Actualités - Analyse du problème de liaison entre les groupes électrogènes diesel et le stockage d'énergie

Voici une explication détaillée en anglais des quatre principaux enjeux de l'interconnexion des groupes électrogènes diesel et des systèmes de stockage d'énergie. Ce système énergétique hybride (souvent appelé micro-réseau hybride « diesel + stockage ») constitue une solution avancée pour améliorer l'efficacité, réduire la consommation de carburant et garantir la stabilité de l'alimentation électrique, mais son contrôle est extrêmement complexe.

Aperçu des principaux problèmes

Problème de puissance inverse de 100 ms : comment empêcher le stockage d'énergie de renvoyer de l'énergie au générateur diesel, le protégeant ainsi.
Puissance de sortie constante : comment maintenir le moteur diesel en fonctionnement constant dans sa zone de rendement élevé.
Déconnexion soudaine du stockage d'énergie : comment gérer l'impact lorsque le système de stockage d'énergie tombe soudainement hors service.
Problème de puissance réactive : comment coordonner le partage de la puissance réactive entre les deux sources pour assurer la stabilité de la tension.

1. Le problème de puissance inverse de 100 ms

Description du problème :
Un retour de puissance se produit lorsque l'énergie électrique circule du système de stockage d'énergie (ou de la charge) vers le groupe électrogène diesel. Pour le moteur diesel, cela agit comme un « moteur », entraînant le moteur thermique. Ce phénomène est extrêmement dangereux et peut entraîner :

Dommages mécaniques : une conduite anormale du moteur peut endommager des composants comme le vilebrequin et les bielles.
Instabilité du système : provoque des fluctuations de la vitesse (fréquence) et de la tension du moteur diesel, pouvant entraîner un arrêt.

La nécessité de résoudre ce problème en 100 ms est due à la forte inertie mécanique des générateurs diesel et à la lenteur de réaction de leurs systèmes de régulation de vitesse (généralement de l'ordre de quelques secondes). Ils ne peuvent pas compter sur eux-mêmes pour supprimer rapidement ce reflux électrique. Cette tâche doit être prise en charge par le système de conversion de puissance (PCS) à réponse ultra-rapide du système de stockage d'énergie.

Solution:

Principe de base : « Le diesel mène, le stockage suit. » Dans l'ensemble du système, le groupe électrogène diesel fait office de source de référence de tension et de fréquence (c.-à-d. mode de contrôle V/F), à l'instar du réseau électrique. Le système de stockage d'énergie fonctionne en mode de contrôle à puissance constante (PQ), où sa puissance de sortie est uniquement déterminée par les commandes d'un contrôleur maître.
Logique de contrôle :
1. Surveillance en temps réel : Le contrôleur principal du système (ou le PCS de stockage lui-même) surveille la puissance de sortie (P_diesel) et la direction du générateur diesel en temps réel à une vitesse très élevée (par exemple, des milliers de fois par seconde).
2. Consigne de puissance : La consigne de puissance pour le système de stockage d'énergie (P_set) doit satisfaire :P_load(puissance de charge totale) =P_diesel+P_set.
3. Réglage rapide : lorsque la charge diminue soudainement, provoquantP_dieselPour que la tendance soit négative, le contrôleur doit, en quelques millisecondes, envoyer une commande au PCS de stockage pour réduire immédiatement sa puissance de décharge ou passer en mode d'absorption (charge). Cela permet d'absorber l'énergie excédentaire dans les batteries, garantissant ainsiP_dieselreste positif.
Mesures de sécurité techniques :
- Communication à haut débit : des protocoles de communication à haut débit (par exemple, bus CAN, Ethernet rapide) sont nécessaires entre le contrôleur diesel, le PCS de stockage et le contrôleur maître du système pour garantir un délai de commande minimal.
- Réponse rapide PCS : les unités de stockage PCS modernes ont des temps de réponse de puissance bien plus rapides que 100 ms, souvent dans les 10 ms, ce qui les rend parfaitement capables de répondre à cette exigence.
- Protection redondante : Au-delà de la liaison de commande, un relais de protection contre les retours de puissance est généralement installé à la sortie du générateur diesel comme barrière matérielle finale. Cependant, son temps de fonctionnement pouvant atteindre quelques centaines de millisecondes, il sert principalement de protection de secours ; la protection rapide principale repose sur le système de commande.

