Directives pour les études des oscillations subsynchrones dans les systèmes électriques à forte pénétration d'électronique de puissance

Classification des SSO

La BT, dans le chapitre 2, commence par une revue historique des événements d'oscillation. Dans le passé des méthodes d'analyse et des indicateurs de risque d'occurrence d'événements SSO ont été développés, mais adaptés aux phénomènes observés à l'époque. Le panorama des oscillations subsynchrones a significativement changé depuis, surtout du fait de l'introduction dans le réseau des productions renouvelables et des dispositifs à électronique de puissance. 

Au cours des dernières années la présence des convertisseurs à électronique de puissance et de leurs contrôleurs ont entrainé des problèmes d'oscillations subsynchrones dans le réseau. Prenant en compte ces faits IEEE a proposé une classification des problèmes de stabilité des systèmes électriques, dans laquelle deux nouvelles catégories sont préconisées. Après avoir analysé les phénomènes SSO récents, et en ligne avec la nouvelle classification proposée par IEEE, une classification détaillée est présentée dans le chapitre 2 de la BT. La Figure 1 montre cette classification. 

Les SSO sont regroupées en deux grandes catégories : les Résonances Subsynchrones (SSR) et les Interactions de Dispositifs d'Electronique de Puissance (PEDI). Les SSR sont ensuite classées en Electriques et Torsionnelles, pour différencier les SSR purement électriques, pour lesquelles les phénomènes de torsion n'interviennent pas, et ceux où ils interviennent. Les SSR de type électrique peuvent être dus à la résonance en réseau quand il existe des dispositifs de compensation série dans le réseau, où ils peuvent être dus à la résistance négative présentée par un générateur à une fréquence de résonance du réseau. Dans les deux cas les systèmes d'arbre ne sont pas impliqués. Les SSR de type torsionnel se subdivisent en trois types : l'amplification du couple d'arbre, les interactions torsionnelles avec le Réseau (TI-N), et les interactions torsionnelles avec un autre dispositif (TI-D). La nouvelle catégorie de SSO introduite est celle des Interactions des Dispositifs à Electronique de Puissance (PEDI). Ce sont des interactions des systèmes de contrôle de deux types : Interactions de Contrôle avec le Réseau (CI-N) et Interactions de Contrôle avec un autre Dispositif (CI-D). Tous ces types de SSO ont été observés par des compagnies d'électricité et bien décrits, et sont étudiés dans le chapitre.

Pratiques de l'Industrie - Difficultés et Expériences liées aux problèmes de SSO

Dans la BT les pratiques de l'industrie de l'électricité en matière d'évaluation de risque SSO et les problèmes SSO rencontrés, sont examinés dans le chapitre 3 de la BT. Le processus d'étude de SSO varie en fonction de la phase de développement du projet à laquelle elle est réalisée. En outre, du fait de l'absence de procédures normalisées, les pratiques sont diverses dans l'industrie. Ces pratiques sont discutées dans le chapitre, avec des exemples de nombreuses pratiques adoptées dans l'industrie. Les incidents de SSO rapportés par les compagnies, et les mesures de réduction mises en œuvre, sont résumés dans le chapitre.

Une approche systématique de l'étude et de la résolution des problèmes de SSO des systèmes électriques est préconisée dans la BT. Cette procédure d'étude des SSO est structurée en quatre sections: les études d'exploration, les études détaillées, les mesures de réduction, et les mesures de suivi et de protection.

Exploration des risques potentiels de SSO

Quand un nouveau projet est planifié ou si un problème existant de SSO est analysé, la première étape consiste à réaliser des études d'exploration. A ce stade, auquel le phénomène SSO potentiel n'est pas clairement identifié et les équipements qui pourraient contribuer aux SSO ne sont pas connus, où un grand nombre de situations d'exploitation  et d'incidents doit être pris en compte, les modèles détaillés de simulation peuvent ne pas être disponibles. Par conséquent, le but principal des études d'exploration est d'évaluer le risque de SSO, tout en acceptant de fausses alarmes et en évitant de faux rejets de risque. Le chapitre 4 donne une vue d'ensemble des différentes méthodes utilisables pour explorer les possibles risques de SSO de tous types. La méthodologie et les fondements théoriques de chaque méthode sont brièvement expliqués, ainsi que les limitations, les hypothèses, les besoins de modélisation et les critères d'évaluation. Les techniques de balayage en fréquence, analytiques (statiques) et basées sur des simulations (dynamiques), les calculs de Facteur d'Interaction d'Unité (UIF), et les calculs de Facteur de Radialité, sont des techniques d'exploration connues. Le Tableau 1 présente un résumé de ces techniques d'exploration. Comme recommandé dans la BT, la procédure d'exploration la plus appropriée doit être choisie en fonction de la nature du problème SSO et des types des équipements impliqués. Dans le chapitre 4 le lecteur trouvera des conseils pratiques sur l'utilisation de chacune des techniques d'exploration, ainsi que des instructions pour l'interprétation des résultats. En plus, des exemples d'utilisation de chaque méthode sont fournis, qui faciliteront leur utilisation pratique et leur compréhension.

