Modèles de référence des systèmes de production décentralisée pour les simulations quasi-statiques de séries temporelles des flux de puissance

Champ des études

La Brochure Technique (BT) décrit un cadre pour les modèles de référence de DER et un premier ensemble de modèles de référence destinés aux simulations quasi-statiques de séries temporelles (QSTS) de flux de puissance. Plus précisément sont proposés des modèles de référence pour les systèmes photovoltaïques, les convertisseurs intelligents, et les systèmes de stockage d'énergie, avec l'espoir que la bibliothèque des modèles de référence sera enrichie par les Groupes de Travail qui suivront.

Les raisons qui conduisent à spécifier les modèles de référence de DER pour les simulations QSTS sont les mêmes que celles pour lesquelles les simulations de ce type sont de plus en plus utilisées dans la planification des réseaux de distribution actifs. Alors que les simulations dynamiques et EMT permettent une évaluation plus détaillée des impacts des DER, les simulations QSTS sont plus faciles à mettre en place, et demandent moins d'expertise et des modèles moins détaillés des réseaux et des DER. On peut utiliser les modèles EMT comme référence de modèles QSTS, mais cela pourrait soulever des problèmes aux planificateurs de réseau de distribution qui ne pratiquent pas habituellement des simulations EMT. En outre la comparaison des modèles QSTS et EMT n'est pas toujours faisable, les échelles de temps habituellement étudiées au moyen des QSTS étant relativement plus étendues, et peuvent rendre difficiles les rapprochements entre les différentes hypothèses de simulations, les simplifications, et les contrôles nécessaires.

Le cadre et les modèles de référence proposés dans la BT sont destinés à constituer une référence commune, destinée aux concepteurs des réseaux de distribution, à des fournisseurs, à des universitaires, et à d'autres parties prenantes de l'industrie, pour leur permettre de comprendre et de vérifier les performances des modèles existants. Ils sont aussi une contribution à la normalisation des modèles de l'industrie.

Description de la BT

La BT est constituée de six chapitres et de quatre annexes. Après une rapide présentation et une description de la simulation QSTS, dans le chapitre 1, la BT expose dans le chapitre 2 les grandes lignes d'un cadre et des spécifications  de la définition des modèles de référence de DER. En appliquant ce cadre on propose, dans les chapitres 3 à 5, des modèles de référence des systèmes photovoltaïques (PV), des systèmes de stockage d'énergie, et des convertisseurs intelligents. Une perspective des besoins et des domaines de développements futurs des modèles de référence de DER complète le contenu de la BT proprement dite, et constitue le chapitre 6. En complément la BT comporte quatre annexes qui rassemblent des informations en support des modèles de référence, telles que des code scripts et des profils de charge.

Le cadre du modèle DER de référence

Le cadre défini est constitué de deux éléments clés:

1. La structure du modèle DER de référence
2. Les exigences de spécification du modèle DER de référence.

La structure du modèle DER de référence définit le champ d'application et la classification des types de DER des modèles de référence. Cette structure présuppose que les types majeurs de DER sont identifiés, et propose le cadre nécessaire pour agréger les composants et catégoriser les dispositifs DER à un niveau qui minimise la duplication des modèles, tout en permettant une combinaison immédiate des modèles DER pour représenter une installation comportant de multiples types de DER.

En rappelant que les modèles DER de référence présentés dans la BT sont destinés à participer à la modélisation et aux besoins de simulation des réseaux de distribution, ces modèles ne doivent représenter que la partie du fonctionnement des DER qui interagit avec le réseau de distribution. Les aspects étrangers à cette relation peuvent être représentés par des valeurs ou des entrées équivalentes.

La part des contrôles des DER qui doivent être inclus dans les références est aussi couverte dans la structure. Bien qu'il soit considéré comme important de les prendre en compte dans les études QSTS, il a été retenu que les contrôles extérieurs aux dispositifs DER doivent être représentés par un ensemble de modèles qui leur sont spécifiques, et il est recommandé que des activités similaires de modélisation de référence soient entreprises dans le futur.