2. Puissance de sortie constante

Description du problème :
Les moteurs diesel fonctionnent avec une efficacité énergétique optimale et des émissions minimales dans une plage de charge comprise entre 60 et 80 % de leur puissance nominale. Les faibles charges entraînent un « wet stacking » et une accumulation de carbone, tandis que les charges élevées augmentent considérablement la consommation de carburant et réduisent la durée de vie. L'objectif est d'isoler le diesel des fluctuations de charge et de le maintenir stable à un point de consigne efficace.

Solution:

Stratégie de contrôle « Écrêtement des pics et comblement des vallées » :
1. Point de base défini : le groupe électrogène diesel fonctionne à une puissance de sortie constante définie à son point d'efficacité optimal (par exemple, 70 % de la puissance nominale).
2. Règlement sur le stockage :
  - Lorsque la demande de charge > Point de consigne diesel : La puissance déficiente (P_load - P_diesel_set) est complété par le système de stockage d'énergie en décharge.
  - Lorsque la demande de charge < Point de consigne diesel : La puissance excédentaire (P_diesel_set - P_load) est absorbée par le système de stockage d'énergie en charge.
Avantages du système :
- Le moteur diesel fonctionne de manière constante et à haut rendement, en douceur, prolongeant sa durée de vie et réduisant les coûts de maintenance.
- Le système de stockage d'énergie atténue les fluctuations drastiques de charge, évitant ainsi l'inefficacité et l'usure causées par les changements fréquents de charge du diesel.
- La consommation globale de carburant est considérablement réduite.

3. Déconnexion soudaine du stockage d'énergie

Description du problème :
Le système de stockage d'énergie peut être soudainement déconnecté en raison d'une panne de batterie, d'un défaut du PCS ou d'un déclenchement de protection. L'énergie auparavant gérée par le système de stockage (en production ou en consommation) est instantanément transférée intégralement au groupe électrogène diesel, créant un choc électrique massif.

Risques :

Si le stockage se déchargeait (supportait la charge), sa déconnexion transfère la pleine charge au diesel, provoquant potentiellement une surcharge, une chute de fréquence (vitesse) et un arrêt de protection.
Si le stockage était en charge (absorbant l'excès d'énergie), sa déconnexion laisse l'excès d'énergie du diesel sans endroit où aller, provoquant potentiellement une inversion de puissance et une surtension, déclenchant également un arrêt.

Solution:

Réserve de puissance diesel : Le groupe électrogène diesel ne doit pas être dimensionné uniquement pour son rendement optimal. Il doit disposer d'une réserve de puissance dynamique. Par exemple, si la charge maximale du système est de 1 000 kW et que le diesel fonctionne à 700 kW, la capacité nominale du diesel doit être supérieure à 700 kW + la charge potentielle maximale (ou la puissance maximale du stockage). Par exemple, une unité de 1 000 kW sélectionnée fournirait une réserve de 300 kW en cas de panne du stockage.
Contrôle de charge rapide :
1. Surveillance du système en temps réel : surveille en permanence l'état et le flux d'alimentation du système de stockage.
2. Détection de défaut : lors de la détection d'une déconnexion soudaine du stockage, le contrôleur maître envoie immédiatement un signal de réduction de charge rapide au contrôleur diesel.
3. Réponse du moteur diesel : Le contrôleur diesel agit immédiatement (par exemple, en réduisant rapidement l'injection de carburant) pour tenter de réduire la puissance afin de l'adapter à la nouvelle charge. La réserve de puissance permet de gagner du temps pour cette réponse mécanique plus lente.
Dernier recours : Délestage : si la surtension est trop importante pour le diesel, la protection la plus fiable consiste à délester les charges non critiques, en privilégiant la sécurité des charges critiques et du générateur lui-même. Un système de délestage est une exigence de protection essentielle dans la conception du système.

