Qu’est-ce que le contrôle de type grid-forming par rapport au contrôle de type grid-following ?
2026-01-21
Les ingénieurs et les exploitants entendent aujourd’hui partout deux expressions : grid-forming et grid-following. Elles peuvent sembler académiques, mais le choix du mode approprié modifie profondément le comportement d’un système électrique en situation de contrainte. En termes simples, le contrôle grid-forming permet à un onduleur d’établir lui-même la référence de tension et de fréquence — il se comporte comme un générateur synchrone miniature. Le contrôle grid-following, à l’inverse, consiste à suivre une référence de réseau existante : l’onduleur injecte du courant pour atteindre une consigne de puissance tout en utilisant une boucle à verrouillage de phase (PLL) pour rester synchronisé.
Les deux approches sont indispensables dans les systèmes électriques modernes, mais leurs rôles, leurs limites et leurs modalités de mise en œuvre diffèrent de manière significative, avec des conséquences concrètes au niveau des sites.
Les deux approches sont indispensables dans les systèmes électriques modernes, mais leurs rôles, leurs limites et leurs modalités de mise en œuvre diffèrent de manière significative, avec des conséquences concrètes au niveau des sites.
Ci-dessous, j’explique ces concepts à l’aide d’un raisonnement pratique, de calculs simples et de deux exemples de terrain (un micro-réseau et un site commercial soutenu par un BESS). L’objectif est d’apporter des éléments de conception clairs, directement exploitables dans les cahiers des charges et les discussions techniques.
Pourquoi cette distinction est devenue cruciale aujourd’hui
Historiquement, les réseaux électriques étaient dominés par des machines synchrones — des générateurs tournants qui fournissaient naturellement l’inertie, la puissance de court-circuit ainsi qu’une référence de tension et de fréquence. Les ressources à base d’onduleurs (IBR), telles que le photovoltaïque et les systèmes de stockage par batterie, jouaient un rôle secondaire : elles injectaient du courant en « écoutant » le réseau existant.
À mesure que la pénétration des onduleurs augmente, la robustesse du réseau diminue et son comportement évolue : moins d’inertie, des variations de fréquence plus importantes et des contributions aux défauts différentes. Dans ce contexte, le simple fait de « suivre le réseau » n’est plus toujours suffisant. Le contrôle grid-forming permet aux onduleurs de créer eux-mêmes la référence, rendant possibles l’îlotage, le black-start et le maintien de la stabilité avec peu, voire sans, machines synchrones.
À mesure que la pénétration des onduleurs augmente, la robustesse du réseau diminue et son comportement évolue : moins d’inertie, des variations de fréquence plus importantes et des contributions aux défauts différentes. Dans ce contexte, le simple fait de « suivre le réseau » n’est plus toujours suffisant. Le contrôle grid-forming permet aux onduleurs de créer eux-mêmes la référence, rendant possibles l’îlotage, le black-start et le maintien de la stabilité avec peu, voire sans, machines synchrones.
Comparaison technique rapide (approche ingénieur)
Contrôle grid-forming
- Se comporte comme une source de tension : définit l’amplitude, la phase et la fréquence.
- Fournit une inertie et un amortissement virtuels (via des boucles de contrôle telles que la machine synchrone virtuelle — VSM).
- Permet le black-start et un fonctionnement stable en mode îloté.
- Nécessite une régulation de tension et un réglage des protections plus rigoureux, car il modifie le comportement local en cas de défaut
Contrôle grid-following
- Se comporte comme une source de courant synchronisée sur une référence de tension externe (via une PLL).
- Très efficace pour injecter de la puissance dans un réseau rigide et pour un contrôle précis du courant (harmoniques, puissance réactive).
- Incapable d’établir une référence de réseau en l’absence d’une tension saine.
- Coordination des protections plus simple avec les systèmes AC traditionnels.
Les deux paradigmes partagent le même matériel, mais diffèrent au niveau du firmware, des priorités de contrôle et des réglages de protection. Il est important de noter que la capacité grid-forming n’est pas acquise sans contrepartie : elle exige une maturité élevée des algorithmes de contrôle, une marge thermique suffisante et des réponses aux défauts soigneusement validées.
Un calcul pratique : quelle « inertie » une batterie peut-elle fournir ?
On pose souvent la question : « Quelle quantité d’énergie est nécessaire pour émuler une inertie de 1 MW pendant 10 secondes ? »
La réponse peut être illustrée par une conversion énergétique simple.
La réponse peut être illustrée par une conversion énergétique simple.
Une puissance de 1 MW maintenue pendant 10 secondes correspond à :
- 1 MW = 1,000 kW.