Evaluation approfondie des SSO

Les procédures d'étude approfondie incluent des simulations de transitoires électromagnétiques (EMT) et des analyses de stabilité aux petits signaux (analyse des valeurs propres), qui sont exposées dans le chapitre 5. La simulation EMT est la plus fréquente du fait de sa flexibilité, telle que l'utilisation des modèles "boîte noire" des dispositifs. Mais la cause à l'origine des phénomènes SSO doit être soigneusement évaluée en utilisant les diagrammes dans le domaine temps de divers incidents et scénarios d'exploitation. A l'opposé l'analyse des valeurs propres (domaine fréquence) fournit plus d'informations sur le phénomène SSO. Les oscillations et l'amortissement peuvent, dans la totalité du cas d'étude, être identifiés à partir des valeurs propres, et les équipements qui contribuent aux oscillations peuvent déterminés en utilisant les propriétés de l'analyse des valeurs propres, telles que les facteurs de participation et les formes de mode. Mais c'est une technique d'analyse linéaire et il faut par conséquent prendre en compte des scénarios multiples pour couvrir toutes les conditions possibles.  En plus le modèle doit être linéarisé autour de chaque point de fonctionnement, et dans ces conditions les modèles "boîtes noires" sont difficiles à développer. Le chapitre 5 discute les besoins de modélisation, les hypothèses, les limitations et les procédures d'évaluation.

Réduction et prévention des SSO

Dès lors que les études détaillées ont confirmé le risque de SSO, des mesures appropriées de prévention doivent être mises en place. Le chapitre 6 présente les restrictions d'exploitation, les ajustements des contrôles, les contrôleurs d'amortissement subsynchrone (SSDC), les réglages des capacités série, les ajustements apportés aux centrales de production, et l'introduction des compensations shunt (SVC et STATCOM) avec des contrôleurs d'amortissement des SSO, comme des mesures de prévention utilisables. Certaines mesures de réduction peuvent être mises en œuvre comme mesures temporaires de court terme, dans l'attente d'une solution permanente. Par exemple, le shuntage de condensateurs série pour une condition particulière d'exploitation associée à un risque de SSO peut être utilisée comme une mesure temporaire. Il est important d'évaluer soigneusement les mesures de réduction utilisables, et les solutions les plus appropriées doivent être choisies en tenant compte de leur efficacité et de leur coût. Il est nécessaire d'évaluer le comportement du système électrique avec et sans la mesure, pour toutes les situations critiques identifiées dans les études détaillées. Il est également important d'évaluer l'impact de la mesure sur le comportement dynamique du système électrique.

Surveillance et mécanismes de protection des SSO

En complément des mesures de réduction, des mécanismes de protection de secours doivent être mises en place pour éviter, en dernier ressort, des dommages aux équipements. En outre les systèmes électriques connaissent une évolution rapide, et leur comportement dynamique peut changer sans qu'on le sache. Cela veut dire qu'on doit porter beaucoup d'attention au comportement de tous les équipements concernés. Il faut par conséquent une surveillance sophistiquée de l'état des équipements concernés. La question des moyens existants de surveillance et des mesures de protection fait l'objet du chapitre 7.

Résumé

En résumé la Brochure Technique constitue un guide d'étude des SSO dans les systèmes électriques à forte pénétration de dispositifs à électronique de puissance. Il est recommandé d'adapter la procédure d'étude proposée au besoin, et l'évaluation du risque doit être fondée sur un jugement d'ingénieur qualifié, parce qu'il n'existe pas de critères définis de façon robuste.