Qu'est-ce que la technologie VSG et quelles sont ses applications dans le stockage d'énergie ?
2025-12-17
Avec l’augmentation rapide de la proportion de sources d’énergie renouvelables intermittentes telles que l’éolien et le solaire dans le réseau électrique, le réseau traditionnel connaît une transformation profonde. L’« inertie » du réseau — la barrière naturelle qui maintient la stabilité de la fréquence et résiste aux perturbations instantanées — s’affaiblit progressivement. Dans ce contexte, le stockage d’énergie côté réseau a émergé, et la technologie la plus centrale consiste à réaliser le « raccordement en parallèle au réseau » au moyen de convertisseurs de stockage d’énergie (PCS). Cet article analyse en profondeur cette technologie clé.
Le stockage d’énergie raccordé au réseau basé sur la technologie VSG (Virtual Synchronous Generator, générateur synchrone virtuel) permet aux systèmes de stockage d’énergie de simuler les caractéristiques des générateurs synchrones traditionnels. Il fournit activement un support en tension et en fréquence afin de réaliser la fonction de « raccordement au réseau » dans un système « source–réseau–charge–stockage », au lieu de réagir passivement aux commandes du réseau.
Son principal avantage réside dans l’amélioration de la stabilité du réseau, en particulier dans les scénarios présentant une forte proportion d’intégration des énergies renouvelables. Cette technologie peut compenser le manque d’inertie des sources d’énergie fluctuantes telles que le photovoltaïque et l’éolien, rendant le réseau plus résistant aux perturbations.
Principaux avantages de la technologie VSG dans les applications de stockage d’énergie :
1. Fournir un soutien inertiel et d’amortissement, améliorant la stabilité du système
La technologie VSG simule l’inertie du rotor d’un générateur synchrone via des algorithmes logiciels. Cela fournit un soutien inertiel virtuel lorsque la fréquence du réseau fluctue rapidement (par exemple lors de variations soudaines de charge ou de changements brusques de la production d’énergie renouvelable), limitant les variations de fréquence importantes. Parallèlement, elle simule les caractéristiques d’amortissement d’un générateur, supprimant efficacement les oscillations de puissance dans le système et améliorant la stabilité dynamique et la capacité du système à résister aux perturbations.
2. Assurer le fonctionnement autonome et l’alimentation en mode îlot
Dans les micro-réseaux ou scénarios hors réseau, le convertisseur de stockage d’énergie en mode VSG (PCS) peut établir et maintenir de manière proactive une référence de tension et de fréquence AC stable et fiable, fournissant une alimentation continue aux charges locales sans dépendre du réseau externe. Cela est crucial pour les zones éloignées, les îles ou les charges critiques nécessitant une haute fiabilité énergétique (comme les hôpitaux et les centres de données).
3. Améliorer la qualité de l’électricité et le soutien en tension
Le contrôle VSG peut ajuster dynamiquement la puissance réactive selon les besoins, réagissant rapidement aux variations de charge ou aux défauts, soutenant efficacement la tension locale du réseau, améliorant la qualité de l’électricité et réduisant les chutes et fluctuations de tension.
4. Capacité accrue d’absorption des énergies renouvelables
En simulant les caractéristiques « conviviales » des groupes électrogènes traditionnels, la technologie VSG permet aux sources d’énergie renouvelables, telles que le photovoltaïque et l’éolien, via des interfaces électroniques de puissance, de bénéficier de capacités d’inertie et de régulation de fréquence similaires à celles des machines synchrones. Cela augmente significativement leur taux de pénétration dans le réseau et renforce la capacité du réseau à accueillir des sources d’énergie intermittentes.
5. Commutation flexible entre raccordement au réseau et fonctionnement hors réseau
Dans les systèmes hybrides tels que les systèmes photovoltaïque-stockage-diesel, le mode VSG peut être combiné de manière flexible avec les contrôles traditionnels PQ (puissance constante), VF (tension et fréquence constantes) et d’autres modes. Par exemple, lors d’un fonctionnement en parallèle avec un générateur diesel, le mode VSG peut améliorer la réponse dynamique du système, réduire les échecs de commutation liés à l’instabilité des caractéristiques du moteur diesel et permettre une transition de l’alimentation fluide et sans interruption.
Les principaux défis techniques de la technologie VSG pour le stockage d’énergie raccordé au réseau se concentrent principalement sur trois aspects :
1. Contrôle précis de l’inertie et de l’amortissement :
Un ajustement dynamique aux exigences réelles du réseau est nécessaire. Un amortissement excessif entraîne une réponse lente, tandis qu’un amortissement insuffisant ne supprime pas efficacement les perturbations, rendant l’équilibrage extrêmement difficile.
2. Contrôle coordonné multi-unités :
Lors du fonctionnement à grande échelle de clusters, chaque unité VSG doit éviter les oscillations de fréquence/tension et atteindre une synchronisation précise pour prévenir l’« instabilité multi-unités ».
3. Stratégies de tenue aux défauts et de protection :
Tout en fournissant un soutien rapide lors de défauts du réseau, la logique de protection doit également prévenir les dommages dus aux surintensités et surtensions. Elle doit trouver un équilibre entre « soutien » et « sécurité ».