- Temps = 10 secondes = 10 ÷ 3 600 heures = 0,002777… h
- Énergie (kWh) = 1 000 kW × 0,002777… h ≈ 2,78 kWh
Ainsi, si un onduleur grid-forming doit fournir un surplus de 1 MW pendant 10 s lors d’un événement de fréquence, la batterie doit être capable de délivrer environ 2,78 kWh pour cette sollicitation transitoire. C’est une fraction très faible de la capacité totale d’un système BESS classique — mais deux points importants doivent être pris en compte :
une forte puissance sur une très courte durée sollicite fortement les limites thermiques de l’onduleur et la dynamique du bus DC ;
la répétition de ce type d’événements accélère le vieillissement de la batterie.
une forte puissance sur une très courte durée sollicite fortement les limites thermiques de l’onduleur et la dynamique du bus DC ;
la répétition de ce type d’événements accélère le vieillissement de la batterie.
Autre exemple : fournir 500 kW pendant 5 minutes (300 secondes).
- 500 kW
Temps = 5 minutes = 5 ÷ 60 heures = 0,08333… h - Énergie (kWh) = 500 kW × 0,08333… h ≈ 41,7 kWh
Cet ordre de grandeur montre que l’« inertie virtuelle » repose davantage sur la capacité de puissance instantanée et la stratégie de contrôle que sur la capacité énergétique totale du système.
Droop control and a simple numerical example
Le contrôle par droop définit la manière dont plusieurs sources partagent les variations de charge.
Un droop de 5 % signifie qu’une variation de puissance à pleine échelle correspond à une variation de 5 % de la fréquence du système :
Un droop de 5 % signifie qu’une variation de puissance à pleine échelle correspond à une variation de 5 % de la fréquence du système :
- Pour un système 50 Hz :
5 % × 50 Hz = 2,5 Hz à pleine échelle. - Pour un système 60 Hz :
5 % × 60 Hz = 3 Hz.
En termes pratiques, la loi de droop définit une réponse proportionnelle ; elle n’implique pas que la fréquence variera réellement dans de telles proportions — elle sert plutôt à définir la répartition de la contribution entre les différentes ressources.
Les ingénieurs règlent généralement le droop sur des fractions relativement faibles afin que les écarts de fréquence restent acceptables tout en permettant un partage proportionnel. Lorsque de nombreuses ressources à base d’onduleurs (IBR) adoptent le contrôle par droop, on obtient un soutien distribué sans contrôleur centralisé — mais le réglage doit tenir compte de l’inertie effective et de l’amortissement.
Quand utiliser le grid-forming (règles pratiques)
- Micro-réseaux et fonctionnement en îlot :
Si un système doit fonctionner de manière indépendante du réseau public (campus, site isolé), au moins une unité doit fonctionner en mode grid-forming. Elle établit la référence de tension et de fréquence du bus et permet aux autres onduleurs de fonctionner en mode grid-following. - Capacité de black-start :
Pour un démarrage à partir d’un réseau totalement hors tension, sans générateurs conventionnels, les onduleurs grid-forming sont indispensables. - Réseaux faibles / SCR faible (rapport de court-circuit) :
Dans les réseaux à faible rigidité où les PLL peinent à se synchroniser, le grid-forming permet d’éviter les instabilités liées au verrouillage de la PLL. - Exigences de stabilité de la tension :
Lorsque des capacités de régulation rapide de la tension ou d’émulation d’inertie sont requises, les stratégies de contrôle grid-forming permettent de fournir ces services.
Quand le grid-following est le choix le plus pertinent
- Réseaux rigides à forte pénétration de machines synchrones :
Lorsque le réseau est robuste et dominé par des générateurs synchrones, les onduleurs grid-following constituent une solution plus simple et très efficace pour injecter de la puissance et assurer la qualité de l’énergie. - Contrôle précis du courant et correction du facteur de puissance :
Les architectures grid-following excellent dans la compensation des harmoniques et la mise en forme fine du courant, avec un contrôle précis du facteur de puissance. - Rétrofit et déploiement progressif :
Si vous ajoutez un système de stockage à une installation photovoltaïque existante sans vouloir modifier la hiérarchie des références réseau, le grid-following représente une option à plus faible risque.
Cas d’étude 1 — Micro-réseau universitaire avec un BESS de 2 MWh (conceptuel)
Un campus universitaire nécessite quatre heures d’autonomie pour des charges critiques à une puissance de 500 kW. Un BESS de 2 MWh répond exactement à ce besoin
(2 000 kWh ÷ 500 kW = 4 heures).
(2 000 kWh ÷ 500 kW = 4 heures).
Pour assurer un fonctionnement en mode îloté, un ou deux onduleurs doivent fonctionner en grid-forming afin de maintenir les références de tension et de fréquence. Dans cette architecture, deux onduleurs à haute capacité sont configurés en mode grid-forming (pour la redondance), tandis que les autres fonctionnent en grid-following afin d’injecter la puissance et de gérer les flux de puissance réactive.
