Modèles de réseaux de benchmark CC pour les études de systèmes électriques

Introduction

En conséquence le concept de réseaux CCHT évolue rapidement. Nan’ao, Zhoushan et Zhangbei sont de bons exemples de systèmes ou réseaux en Chine. Le système dos-à-dos de Luxi et le bipôle mixte VSC-LCC de Skagerrak 3 et 4, démontrent comment on peut combiner des systèmes LCC et VSC. Pour que les développements se poursuivent, il est extrêmement important, essentiel et indispensable, de pouvoir disposer de modèles communs de benchmark, avec des résultats d'étude de base accessibles au public. Ils permettent une collaboration dans les recherches, une comparaison directe et efficace des résultats et, finalement, la définition de normes communes d'équipements de réseaux CC et de normes d'exploitation. Ils permettent de former rapidement les ingénieurs sur des modèles publics qui ont validés par une large communauté d'ingénieurs. Ils constituent également un outil utile pour le développement de la modélisation des nouveaux systèmes de contrôle.

Les modèles existants de benchmark CCHT sont en majorité point-à-point, l'exception notable étant constituée par le système d'essai de réseau CCHT créé par le GT B4.57 du CIGRE, qui a été publié dans la Brochure Technique (BT) 604, et qui a largement été utilisé. Ce système multi-terminal de test a été développé à un moment où la rapide multiplication des productions éoliennes offshore en Europe confirmait que les systèmes multi-terminaux VSC-CCHT devenaient un sujet important, auquel contribuait le système de test de réseau CCHT. Depuis nombre d'autres sujets sont apparus, tels que le raccordement, l'intégration, et le transport de productions renouvelables terrestres sur de longues distances, l'intégration des systèmes LCC-CCHT point-à-point préexistants pour constituer des réseaux LCC-CCHT, le développement de réseaux CCHT hybrides LCC-VSC, l'interconnexion de réseaux CA au moyen de réseaux CC, etc.

Dans la BT les modélisations requises sont présentées et différents modèles de benchmark sont proposés. Les modèles sont disponibles sous la forme d'un certain nombre de packages de simulation hors ligne et temps réel (RT) et des exemples de résultats sont illustrés dans la BT. Les modèles complets sont aussi disponibles en ligne. Bien que l'objectif de la BT ne soit pas d'offrir des modèles pour tous les cas possibles, il existe suffisamment de variantes qui puissent constituer un point de départ pour beaucoup des configurations courantes en étude à ce jour.

Activités

Le programme de travail du Groupe de Travail (GT) consistait à définir des modèles de réseau CCHT de benchmark qui couvrent la plupart des différentes configurations des réseaux destinés à divers types d'études. Ces travaux s'appuient sur les productions des GT B4.52, B4.57, B4.58 et B4.59, et les modèles de test développés et publiés par l'Institut de Recherche pour l'Interconnexion Globale des Energies (GEIRI - pour Global Energy Interconnection Research Institute). Les deux types de réseaux - CCHT-VSC et LCC - devaient être couverts, et les possibilités et limitations des réseaux CCHT-LCC devaient être examinées.

Méthodologie

Le GT a étudié les différentes applications des technologies CCHT-LCC et CCHT-VSC de par le monde, avec pour but de proposer plusieurs modèles de réseau CCHT qui couvrent la plupart des utilisations des réseaux CC. Pour cela le GT a conduit les activités suivantes :

