Les différences entre les stratégies de contrôle PQ, VF, droop et VSG des PCS de stockage d’énergie.
2025-09-25
Le convertisseur de stockage d’énergie PCS, également appelé onduleur bidirectionnel de stockage, est le composant central qui permet la circulation bidirectionnelle de l’énergie électrique entre le système de stockage et le réseau. Il sert à contrôler le processus de charge et de décharge de la batterie et à réaliser la conversion AC/DC.
1. Principe de fonctionnement du convertisseur de stockage d’énergie
Le principe de fonctionnement du convertisseur PCS repose principalement sur la technologie de l’électronique de puissance, réalisant la conversion et le flux bidirectionnel d’énergie grâce au contrôle de l’ouverture et de la fermeture des dispositifs de commutation.
- Mode décharge : lorsque le réseau demande au système de stockage de décharger, le convertisseur PCS transforme l’énergie continue de la batterie de stockage en énergie alternative et l’injecte dans le réseau.
- Mode charge : lorsque le réseau demande au système de stockage de se charger, le convertisseur PCS transforme l’énergie alternative du réseau en énergie continue et la stocke dans la batterie de stockage.
Pendant le processus de charge et de décharge, le convertisseur PCS nécessite également un contrôle précis de la puissance et une gestion énergétique en fonction des besoins du réseau et de l’état de la batterie de stockage, afin d’assurer un fonctionnement stable et une utilisation efficace du système de stockage.
2. Modes de fonctionnement du convertisseur de stockage d’énergie
Lorsque le système de stockage est connecté au réseau principal, c’est-à-dire lorsque le PCS fonctionne en mode connecté au réseau, le système de stockage est généralement considéré comme un nœud PQ, et le PCS utilise souvent une stratégie de contrôle PQ simple et facile à mettre en œuvre (avec le contrôle de la puissance comme objectif).
Lorsque le système de stockage est déconnecté du réseau, c’est-à-dire lorsque le PCS fonctionne en mode autonome, les méthodes de contrôle courantes incluent le contrôle maître-esclave et le contrôle par chute (droop). Le contrôle maître-esclave (contrôle VF, fournissant des références de tension et de fréquence) utilise des courbes de chute de puissance active et de fréquence, ainsi que des courbes de chute de tension et de puissance réactive. Il existe trois modes : mode connecté au réseau, mode autonome et mode hybride.
2.1 Mode connecté au réseau
En mode connecté au réseau, le PCS effectue une conversion bidirectionnelle d’énergie entre le banc de batteries et le réseau, et présente également les caractéristiques d’un onduleur.
Principales fonctionnalités :
Principales fonctionnalités :
Protection anti-îlotage : en cas de panne du réseau, le PCS cesse automatiquement de fournir de l’énergie au réseau, empêchant l’effet d’îlotage.
Synchronisation avec le réseau : le PCS suit automatiquement la phase et la fréquence de la tension du réseau pour assurer un fonctionnement synchronisé.
Passage à basse tension : lors de baisses temporaires de tension du réseau, le PCS continue de fonctionner, assurant la stabilité du système électrique.
Applications spécifiques :
Charge en heures creuses : lors des périodes de faible charge du réseau, le PCS convertit l’énergie AC du réseau en énergie DC pour charger la batterie, en utilisant ses capacités de gestion pour assurer une charge efficace et sûre.
Décharge en heures de pointe : lors des périodes de forte charge, le PCS inverse l’énergie DC de la batterie en AC et la réinjecte dans le réseau public, réduisant la pression sur celui-ci.
Régulation de la qualité de l’énergie : en cas de mauvaise qualité de l’énergie, le PCS peut injecter ou absorber de la puissance active et fournir une compensation de puissance réactive pour améliorer la qualité du réseau.
2.2 Mode autonome
Le mode autonome, également appelé mode îlot, désigne les situations où le PCS peut se déconnecter du réseau principal et fournir de l’énergie de manière indépendante aux charges locales.