Contexte d’application
Dans les zones éloignées et les applications insulaires, où il n’existe pas d’alimentation réseau, un réseau photovoltaïque-stockage entièrement autonome est requis. De plus, dans les applications de puissance de secours à grande échelle, plusieurs unités PCS (Power Conversion System) doivent être connectées en parallèle en mode hors réseau.
La connexion parallèle traditionnelle des PCS hors réseau en mode VF (fréquence variable) est limitée par le taux de charge de communication, ce qui restreint la capacité totale du réseau et la distance de communication (inférieure à 50 m). De plus, en mode hors réseau, elle ne peut pas contrôler activement la puissance ni mettre en œuvre des stratégies d’équilibrage SOC (State of Charge), affectant la stabilité de l’ensemble du système et augmentant les coûts de maintenance.
Fonction d’équilibrage SOC en ligne en mode hors réseau
1. Architecture de communication VF traditionnelle
Le fonctionnement parallèle en mode VF traditionnel nécessite une connexion via une ligne de communication CAN, ce qui limite la distance de communication et le nombre d’unités pouvant être mises en parallèle (4 à 6 unités en fonctionnement parallèle hors réseau). De plus, en mode hors réseau, la puissance active et réactive ne peut pas être contrôlée, ce qui entraîne facilement un déséquilibre du SOC.
2. Architecture parallèle VSG
En mode VSG, le fonctionnement parallèle ne nécessite aucune connexion par câble de communication. Le système EMS n’a besoin que de contrôler individuellement les commandes de régulation secondaire de fréquence et de tension de chaque PCS pour maintenir la stabilité du système. Actuellement, jusqu’à 12 unités peuvent être mises en parallèle. En mode hors réseau, les commandes de charge et de décharge de chaque PCS peuvent être contrôlées séparément via les commandes de régulation secondaire de fréquence.
3. Schéma de communication pour réseau parallèle multi-unités hors réseau
3.1 Connexion parallèle VSG multi-rack sans communication
Méthode de contrôle : L’EMS envoie une commande de mise sous tension à n’importe quelle machine via la ligne de communication. La machine établit ensuite la tension, puis envoie des commandes de mise sous tension aux machines esclaves successivement pour les démarrer, avec un intervalle de 30 secondes.
3.2 Connexion parallèle VSG multi-rack à communication faible
Méthode de contrôle : L’EMS envoie une commande de mise sous tension à toutes les machines via la ligne de communication. Les machines maîtres et esclaves se synchronisent automatiquement et démarrent automatiquement après confirmation de la commande.
Fonctionnalité de communication faible : Permet un démarrage à froid synchronisé en un seul bouton et la synchronisation des commandes de puissance.
3.3 Réseau parallèle multi-rack à communication faible, réseau longue distance sans communication
Méthode de contrôle : L’EMS envoie d’abord une commande de mise sous tension à l’hôte possédant la plus grande capacité du groupe CAN via la ligne de communication. Après mise sous tension, il envoie des commandes de mise sous tension aux hôtes des groupes de communication CAN de capacités décroissantes, en attendant 30 à 60 secondes entre chaque envoi.
Chemin de mise en œuvre et défis techniques
La réalisation d’un PCS connecté au réseau n’est pas une tâche facile et doit relever plusieurs défis :
1. Algorithme de contrôle central :
Des algorithmes de contrôle VSG robustes et à haute précision doivent être développés, et les paramètres clés tels que l’inertie virtuelle et l’amortissement doivent être optimisés pour s’adapter aux conditions complexes du réseau.
2. Capacité de surcharge matérielle :
Pour fournir un soutien au réseau, le PCS doit supporter des courants plusieurs fois supérieurs à sa valeur nominale lors des transitoires, ce qui impose des exigences plus élevées sur les dispositifs de puissance et la conception de la dissipation thermique.
3. Fonctionnement parallèle et coordination multi-machines:
Lorsque plusieurs PCSs connectés au réseau fonctionnent en parallèle, il est crucial d’éviter les oscillations de puissance et les interférences mutuelles, et d’assurer un fonctionnement coordonné stable et équilibré en courant, pour les applications d’ingénierie.
4. Normes et spécifications:
Les normes mondiales pour les technologies connectées au réseau sont encore en développement, nécessitant un effort conjoint de l’industrie et du milieu académique.
Conclusion
Le PCS connecté au réseau pour le stockage d’énergie basé sur la technologie VSG n’est pas simplement une mise à niveau technologique, mais un concept révolutionnaire. Il marque la transition de notre réseau électrique d’un modèle « hôte-terminal » dépendant de quelques grands générateurs synchrones vers un modèle « pair-à-pair » construit par d’innombrables « générateurs virtuels » distribués et intelligents.
Dans les futurs systèmes électriques dominés par les énergies renouvelables, le PCS connecté au réseau ne sera plus un « accessoire » du réseau électrique, mais plutôt une « pierre angulaire » et une « force stabilisatrice » soutenant son fonctionnement sûr, stable et efficace. Ceux qui prendront les devants dans ce domaine technologique s’assureront une position stratégique dans la révolution énergétique à venir.
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