuelles potentielles.
  • Le facteur de puissance de l’édifice de bureaux d’Elexicon était de 0,87 en juin, tel que décrit à la fig. 1. La technologie PV-STATCOM fait passer le facteur de puissance de 0,87 à 0,99, tel qu’illustré à la fig. 2.
  • La correction du facteur de puissance assurée par le système PV-STATCOM réduit le courant de secteur comme indiqué à la fig. 3.
  • La réduction en pourcentage des pertes en lignes du départ de ligne de distribution alimentant en électricité à l’édifice de bureaux d’Elexicon est représentée dans la fig. 4. Les pertes en lignes sont réduites en moyenne de 21,5 % à l’aide des systèmes PV-STATCOM.
  • La prochaine série d’études évaluera l’avantage de la technologie PV-STATCOM sur les réseaux de panneaux solaires PV et les systèmes BESS pour assurer la RCT et la réduction des pertes en lignes dans le microréseau d’Elexicon.

Fig. 1. Facteur de puissance de l’édifice de bureaux d’Elexicon sans le contrôleur PV-STATCOM installé sur le parc solaire

Fig. 2. Facteur de puissance de l’édifice de bureaux d’Elexicon avec le contrôleur PV-STATCOM installé sur le parc solaire

Fig. 3. Circulation d’un courant électrique normalisé de dans l’édifice de bureaux d’Elexicon dans un jour de semaine sans et avec le contrôleur PV-STATCOM installé sur le parc solaire

Fig. 4. Réduction en pourcentage des pertes en lignes du départ en ligne d’alimentation de l’édifice de bureaux d’Elexicon dans un jour de semaine avec l’application du contrôleur PV-STATCOM sur le parc solaire

La technologie PV-STATCOM peut assurer la fonctionnalité 24 h sur 24 et 7 jours sur 7 d’un système STATCOM à un coût 10 fois inférieur à un système statique de compensation synchrone conventionnel (STATCOM) ou un compensateur statique d’énergie réactive (SVC) pour les mêmes fonctions de prise en charge du réseau.