français
English
Deutsch
español
العربية
中文
Défis de qualité de l'énergie créés par les systèmes de stockage d'énergie par batteries
Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS)deviennent une composante majeure de l'infrastructure électrique moderne. Les services publics, les centrales d'énergie renouvelable, les installations industrielles, les centres de données et les micro-réseaux utilisent de plus en plus le stockage par batteries pour gérer la demande de pointe, stabiliser l'approvisionnement électrique et intégrer les énergies renouvelables.
Cependant, le raccordement de grands systèmes de stockage d'énergie par batteries à un réseau électrique peut également créer de nouveaux défis en matière de qualité de l'énergie.
UnBESSne raccorde pas directement les batteries au réseau CA. Il utilise un système de conversion de puissance (PCS) pour convertir l'énergie CC des batteries en énergie CA et inversement. Comme le PCS repose sur une électronique de puissance à grande vitesse, il peut interagir avec les transformateurs, les câbles, les bancs de condensateurs et d'autres charges non linéaires.
La distorsion harmonique, la puissance réactive, les fluctuations de tension, la résonance et les conditions de réseau faible doivent donc être prises en compte lors de la conception d'une installation BESS.
Un BESS typique comprend des racks de batteries, un système de gestion des batteries (BMS), un système de conversion de puissance, des transformateurs, des appareillages de commutation et un système de gestion de l'énergie.
Du point de vue de la qualité de l'énergie, le PCS est l'un des composants les plus importants.
Pendant la charge, le PCS convertit l'énergie CA du réseau en énergie CC pour les batteries. Pendant la décharge, il reconvertit l'énergie CC des batteries en énergie CA.
Les convertisseurs modernes utilisent des dispositifs de commutation à semi-conducteurs tels que les IGBT ou les dispositifs en carbure de silicium (SiC) pour contrôler ce processus. Ces convertisseurs offrent un contrôle rapide et précis, mais la commutation peut également introduire des courants harmoniques et interagir avec l'impédance du réseau électrique.
La qualité de l'énergie peut également changer en permanence, car un BESS peut passer de la charge complète à la charge partielle, au mode veille et à la décharge complète dans un laps de temps relativement court.
Les principaux défis peuvent être résumés comme suit :
| Défi de qualité de l'énergie du BESS | Cause principale | Impact potentiel | Mesure d'atténuation typique |
|---|---|---|---|
| Distorsion harmonique | Commutation du PCS/onduleur | Échauffement, pertes, THD élevé | Filtrage du PCS, AHF, filtres passifs |
| Puissance réactive | Variation du fonctionnement du convertisseur | Mauvais facteur de puissance, variation de tension | Contrôle du PCS, SVG ou STATCOM |
| Fluctuations de tension | Charge/décharge rapide | Papillotement, tension instable | Contrôle dynamique de la puissance réactive |
| Résonance harmonique | Capacité et inductance du réseau | Harmoniques amplifiés, contrainte des condensateurs | Étude harmonique, filtrage accordé |
| Interaction avec un réseau faible | Impédance élevée du réseau | Augmentation de la distorsion de tension | Optimisation du contrôle, STATCOM |
Comprendre ces problèmes avant l'installation est beaucoup plus facile et moins coûteux que de les corriger après la mise en service.
Distorsion harmonique est l'une des principales préoccupations en matière de qualité de l'énergie associées aux systèmes de stockage d'énergie par batterie.
Idéalement, la tension et le courant dans un système CA suivent une forme d'onde sinusoïdale. Les convertisseurs d'électronique de puissance commutent rapidement le courant pour contrôler le flux d'énergie, créant des composantes de fréquence supérieures à la fréquence fondamentale de 50 Hz ou 60 Hz.
Ces composantes sont appelées harmoniques.
La distorsion harmonique totale (THD) est couramment utilisée pour décrire leur amplitude globale. Une distorsion harmonique excessive peut augmenter les pertes électriques et l'échauffement dans les transformateurs, les câbles, les moteurs et autres équipements.
Les équipements PCS modernes incluent normalement des filtres intégrés et des commandes de commutation avancées. Cependant, les performances harmoniques réelles dépendent de l'ensemble du système électrique, et pas seulement du convertisseur.
Les facteurs importants comprennent :
Impédance du réseau
Impédance du transformateur
Charge de fonctionnement du BESS
Charges non linéaires existantes
Bancs de condensateurs
Autres convertisseurs de puissance
Longueur et capacité des câbles
Conditions de charge et de décharge
Cela signifie qu'un convertisseur qui fonctionne bien dans une condition de réseau donnée peut produire des résultats différents lorsqu'il est installé dans un autre réseau.
Les grands projets BESS doivent donc évaluer les harmoniques au point de couplage commun (PCC) plutôt que de considérer uniquement les spécifications du PCS.