4. Problème de puissance réactive

Description du problème :
La puissance réactive sert à établir des champs magnétiques et est essentielle au maintien de la stabilité de la tension dans les systèmes à courant alternatif. Le générateur diesel et le système de stockage doivent tous deux participer à la régulation de la puissance réactive.

Générateur diesel : contrôle la puissance réactive et la tension en ajustant son courant d'excitation. Sa puissance réactive est limitée et sa réponse est lente.
Stockage PCS : La plupart des unités PCS modernes sont à quatre quadrants, ce qui signifie qu'elles peuvent injecter ou absorber de manière indépendante et rapide de la puissance réactive (à condition de ne pas dépasser leur puissance apparente nominale en kVA).

Défi : Comment coordonner les deux pour assurer la stabilité de la tension du système sans surcharger l'une ou l'autre unité.

Solution:

Stratégies de contrôle :
1. Le diesel régule la tension : Le groupe électrogène diesel est réglé en mode V/F, chargé d'établir la référence de tension et de fréquence du système. Il fournit une source de tension stable.
2. Le stockage participe à la régulation réactive (facultatif) :
  - Mode PQ : Le stockage gère uniquement la puissance active (P), avec une puissance réactive (Q) mis à zéro. Le diesel fournit toute la puissance réactive. C'est la méthode la plus simple, mais elle surcharge le diesel.
  - Mode de répartition de la puissance réactive : le contrôleur maître du système envoie des commandes de puissance réactive (Q_set) au système de stockage PCS en fonction des conditions de tension actuelles. Si la tension du système est basse, le système de stockage injecte de la puissance réactive ; si elle est élevée, il absorbe de la puissance réactive. Cela allège la charge du moteur diesel, lui permettant de se concentrer sur la production de puissance active, tout en assurant une stabilisation de tension plus précise et plus rapide.
  - Mode de contrôle du facteur de puissance (PF) : un facteur de puissance cible (par exemple, 0,95) est défini et le stockage ajuste automatiquement sa sortie réactive pour maintenir un facteur de puissance global constant aux bornes du générateur diesel.
Considération de la capacité : Le système de stockage doit être dimensionné pour une puissance apparente (kVA) suffisante. Par exemple, un système de stockage de 500 kW produisant 400 kW de puissance active peut fournir un maximum desqrt(500² - 400²) = 300 kVArde puissance réactive. Si la demande de puissance réactive est élevée, un PCS plus grand est nécessaire.

Résumé

La réussite d'une interconnexion stable entre un groupe électrogène diesel et un stockage d'énergie repose sur un contrôle hiérarchique :

Couche matérielle : sélectionnez un PCS de stockage à réponse rapide et un contrôleur de générateur diesel avec des interfaces de communication à haut débit.
Couche de contrôle : Utilise une architecture fondamentale de type « Le diesel règle la tension/intensité, le stockage gère la qualité de l'énergie ». Un contrôleur système à haut débit répartit l'énergie en temps réel pour l'écrêtement des pointes et le comblement des creux de tension et le soutien de la puissance réactive.
Couche de protection : la conception du système doit inclure des plans de protection complets : protection contre l'inversion de puissance, protection contre les surcharges et stratégies de contrôle de charge (même de délestage) pour gérer la déconnexion soudaine du stockage.

Grâce aux solutions décrites ci-dessus, les quatre problèmes clés que vous avez soulevés peuvent être traités efficacement pour construire un système d’alimentation hybride diesel-stockage d’énergie efficace, stable et fiable.