• Une enquête à l'échelle mondiale a été lancée, avec pour objectif de dégager les grandes lignes du contexte des systèmes électriques, et recueillir des informations de base sur les systèmes CCHT existants et les potentielles utilisations des réseaux CC pour la plupart des continents. L'intention était également de produire eu synthèse documentée des configurations et des topologies des réseaux CCHT correspondant à des applications régionales, nationales, de transport à longue distance, et autres.
• Une revue bibliographique a été conduite, portant sur les modèles existants de réseaux CCHT proposés par les chercheurs pour différents types d'études et pour différentes applications des réseaux CCHT, ainsi que sur les différents démonstrateurs de laboratoire, à échelle réduite, de systèmes CCHT multi-terminaux qui existent de par le monde. IEEE Transactions Journal, IET Journal, Elsevier Journal, et les rapports des Conférences CIGRE, des années 2012 à 2018, ont constitué les principales sources.
• Sur la base des résultats de ces activités, sept modèles - BM 1 à BM7 - de réseau de benchmark (six nouveaux et un réseau d'essai existant du CE B4 de CIGRE) ont été développés pour constituer des plateformes unifiées d'étude répondant aux besoins de la majeure partie des différentes études et applications des réseaux CCHT.
• La méthodologie de modélisation et les modèles des principaux constituants (c. à d. les convertisseurs CA/CC, les convertisseurs CC/CC, les disjoncteurs CC, les productions renouvelables, et les équipements CA conventionnels) des réseaux de benchmark pour les calculs de flux de puissance (LF - load flow) et des études des transitoires électromagnétiques (EMT), sont présentés.
• La modélisation hors ligne et la vérification des sept modèles de benchmark ont été entreprises en construisant leurs modèles de types LF et EMT pour différents logiciels (c. à d. MATLAB, DigSilent, PSCAD et/ou EMTP), et les résultats correspondants des simulations dynamiques pour deux perturbations dynamiques, ont été calculés.
• Finalement les détails des modèles utilisés pour réaliser la simulation temps réel ont été fournis, suivis par les modèles de simulations temps réel EMT pour tous les modèles sauf BM6, construits sur RTDS NovaCor (BM1 à BM4) et Hypersim (BM1 à BM7, sauf BM6), et vérifiés au moyen de deux simulations dynamiques.

Enquête et revue bibliographique

Dans une première étape un point global des installations CCHT a été établi pour recenser les systèmes CCHT existants, planifiés et envisagés (potentiels) à l'échelle mondiale, avec leur configuration et leur utilisation. L'enquête a montré que les réseaux CCHT pouvaient potentiellement se constituer sur tous les continents, et plus particulièrement en Asie, en Europe du Nord et en Amérique du Nord, du fait de la pénétration et de l'intégration croissantes des productions renouvelables, ainsi que du besoin croissant d'échanges d'électricité entre réseaux voisins et de transports de fortes puissances sur de grandes distances. L'existence de systèmes CCHT multi-terminaux a également été notée, avec des systèmes en service ou planifiés en Chine, aux USA et en Europe.

On anticipe que les réseaux CC potentiels se développeront progressivement à partir de systèmes multi-terminaux à petite échelle, comportant de trois à cinq terminaux, pour constituer des réseaux plus étendus comportant plus de terminaux. De tels réseaux seront constitués de liaisons souterraines, sous-marines, et aériennes, avec des configurations et des niveaux de tension différents. Aussi il est important que la modélisation des différentes configurations potentielles soit adaptée, parce qu'il peu probable qu'il y aura qu'un seul « architecte de système » du grand réseau unique éventuel. Pour chaque région les potentielles utilisations des réseaux CC, et également les caractéristiques nécessaires à la modélisation de ces utilisations, ont été compilées. Ceci a été suivi par la recherche bibliographique, à échelle mondiale, des modèles de réseaux CC existants et de leurs utilisations, ainsi que des réseaux de test de laboratoire.

La revue bibliographique a examiné le système d'essai CCHT du CE C4 de CIGRE et les modèles GEIRI et leurs applications, les modèles de réseau CC les plus courants utilisés par les chercheurs pour différents types d'études et pour différentes utilisations dans des réseaux CC, ainsi que les différents démonstrateurs de laboratoire, à échelle réduite, de systèmes CCHT multi-terminaux existant de par le monde. Ceci a confirmé qu'un ensemble de réseaux de benchmark est nécessaire pour faciliter la comparaison des résultats de diverses études portant sur les réseaux CC, la variété des utilisations démontrant qu'une approche du genre « un modèle répond à tout » sera insuffisante. Les applications des modèles de benchmark (BM) doivent couvrir, mais sans s'y limiter, les besoins suivants :

1. Intégration des renouvelables offshore et terrestres ;
2. Etudes de faisabilité des réseaux CC multi-terminaux (MTDC) ;
3. Interconnexion de réseaux CC de niveaux de tension différents ;
4. Equipements et composants CC clés ;
5. Etudes de flux de puissance et des transitoires électromagnétiques (EMT) ;
6. Protection et contrôle ;
7. Analyse et contrôle du comportement dynamique ;
8. Simulation temps réel des systèmes CC multi-terminaux.