Fonctions principales :
Alimentation indépendante : lorsque le réseau ne peut pas fournir d’électricité stable, le PCS peut, selon des exigences prédéfinies, fournir de manière autonome une énergie AC conforme aux critères de qualité pour les charges locales.
Alimentation d’urgence : en cas de panne du réseau ou de coupure due à une catastrophe naturelle, le PCS peut passer rapidement en mode autonome pour assurer une alimentation continue des charges critiques.
2.3 Mode hybride
Le mode hybride est un mode de fonctionnement avancé pour les systèmes de stockage d’énergie, permettant de passer de manière flexible entre les modes connecté et autonome afin d’assurer la fiabilité et la flexibilité du système.
Fonctionnement dans un micro-réseau : le système de stockage se situe au sein d’un micro-réseau. Dans des conditions normales, le micro-réseau est connecté au réseau public et le PCS fonctionne en mode connecté.
Si le micro-réseau se déconnecte du réseau public, le PCS passe immédiatement en mode autonome, fournissant la source principale d’énergie pour le micro-réseau.
Applications polyvalentes : le mode hybride permet non seulement le filtrage, la stabilisation du réseau et le contrôle de la qualité de l’énergie, mais aussi l’auto-réparation et le rétablissement de l’alimentation en cas de panne.
Scénarios d’application courants :
Régulation de la puissance : en changeant fréquemment de mode, la fréquence et la tension du réseau sont ajustées pour maintenir la stabilité du système électrique.
Auto-réparation : en cas de panne du réseau, le système de stockage passe automatiquement en mode autonome pour rétablir rapidement l’alimentation.
3. Grille-Following et Contrôle Grid-Building
Pour comprendre les différences entre les quatre stratégies de contrôle, il faut d’abord établir un cadre de classification de haut niveau. Ce cadre simplifie des problèmes de contrôle complexes en une relation binaire simple : « leader » et « suiveur ». Ces deux rôles, construction de réseau (grid-building) et suivi de réseau (grid-following), définissent l’interaction de base entre l’onduleur et le réseau.
- Contrôle Grid-Following : un « fidèle suiveur » du réseau. Le cœur du contrôle grid-following fonctionne comme un « fidèle suiveur » ou une « source de courant contrôlée » du réseau. La tâche principale d’un onduleur grid-following est de s’adapter à un réseau existant et stable et de le suivre. Grâce à son circuit interne à verrouillage de phase (PLL), il détecte et se synchronise avec la forme d’onde de tension du réseau externe comme un radar, synchronisant ainsi sa fréquence et sa phase. Une fois synchronisé, il injecte ou absorbe des quantités spécifiées de puissance active (P) et réactive (Q) dans le réseau ou en provenance de celui-ci, selon les instructions du système de dispatching de niveau supérieur ou des valeurs préréglées internes.
- Contrôle Grid-Building : un constructeur actif du réseau. Au cœur du contrôle grid-building, l’onduleur agit comme un constructeur actif du réseau ou une source de tension contrôlée. Contrairement au grid-following passif, les onduleurs grid-building établissent et maintiennent de manière proactive un réseau AC indépendant. Ils ne dépendent pas d’un réseau externe, mais génèrent de manière autonome une forme d’onde de tension stable qui définit l’amplitude et la fréquence du système. Cela permet un fonctionnement autonome sans le support du réseau principal, comme dans les scénarios d’îlotage, de micro-réseau ou de démarrage noir (black start) du réseau.
La figure suivante compare les capacités des quatre principales stratégies de contrôle. Elle détaille leurs principes, fonctions et différences basés sur leurs capacités.