Les systèmes de stockage d'énergie par batterie sont principalement conçus pour échanger de la puissance active, mais les équipements PCS modernes peuvent souvent contrôler également la puissance réactive.
La puissance active effectue un travail utile et est mesurée en kW ou MW. La puissance réactive soutient les champs électriques et magnétiques et est mesurée en kVAR ou MVAR.
Leur relation avec la puissance apparente peut être exprimée comme suit :
S² = P² + Q²
où P est la puissance active, Q est la puissance réactive et S est la puissance apparente.
La capacité d'un BESS à contrôler la puissance réactive peut en réalité améliorer la qualité de l'énergie. Un PCS correctement contrôlé peut soutenir la tension, améliorer le facteur de puissance ou compenser la puissance réactive ailleurs dans le réseau.
Cependant, le convertisseur possède une capacité limitée en puissance apparente.
Lorsque le BESS fonctionne près de sa puissance active maximale, une capacité moindre du convertisseur peut être disponible pour la compensation de puissance réactive. Les ingénieurs doivent donc prendre en compte la courbe de capacité du PCS plutôt que de supposer que sa pleine capacité de puissance réactive est toujours disponible.
Dans les réseaux avec des charges changeant rapidement, une compensation dynamique supplémentaire peut être nécessaire si le PCS ne peut pas fournir une puissance réactive suffisante dans toutes les conditions de fonctionnement.
L'un des principaux avantages du stockage d'énergie par batterie est sa rapidité.
Un BESS peut augmenter rapidement la puissance de charge, la réduire ou passer de la charge à la décharge. Cela rend le stockage par batterie précieux pour la régulation de fréquence, l'écrêtement des pointes et l'équilibrage des énergies renouvelables.
Mais les changements rapides de puissance peuvent également affecter la tension du réseau.
L'effet est particulièrement important dans les réseaux faibles, les réseaux industriels isolés et les micro-réseaux où la capacité de court-circuit est relativement faible.
Les effets possibles comprennent :
Changements rapides de tension
Papillotement de tension
Déclenchements intempestifs des équipements
Régulation de tension instable
Activité des changeurs de prises des transformateurs
La robustesse du réseau devient donc un élément important de l’analyse de la qualité de l’alimentation du BESS.
Dans un réseau robuste, une grande variation de la sortie du BESS peut n’entraîner qu’une faible variation de tension. Le même BESS connecté à un réseau plus faible peut avoir un effet beaucoup plus important.
Le contrôle de la puissance réactive par le PCS, le SVG ou le STATCOM peut être utilisé lorsqu’un soutien rapide de la tension est nécessaire.
Un BESS ne fonctionne pas de manière isolée.
Les réseaux électriques industriels peuvent déjà contenir des bancs de condensateurs, des transformateurs, de longs câbles, des variateurs de fréquence, des systèmes UPS, des onduleurs solaires et d’autres équipements électroniques de puissance.
Ces composants influencent l’impédance du réseau à différentes fréquences.
La capacité et l’inductance peuvent créer des fréquences de résonance naturelles. Si un harmonique important se produit à proximité de l’une de ces fréquences, la tension ou le courant harmonique peut être amplifié.
Les bancs de condensateurs nécessitent une attention particulière.
Les condensateurs de correction du facteur de puissance peuvent interagir avec l’inductance des transformateurs et du réseau. L’ajout d’un grand BESS ou d’un autre équipement basé sur des convertisseurs peut modifier l’environnement harmonique et exposer un banc de condensateurs existant à des courants harmoniques plus élevés.
Les conséquences potentielles comprennent la surchauffe des condensateurs, le fonctionnement des fusibles, la surchauffe des réactances, une distorsion excessive de la tension et une défaillance prématurée des condensateurs.
Pour les projets BESS industriels de grande taille ou moyenne tension, une étude harmonique ou un balayage fréquentiel peut identifier les résonances potentielles avant l’installation des équipements.
Contrairement à de nombreuses charges électriques conventionnelles, un système de stockage d’énergie par batterie ne reste pas à un seul point de fonctionnement.
Il peut fonctionner en :
Charge complète
Charge partielle
Veille
Décharge partielle
Décharge complète
Les performances harmoniques, la puissance réactive et le comportement de la tension peuvent changer selon ces conditions.
Par exemple, le THDi peut sembler nettement plus élevé lorsque le PCS fonctionne à faible charge, car le courant fondamental devient plus faible. La capacité en puissance réactive peut également changer lorsque la puissance active approche de la puissance nominale maximale du convertisseur.
Pour cette raison, mesurer un BESS à un seul point de fonctionnement ne fournit pas une image complète.
Les études de qualité de l’alimentation devraient évaluer plusieurs scénarios réalistes de charge et de décharge, en particulier pour les grands systèmes connectés à des réseaux industriels sensibles.
Il n’existe pas de solution unique pour chaque problème de qualité de l’alimentation d’un BESS. Les mesures d’atténuation doivent être choisies en fonction des mesures réelles, des études du réseau et du type de perturbation.