Modèles de benchmark de réseaux CCHT développés

Sept BM ont été développés et sont présentés de façon résumée ci-après.

BM1 – modèle de réseau CCHT pour l'intégration de productions renouvelables terrestres de grande capacité

Ce modèle représente un réseau CCHT à ±500 kV, de type Conversion à Source de Tension (VSC), destiné à l'intégration de productions renouvelables terrestres de grande capacité. De nombreux pays comme les USA, la Chine et l'Australie étudient activement le déploiement généralisé de productions renouvelables terrestres de grande capacité, et le transport CCHT devient économiquement attractif pour des distances de plusieurs centaines de kilomètres.

L'examen de la bibliographie présenté dans la BT a montré que les modèles de réseau CC les plus couramment utilisés dans les études EMT comportent de trois à cinq terminaux, formant une maille et à un seul niveau de tension. Ainsi le modèle est conçu pour une maille CC formée par au moins trois bus CC, mais avec la possibilité d'additionner des terminaux CC, les différents types de renouvelables de grande capacité (c. à d. éolien, solaire et hydro) étant connectés au réseau CC (Figure 1).

Le modèle comporte aussi deux mailles hybrides CA/CC et ceci, avec la maille CC, permet d'assurer une redondance dans le système. Comme il est connecté à des types différents de renouvelables, la production possède des complémentarités temporelles et spatiales, qui sont utiles pour équilibrer les flux de puissance, et augmentent la disponibilité et la fiabilité du système. En plus le réseau CC est connecté à deux systèmes CA (750 kV et 220 kV) pour accroître la flexibilité de l'intégration d'un réseau CC VSC local et élargir les possibilités du modèle.

Le modèle convient (mais pas seulement) pour les études de faisabilité des réseaux CCHT destinés à raccorder des renouvelables ; les convertisseurs modélisés de manière détaillée permettent les études EMT nécessaires pour la conception et la vérification des fonctions de contrôle des réseaux CCHT ; il est applicable aux études d'impact de la robustesse des réseaux CA.

BM2 – modèle de réseau CCHT ± 800 kV à Convertisseur Commuté par la Ligne (LCC)

Le système est constitué par interconnexion de deux liaisons point-à-point LCC-CCHT. L'interconnexion des deux systèmes est obtenue par l'installation de deux lignes CC aux deux extrémités des liaisons CC, représentées par des lignes en pointillé sur la Figure 2. Si le transit est maintenu dans une seule direction (par ex. de la gauche à la droite) l'inversion de polarité de la tension CC peut être évitée. Dans de nombreux pays des systèmes LCC sont raccordés en des points électriquement proches d'un même réseau CA, et en particulier en Chine, et le besoin d'étudier les interactions des convertisseurs ou l'interconnexion des liaisons devient urgente.

Ce modèle est adapté (mais sans être restreint) aux études de faisabilité des réseaux CCHT-LCC et aux études des différents schémas de contrôle des convertisseurs.

BM3 – Modèle de système MTDC pour l'intégration de renouvelables terrestres de petite capacité

Ce modèle est complémentaire au modèle BM1, et modélise l'intégration, dans un réseau à ±320 kV, de productions renouvelables terrestres de petite capacité. Il est adapté (mais sans être restreint) aux mêmes études que celles mentionnées auparavant pour BM1. Le modèle comporte une maille hybride CA/CC, uniquement pour assurer une redondance du système, à la différence de la maille CA/CC du modèle BM1 (Figure 3).

