Principes des micro-réseaux : composants, modes et commande

Le département américain de l'Énergie définit un micro-réseau comme un ensemble de charges interconnectées et de ressources énergétiques distribuées, situé à l'intérieur de frontières électriques clairement définies et se comportant comme une entité unique pilotable vis-à-vis du réseau. Il peut se raccorder au réseau et s'en déconnecter : il fonctionne donc soit raccordé, soit en îlot.

L'essentiel de l'ingénierie concerne le fonctionnement en îlot. Faire fonctionner des panneaux solaires et une batterie en parallèle avec le réseau reste un projet ordinaire derrière le compteur. Former un îlot exige une source qui établit la tension et la fréquence, assez de kVA pour la reprise des charges, assez de kWh pour la durée de la coupure, une protection qui élimine toujours les défauts et un retour maîtrisé vers le réseau. Un micro-réseau justifie ces coûts lorsque la coupure coûte au site davantage que le contrôleur, l'appareillage, le stockage et les études.

Composants d'un micro-réseau

Production

Pour le fonctionnement en îlot, la distinction essentielle est celle entre source « grid-forming », qui établit le réseau, et source « grid-following », qui le suit. Un onduleur suiveur mesure la tension du réseau et injecte du courant synchronisé avec elle. Presque tous les onduleurs photovoltaïques fonctionnent ainsi. Quand le réseau disparaît, ils n'ont plus de référence et leur protection contre la perte de réseau les déconnecte. La norme IEEE 1547-2018 exige qu'une ressource énergétique distribuée détecte un îlot involontaire et cesse d'alimenter le circuit en moins de 2 s. En Grande-Bretagne, G99 fixe la protection contre la perte de réseau par la vitesse de variation de fréquence (RoCoF) à 1 Hz/s, avec un délai de 0,5 s, et n'accepte pas le déphasage vectoriel comme méthode.

Une source « grid-forming » établit elle-même la tension et la fréquence. Un alternateur synchrone le fait naturellement. Un onduleur de batterie ne le fait que s'il dispose d'un mode de formation de réseau et que le contrôleur le sélectionne. Une fois que cette source maintient l'îlot, les onduleurs photovoltaïques suiveurs voient une tension stable, se reconnectent après leur délai de redémarrage et lui fournissent de l'énergie.

Les groupes électrogènes diesel et gaz sont pilotables, mais lents. Un groupe de secours de type 10 selon NFPA 110 rétablit l'alimentation dans les 10 s suivant la coupure. Un groupe qui fonctionne longtemps à faible charge risque l'encrassement lié au fonctionnement à froid (« wet stacking »). Pour son essai mensuel, NFPA 110 utilise 30 % de la puissance nominale en kW comme charge minimale ; c'est aussi une limite inférieure raisonnable en fonctionnement en îlot. La cogénération suit la demande de chaleur : sa production électrique n'est donc disponible que tant que cette demande existe.

Stockage

Dans la plupart des micro-réseaux modernes, l'onduleur de batterie forme le réseau pendant les premières secondes ou heures du fonctionnement en îlot. Dimensionnez-le deux fois. Sa puissance apparente en kVA doit couvrir les charges maintenues, y compris la puissance réactive et les courants de démarrage des moteurs. L'énergie utilisable en kWh, au-dessus du seuil de charge que le contrôleur réserve, détermine combien de temps l'îlot tient avant le démarrage d'un groupe ou le délestage. L'exemple ci-dessous illustre les deux calculs.

Charges

Classez les charges selon le temps pendant lequel elles peuvent rester hors tension : secondes, minutes ou heures. La réponse varie selon le site ; convenez des groupes avec l'équipe d'exploitation. Les systèmes de sécurité, l'informatique et les commandes de procédé nécessitent généralement une alimentation sans interruption et disposent aussi d'un onduleur de secours (UPS). Une chambre froide peut rester hors tension une heure ou davantage si ses portes restent fermées. Beaucoup de lignes de production ne tolèrent même pas une courte interruption : un lot arrêté est perdu et le redémarrage prend des heures. Elles appartiennent au groupe critique ou doivent être arrêtées de façon maîtrisée avant la formation de l'îlot. La recharge des véhicules électriques, le chauffage des locaux et les compresseurs d'air peuvent généralement attendre.

Le contrôleur déleste un groupe en ouvrant le disjoncteur ou contacteur qui l'alimente, en envoyant une commande au système de gestion du bâtiment, ou en limitant la puissance d'une borne de recharge ou d'un variateur de vitesse. Chaque voie possède son propre délai et doit être testée avec l'îlot en service.