Les exigences de spécification des modèles couvrent les principaux aspects d'un modèle DER de référence destiné à la simulation QSTS. Avec ces exigences de spécification, il est possible d'assurer une uniformité non seulement entre les différents modèles de référence proposés dans la BT, mais aussi avec les modèles qui en seront dérivés dans le futur pour d'autres technologies DER. Les exigences de spécification couvrent les points suivants:

• Fondamentaux: vue d'ensemble des principes de fonctionnement, facteurs internes ou externes impactant le fonctionnement de la DER, et principaux types de technologie.
• Modèle de référence: décomposition détaillée des constituants du modèle DER dont la source, l'interface et les composants du contrôle; description des variables d'entrée, des variables de sortie, des paramètres internes, et leur interactions; valeurs ou plage de valeurs typiques des paramètres du modèle. Exemple de cas de simulation et résultats.
• Considérations d'utilisation: Discussion des aspects dont les utilisateurs doivent avoir connaissance, quand ils vont utiliser, ou développer, le modèle DER de référence.

Modèles de référence

Les chapitres de la BT présentant les modèles de référence individuels viennent à la suite de la structure de spécification du modèle exposée précédemment – comportant une illustration au moyen d'une simulation utilisant le modèle de référence et une description exhaustive de tous les composants du système inclus dans la simulation. Comme la constitution, le fonctionnement, et l'utilisation varient avec les types de DER, le choix a été de proposer des cas de simulation construits sur mesure pour chaque DER, plutôt qu'un cas universel de simulation.

Pour mieux illustrer la teneur de ce qui est présenté dans cette section des modèles, les points importants du modèle de référence du système de stockage (ESS) sont exposés ci-après. Le modèle générique de la Figure 1 montre les aspects importants des modèles ESS pour une simulation QSTS, avec les états de fonctionnement (repos, en décharge, en charge), les pertes associées à l'état de fonctionnement, l'énergie stockée, et la production de puissance, active et réactive.

La simulation du modèle de référence a été réalisée en utilisant le modèle de réseau simplifié montré en Figure 2, qui est constitué d'une antenne de distribution à 12,47 kV, alimentant deux charges importantes de clients et un système ESS. Les informations concernant le réseau et les détails des charges des gros clients, dont leur profil temporel, sont décrits dans le détail dans la BT. La Figure 3 illustre le fonctionnement de l'ESS lors d'une simulation QSTS sur 24 h. Dans l'exemple l'ESS a effectivement réduit la charge de pointe, gagnant en charge et efficacité, mais n'a pas été capable de maintenir la charge de l'antenne sous la valeur spécifiée du fait de la capacité insuffisante d'énergie. Néanmoins l'action de l'ESS a réduit la durée de surcharge de la liaison principale, de quatre heures à une heure et quinze minutes. Les résultats de la simulation soulignent l'importance de bien appréhender l'état de charge minimale de l'ESS, ainsi que les pertes de fonctionnement, qui ont fait qu'avec les paramètres définis l'ESS n'a pas été capable, dans cet exemple, de réduire la surcharge de la ligne. D'autres indicateurs, tels que la fréquence des cycles de décharge, peuvent également être tirés de simulations QSTS similaires.

Conclusions et recommandations

Les modèles de référence examinés dans la BT ne représentent qu'une faible part des besoins de l'ensemble de l'industrie. Certes de grands progrès ont été effectués au cours des dernières dans le domaine des modèles de DER, mais ces efforts doivent se poursuivre pour perfectionner et valider les modèles existants, développer des modèles pour les technologies émergentes et les schémas de contrôle. L'atteinte de cet objectif dépendra de la collaboration entre compagnies d'électricité, chercheurs, fournisseurs et entités de l'industrie. Leur collaboration est essentielle pour tirer le bénéfice sociétal de l'intégration des DER, et pour en même temps assurer que les systèmes de distribution d'électricité maintiendront, ou amélioreront, les niveaux actuels de sécurité, de fiabilité et d'efficience.

Pour le futur, les activités à prendre en charge par des Groupes de Travail seront:

• Développer de nouveaux modèles de référence, pour inclure la charge des véhicules électriques, la réponse de la demande, la biomasse, les éoliennes et les autres types de DER.
• Faire évoluer les modèles DER de référence d'un contrôle autonome à un contrôle centralisé, par le biais de systèmes de gestion de distribution (ADMS) et de systèmes de gestion de DER (DERMS) intelligents.
• Valider les modèles DER de référence par comparaison aux essais de DER en laboratoire et sur site.