Le PCS lui-même doit d’abord être évalué. Les convertisseurs modernes utilisent des algorithmes de commande et des filtres de sortie pour réduire les émissions harmoniques et peuvent souvent fournir un contrôle de la puissance réactive.
Si une atténuation harmonique supplémentaire est nécessaire, des filtres harmoniques passifs peuvent cibler des fréquences harmoniques spécifiques. Ils conviennent souvent aux applications moyenne tension de grande taille et relativement stables, mais leur conception doit tenir compte de la résonance du réseau.
Un filtre harmonique actif (AHF)mesure les courants harmoniques et injecte un courant de compensation. Cela rend le filtrage actif utile dans les réseaux basse tension où les conditions harmoniques changent avec la charge de fonctionnement.
Pour les problèmes dynamiques de puissance réactive et de tension, les générateurs statiques de puissance réactive (SVG)ou les systèmes STATCOM peuvent fournir une compensation rapide. Le STATCOM est particulièrement pertinent pour les réseaux moyenne tension plus importants et les applications avec réseau faible où la stabilité de la tension est importante.
La solution appropriée dépend du problème. Installer un équipement de compensation sans comprendre d’abord le réseau peut créer des problèmes supplémentaires au lieu de les résoudre.
Des mesures de référence de la qualité de l’alimentation devraient idéalement être effectuées avant l’installation.
Les paramètres importants comprennent le THD de tension, le THD de courant, les ordres harmoniques individuels, la puissance active, la puissance réactive, le facteur de puissance, la variation de tension et le déséquilibre de tension.
Les ingénieurs devraient également identifier :
La capacité de court-circuit au PCC
Impédance du transformateur
Bancs de condensateurs existants
Charges non linéaires importantes
Longs câbles souterrains
Autres équipements basés sur des onduleurs
Capacité de puissance réactive du PCS
Limites d'harmoniques applicables
Pour les grands projets, une analyse de flux de charge harmonique et des balayages de fréquence peuvent fournir une compréhension plus claire de la manière dont le BESS proposé interagira avec le réseau existant.
Des normes telles que IEEE 519 sont couramment utilisées comme référence lors de l'évaluation de la distorsion harmonique au PCC, bien que les codes de réseau locaux et les exigences des services publics doivent également être pris en compte.
Oui, ils le peuvent. Un BESS utilise un convertisseur d'électronique de puissance pour échanger de l'énergie avec le réseau CA. La commutation du convertisseur peut générer des courants harmoniques, bien que les équipements PCS modernes intègrent des méthodes de filtrage et de commande conçues pour les réduire au minimum.
Oui. De nombreux convertisseurs BESS modernes peuvent commander la puissance réactive ainsi que la puissance active. Cela signifie que le PCS peut être en mesure d'assurer la correction du facteur de puissance, en fonction de sa puissance nominale et de sa capacité disponible.
Un BESS peut interagir avec l'impédance existante du réseau et contribuer à des conditions de résonance. Les transformateurs, les bancs de condensateurs et les câbles influencent tous les fréquences de résonance d'un réseau électrique.
Non. Un filtrage supplémentaire ne doit être choisi que lorsque des mesures ou des études d'ingénierie indiquent qu'il est nécessaire. Selon le système, la solution appropriée peut impliquer une optimisation du PCS, un filtrage passif, un filtrage harmonique actif ou d'autres équipements de qualité de l'énergie.
Les systèmes de stockage d'énergie par batterie offrent des avantages majeurs pour l'intégration des énergies renouvelables, la gestion des pointes et la flexibilité du réseau, mais leur raccordement aux réseaux électriques modernes crée également de nouvelles considérations en matière de qualité de l'énergie.
Les principaux défis comprennent la distorsion harmonique, la puissance réactive, les fluctuations de tension, la résonance harmonique et l'interaction avec les réseaux faibles.
Parallèlement, la technologie BESS peut également améliorer la qualité de l'énergie. Les systèmes modernes de conversion de puissance peuvent fournir une commande de la puissance réactive, un soutien de la tension et d'autres services réseau lorsqu'ils sont correctement conçus.
La clé consiste à évaluer l'ensemble du réseau électrique plutôt que de traiter le convertisseur de batterie comme un dispositif isolé. Les mesures de référence, l'analyse harmonique et des études appropriées du système permettent d'identifier les problèmes avant la mise en service et de déterminer si des solutions supplémentaires telles que des filtres passifs, des filtres harmoniques actifs, des systèmes SVG ou STATCOM sont réellement nécessaires.
À mesure que les systèmes de stockage d'énergie par batterie continuent de se développer sur les réseaux industriels et des services publics, la qualité de l'énergie deviendra un élément de plus en plus important d'une conception fiable des BESS.
réseau ipv6 pris en charge