BM4 – Modèle de réseau CCHT pour le raccordement des productions éoliennes offshore et l'alimentation des plateformes gaz et pétrole

La pratique du raccordement des productions éoliennes offshore mettant en œuvre la CCHT est bien établie en Allemagne et est planifiée ailleurs en Europe. Le modèle a d'abord été développé par les Groupes de Travail B4.57 et B4.58 du CIGRE, et il est largement utilisé. Il comporte une liaison CCHT point-à-point, un système multi-terminal CCHT et un réseau CCHT maillé. Deux niveaux de tension sont présents, ainsi que deux convertisseurs CA/CC (un pour la connexion entre niveaux de tensions différents, et l'autre seulement pour le contrôle du transit de puissance) (Figure 4).

Certaines interactions possibles entre types de liaisons différents (c. à d. ligne aérienne et câble) ont été prises en compte dans le modèle, en mettant en série lignes aériennes et câbles. Il est adapté (mais sans être restreint) aux études des transitoires électromagnétiques (EMT) et des transitoires électromécaniques (c. à d. études dynamiques RMS), aux études des réseaux CCHT offshore, à la conception et à la vérification des fonctions de contrôle de la coordination des réseaux CCHT offshore.

BM5 – Modèle de réseau CCHT hybride LCC/VSC

Ce modèle est constitué par l'interconnexion de deux modèles à petite échelle (BM1 et BM2), pour le raccordement et le transport de productions renouvelables. Si les terminaux LCC sont remplacés par des terminaux VSC, BM5 est aussi un modèle de système VSC de taille moyenne pour le raccordement de productions renouvelables locales et le transport du surplus de puissance vers des charges éloignées, sur de grandes distances. Les deux systèmes CCHT, de tensions nominales ±800 kV et ±500 kV, relient deux réseaux asynchrones. Le modèle est adapté (mais pas restreint) aux études EMT et RMS, aux études de faisabilité des réseaux hybrides VSC/LCC, aux études de différents schémas de contrôle de convertisseur, et à l'évaluation du comportement transitoire des systèmes hybrides LCC/VSC.

BM6 – Modèle de réseau CCHT destiné à interconnecter en parallèle deux systèmes électriques CA

Le système BM6 prend en compte deux systèmes CA interconnectés par un réseau multi-terminal en parallèle avec un système CCHT point-à-point (Figure 6).

Le réseau CC se trouve au milieu de dix convertisseurs CA/CC, et de trois convertisseurs CC/CC qui interconnectent trois niveaux de tension différents (±400 kV, ±500 kV et ±800 kV). Une liaison parallèle, en haut, comporte trois bus et est indépendante des autres liaisons. Le réseau CC est formé de trois systèmes CC différents, c. à d. deux systèmes CC locaux aux deux extrémités, en bleu sur la figure (tensions nominales de ±400 kV et ±500 kV, et un système d'interconnexion CC en vert (±800 kV), qui constituent des liaisons multiples de transport de puissance CC entre les deux systèmes hybrides CA/CC.

Un tel système pourrait être une interconnexion entre deux systèmes CA présentant une forte interconnectivité CCHT. L'intérêt particulier du modèle concerne les études d'utilisation des disjoncteurs CC et des disjoncteurs CA associés pour diviser le réseau CC en différentes zones et éliminer une grande partie des défauts affectant le côté CC. Bien que les disjoncteurs CC aient été testés par plusieurs constructeurs, leur disponibilité commerciale reste un obstacle au développement des réseaux CC du fait de la taille énorme et du coût des disjoncteurs CC disponibles actuellement. Afin de mettre à disposition des chercheurs une plateforme permettant d'étudier différents arrangements de disjoncteurs pour protéger les réseaux CC de différentes configurations, le modèle de benchmark est conçu de manière telle que différentes configurations de système CC soient rendues possibles en ne demandant que rarement que les disjoncteurs CC découpent le réseau CC en zones séparées.