4. Comparaison des différentes stratégies de contrôle
| PQ | V/F | Droop | VSG | |
|---|---|---|---|---|
| Type de contrôle | Suivi de réseau (GFL) | Formation de réseau (GFM) | Formation de réseau (GFM) | Formation de réseau (GFM) |
| Objet de contrôle | Courant de sortie (contrôle P/Q) | Tension de sortie (V/F constant) | Tension de sortie (V/I chute) | Tension de sortie (simulation générateur) |
| Principes de base | Boucle de courant dq découplée | Référence de tension fixe interne | Courbe de chute P–I/Q–V | Équation virtuelle de machine synchrone |
| Support inertiel | Aucun | Aucun | Aucun | Oui (avantage évident) |
| Capacités îlotage | Aucune | Oui (autonome) | Oui (plusieurs machines en parallèle) | Oui (plusieurs machines en parallèle) |
| Capacité parallèle | Seulement connectée au réseau principal | Aucune | Parallèle autonome | Parallèle autonome |
| Complexité | Faible | Faible | Moyenne | plus élevée |
| Scénarios typiques | Connexion/contrôle réseau |
Machine unique hors-réseau/UPS
|
Connexion parallèle multi-machines dans un micro-réseau isolé | Faible puissance réseau / forte proportion d’énergies renouvelables |
4.1 Contrôle PQ:
Principe typique de contrôle Grid-Following : Le cœur de cette stratégie de contrôle repose sur le contrôle découplé du courant dans le système de coordonnées tournantes d-q.
Tout d’abord, une boucle à verrouillage de phase (PLL) est utilisée pour verrouiller la phase de la tension du réseau.
Ensuite, l’énergie AC triphasée est transformée dans le système de coordonnées tournantes synchrones d-q. Dans ce cas, la puissance active P est principalement liée au courant de l’axe d, et la puissance réactive Q est principalement liée au courant de l’axe q. En utilisant deux régulateurs PI indépendants pour ajuster les composants du courant des axes d et q, on obtient un contrôle indépendant et rapide de la puissance active et réactive.
4.2 Contrôle V/F:
Principe de contrôle de base basé sur le réseau : Le principe du contrôle V/F est très simple.
Le contrôleur génère en interne une onde sinusoïdale idéale avec une amplitude et une fréquence fixes comme signal de référence de tension. Ensuite, via un système de contrôle double boucle composé de la tension et du courant, la tension réelle aux bornes de sortie de l’onduleur est mesurée en temps réel et comparée au signal de référence interne. Le régulateur PI pilote le module PWM, forçant la tension de sortie à suivre avec précision cette référence interne. Essentiellement, il s’agit d’une caractéristique de « source de tension » — l’onduleur lui-même définit la référence d’amplitude et de fréquence, agissant efficacement comme un « mini-réseau » indépendant.
4.3 Contrôle Droop:
Principe de contrôle avancé de configuration réseau : Le contrôle droop s’appuie sur le contrôle VF en incorporant les caractéristiques « fréquence-puissance active » (f-P droop) et « tension-puissance réactive » (V-Q droop).
Par exemple, lorsque la puissance active d’un convertisseur dépasse sa valeur nominale, le système de contrôle réduit proportionnellement son point de consigne de fréquence, incitant les autres convertisseurs à fournir plus de puissance, permettant ainsi un équilibrage automatique de la puissance entre plusieurs convertisseurs.
Avantages : Il permet la répartition de la puissance entre plusieurs convertisseurs en parallèle sans nécessiter de liaison de communication, offrant une grande fiabilité et une adaptabilité aux micro-réseaux distribués (comme les parcs industriels et les micro-réseaux villageois).
Limites : Il présente des erreurs en régime permanent, ce qui signifie que la fréquence et la tension du système dévient de leurs valeurs nominales en fonction de la charge. La précision de la répartition de la puissance est affectée par un désaccord d’impédance des lignes. La réponse dynamique est relativement lente et le système ne fournit que de l’amortissement, sans support inertiel.
4.4 Contrôle VSG:
Principe de contrôle avancé grid-forming : Le contrôle VSG s’appuie sur le contrôle droop en introduisant un facteur d’inertie (simulant l’inertie du rotor d’une machine synchrone) et un facteur d’amortissement (pour supprimer les fluctuations de fréquence). Il permet également une réponse dynamique de la puissance active via l’ajustement de « l’angle de puissance virtuel ».
Par exemple, lorsque la fréquence du réseau chute soudainement, le VSG, comme une machine synchrone, libère l’énergie stockée (en utilisant l’inertie) pour atténuer la chute de fréquence.
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