Les réglages de protection sont renforcés en mode îloté afin de tenir compte des contributions de court-circuit modifiées.
Sur le plan opérationnel, le système BESS assure :
- Une continuité instantanée de l’alimentation (temps de transfert nul).
- Une inertie synthétique lors du démarrage des groupes électrogènes.
- Une transition fluide vers le groupe électrogène en cas de coupure prolongée.
Cette architecture de contrôle hybride permet de concilier résilience du système et fourniture d’énergie, tout en limitant les contraintes thermiques et électriques imposées aux onduleurs.
Étude de cas 2 — BESS commercial pour les services réseau
Un BESS de 1 MWh derrière le compteur participe aux marchés de réponse en fréquence et réalise des opérations de lissage de pointe. Lorsqu’il est connecté à un réseau de distribution relativement robuste, l’installation fonctionne principalement en mode « grid-following » : elle suit la fréquence du réseau et injecte du courant selon les signaux de dispatch. Pour les événements nécessitant un soutien en fréquence très rapide, l’opérateur peut activer temporairement un mode type « grid-forming » (inertie virtuelle) dans la plage certifiée de l’onduleur — mais uniquement après validation soigneuse et vérifications de protection. Cette flexibilité hybride, pilotée par logiciel, devient de plus en plus courante chez les fabricants avancés de systèmes de stockage d’énergie par batterie.
Mise en œuvre et tests — exigences pour les appels d’offres
Si vous spécifiez la capacité « grid-forming », demandez aux fournisseurs :
- Des performances VSM ou de droop démontrées avec journaux horodatés.
- Des tests de black-start et d’îlotage avec enregistrements de transition.
- Les spécifications thermiques et de surcharge pour des impulsions courtes (ex. : durées de 10 s ou 1 min).
- Des rapports de coordination de protection et des preuves FAT/SAT.
Exigez également :
Des procédures de mise à jour du firmware,
Des pratiques de cybersécurité pour les mises à jour des contrôleurs,
Et des tests clairs de transfert et de prise en main lors de la mise en service.
Des procédures de mise à jour du firmware,
Des pratiques de cybersécurité pour les mises à jour des contrôleurs,
Et des tests clairs de transfert et de prise en main lors de la mise en service.
Limitations pratiques et points d’attention
- Limites thermiques : Fournir une puissance élevée pour l’émulation d’inertie risque de provoquer une surchauffe de l’onduleur ; les puissances nominales de courte durée sont aussi importantes que les puissances continues.
- Gestion de l’état de charge (SOC) de la batterie : Les fonctions « grid-forming » nécessitent souvent une marge de manœuvre. Réservez un SOC suffisant pour répondre aux demandes actives/réactives soudaines sans compromettre les services énergétiques.
- Coordination de la protection : Le mode « grid-forming » modifie les courants de défaut et le comportement des relais ; des courbes de protection adaptées à un réseau synchrone peuvent déclencher des alarmes intempestives avec des références d’onduleur.
- Interactions de contrôle : Plusieurs unités « grid-forming » doivent être réglées pour éviter des interactions oscillatoires — un réglage coordonné du droop et de l’amortissement est essentiel.
Résumé — flux décisionnel pratique
1.Définir les objectifs : black-start, fonctionnement en îlot (islanding), support rapide de fréquence, ou simplement injection de courant précise ?
2.Évaluer la robustesse du réseau : réseau faible → privilégier le mode « grid-forming ». Réseau solide → le mode « grid-following » est souvent suffisant.
3.Dimensionner le matériel pour les pointes : s’assurer que l’onduleur et le BESS peuvent répondre aux besoins de puissance à court terme (utiliser les calculs en kWh présentés ci-dessus).
4.Tester tôt et fréquemment : FAT/SAT, exercices de black-start, et journaux enregistrés sont indispensables.
5.Spécifier les livrables du fournisseur : journaux VSM, études de protection, politique de mise à jour du firmware, et garanties de performance documentées.
2.Évaluer la robustesse du réseau : réseau faible → privilégier le mode « grid-forming ». Réseau solide → le mode « grid-following » est souvent suffisant.
3.Dimensionner le matériel pour les pointes : s’assurer que l’onduleur et le BESS peuvent répondre aux besoins de puissance à court terme (utiliser les calculs en kWh présentés ci-dessus).
4.Tester tôt et fréquemment : FAT/SAT, exercices de black-start, et journaux enregistrés sont indispensables.
5.Spécifier les livrables du fournisseur : journaux VSM, études de protection, politique de mise à jour du firmware, et garanties de performance documentées.
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