BM7 – Modèle complet d'un grand réseau CCHT

Ce modèle est constitué des modèles BM1, BM2, BM3 et BM4 interconnectés. BM7 est conçu comme un réseau CC de grande taille et très complet, avec plus de vingt terminaux, de multiples niveaux de tension CC interconnectés par des convertisseurs CC/CC et de multiples sources d'énergie, couvrant la plupart des utilisations de réseaux CC et répondant aux besoins de la plus grande partie des différents sujets de recherche. Du fait de sa grande taille et de sa complexité, il n'est pas adapté aux études EMT qui modélisent tous les composants. Pour certaines études on peut souhaiter utiliser des représentations EMT détaillées pour une certaine partie du modèle, et des modèles simplifiés pour le reste, et cette possibilité était présente dans la réflexion qui a conduit à constituer ce modèle à partir de modèles plus petits. Il peut être utilisé pour les études dynamiques RMS avec une partie du système modélisée en détail, pour des études hybrides de transitoires électromagnétiques et électromécaniques avec une partie seulement du système modélisée en détail, pour des études de planification de réseau CC, pour la conception et le contrôle de la conception des contrôleurs de flux de puissance, et pour la conception et la vérification des fonctions des systèmes de coordination des réseaux CC.

Modélisation et vérification des modèles de benchmark

Les modèles de calcul de répartition de flux et EMT des sept modèles de benchmark ont été construits avec les packages ou plateformes logiciels de simulation hors ligne et RT couramment utilisés, à savoir Matlab, PSCAD, EMTP, DigSilent, RTDS et Opal-RT Hypersim. Les composants électriques des modèles sont construits à partir des informations de précédentes Brochures Techniques CIGRE, ou des modèles les plus courants ou les plus généraux disponibles dans la bibliographie, et des packages logiciels correspondants. Ils sont rapidement décrits dans la BT, avec des références bibliographiques renvoyant à des informations plus détaillées. Ce sont en particulier les convertisseurs CA/CC, les convertisseurs CC/CC, les circuits CC (à la fois lignes aériennes et câbles), les productions renouvelables, et les équipements CA conventionnels. Il faut noter que certains paramètres des benchmark sont génériques et doivent être ajustés pour les études spécifiques. En particulier il n'est pas fait de recommandations sur les stratégies de protection dans la BT.

Au total il y a sept (7) dossiers de fichiers des modèles contenant S8 fichiers des modèles (c. à d. 9 modèles LF en régime normal d'exploitation, 9 modèles LF en régime N-1, 10 modèles EMT hors ligne, et 10 modèles de simulation RT) et un (1) dossier de fichiers contenant des fichiers de tableur Excel pour les schémas de repli N-1 et les résultats complets des études N-1. Les descriptions, les logiciels et des échantillons de résultats qui permettent aux utilisateurs d'entreprendre des recherches et des développements dans un cadre commun, sont fournis dans la BT. Ceci devrait aider l'innovation dans ce domaine de plus en plus important.

Les fichiers de modèles spécifiques joints à la BT sont :

• Les modèles de calcul de répartition des flux dans les conditions normales d'exploitation pour tous les modèles, in Matlab ;
• Les modèles de calcul de répartition des flux en régime de N-1 pour tous les modèles, en DigSilent PowerFactory ;
• Les modèles de simulation EMT en PSCAD, pour les modèles BM1 à BM5 ;
• Les modèles de simulation EMT en DigSilent PowerFactory, pour BM6 ;
• Les modèles de simulation EMT en EMTP, pour les modèles BM4 à BM7 ;
• Les modèles de simulation EMT en temps réel pour la plateforme RTDS, pour les modèles BM1 à BM4 ;
• Les modèles de simulation EMT en temps réel pour la plateforme Opal-RT (Hypersim), pour les modèles BM1 à BM5 et pour BM7.

Conclusions

La Brochure Technique a été conçue pour aider la communauté des ingénieurs à étudier le sujet émergent des systèmes multi-terminaux et des réseaux mettant en œuvre la technologie CCHT. Elle propose une analyse à grande échelle des systèmes CCHT de par le monde, et des publications sur les systèmes multi-terminaux et les réseaux. Elle présente sous forme résumée les modèles existants des systèmes et des réseaux CCHT. Sept modèles de benchmark sont développés, avec la justification de leur choix et une synthèse des résultats essentiels, ainsi que des modèles en ligne par le biais d'une variété de plateformes de simulation hors ligne et en temps réel. Elle constitue une ressource qui aidera les utilisateurs, les chercheurs et les développeurs des systèmes CCHT dans une grande variété de domaines de recherche.