Point de couplage commun

Le point de couplage commun (PCC) est le disjoncteur qui relie le micro-réseau au réseau public. Il s'ouvre pour former l'îlot et se ferme après resynchronisation. Les règles de raccordement dépendent du code local. En Amérique du Nord, la clause 8 de la norme IEEE 1547-2018 traite des îlots involontaires et intentionnels. En Grande-Bretagne, la clause 9.6.2 de G99 couvre l'îlot d'une installation cliente et rend le propriétaire de la production responsable de la synchronisation et de la déconnexion sûres. Dans le reste de l'Europe, EN 50549-1 et le code de réseau national s'appliquent. Le guide G99 détaille la protection à l'interface.

La mise à la terre change lorsque le PCC s'ouvre. Si le point de liaison neutre-terre du site se trouve sur un transformateur du réseau en amont du PCC, l'îlot perd sa référence à la terre jusqu'à la fermeture d'un interrupteur de liaison neutre-terre côté site. La section 8 de G99 montre des configurations types, avec cet interrupteur ouvert en parallèle et fermé en îlot.

Contrôleur de micro-réseau

La norme IEEE 2030.7 définit les fonctions fondamentales d'un contrôleur de micro-réseau, notamment la répartition des ressources et la transition entre les modes raccordé et îloté. En pratique, le contrôleur détecte la défaillance du réseau, ouvre le PCC, choisit la source formatrice, déleste puis rétablit les groupes de charges, resynchronise et referme le PCC, et change de groupe de réglages de protection si l'installation en utilise.

La répartition suit un ordre précis. D'abord, le contrôleur garde assez de réserve tournante et d'état de charge de la batterie pour supporter la prochaine coupure. Ensuite, il maintient chaque groupe électrogène au-dessus de sa charge minimale. Ce n'est qu'après avoir satisfait ces contraintes qu'il optimise les coûts.

Modes de fonctionnement

Mode raccordé au réseau

Le réseau impose la tension et la fréquence et absorbe tout déséquilibre. Le contrôleur utilise le photovoltaïque, charge la batterie lorsque le tarif est bas, la décharge aux heures de pointe et peut proposer de la flexibilité aux marchés de l'effacement et des services de fréquence. L'accord de raccordement au PCC, notamment une éventuelle limite d'exportation, et la réserve conservée pour l'îlotage encadrent toutes ces opérations.

Passage en îlot

Un îlotage programmé se déroule en douceur. Le contrôleur ramène le flux de puissance au PCC près de zéro, l'onduleur de batterie passe en mode formateur et le PCC s'ouvre sans interruption pour les charges. IEEE 1547-2018 parle d'îlot programmé et cite l'approche d'une tempête comme l'une des raisons d'y recourir.

Un îlotage imprévu commence par un défaut ou une coupure. La protection du PCC le détecte et ouvre le disjoncteur, puis le contrôleur forme l'îlot. Sauf si un onduleur formateur fonctionnait déjà en parallèle avec le réseau, les charges subissent une interruption égale au temps de détection, d'ouverture du disjoncteur et de démarrage. Les onduleurs photovoltaïques se déconnectent à la perte du réseau et ne reviennent qu'après stabilisation de l'îlot. La première reprise par la batterie porte donc sur toute la charge maintenue, sans contribution photovoltaïque.

Mode îloté

L'îlot ne dispose pas du réseau pour absorber un surplus ou combler un manque. Avec un groupe électrogène comme source formatrice, une surcharge fait baisser la fréquence : un délestage progressif par sous-fréquence fonctionne alors de façon classique. Avec un onduleur de batterie comme source formatrice, la fréquence suit sa loi de statisme (« droop »). Le contrôleur déleste alors lorsque la puissance mesurée approche les kW disponibles de l'onduleur ou que l'état de charge atteint son seuil bas.

Le surplus photovoltaïque pose le problème inverse. Quand la batterie est pleine, l'onduleur formateur élève la fréquence. Selon la clause 11.2.4 de G99, les onduleurs photovoltaïques réduisent leur puissance active au-dessus de 50,4 Hz ; EN 50549-1 prévoit une réponse équivalente à la surfréquence. Le contrôleur peut aussi réduire directement la production photovoltaïque par Modbus. Si aucune des deux méthodes ne fonctionne, la batterie ne peut plus absorber l'énergie et l'îlot déclenche en surtension ou en surfréquence.

Resynchronisation et reconnexion

Avant de fermer le PCC, le contrôleur aligne la tension, la fréquence et l'angle de phase de l'îlot sur ceux du réseau. Un relais de contrôle de synchronisme (fonction ANSI 25) le confirme. IEEE 1547-2018 fixe les limites suivantes selon la puissance apparente totale :

En Grande-Bretagne, la clause 9.6.2.4 de G99 renvoie à EREC P28 pour les perturbations de tension causées par une fermeture. Une fermeture hors limites provoque un choc de couple sur les arbres des alternateurs et une pointe de courant au PCC.

Exemple chiffré : dimensionner l'îlot

Prenons une usine agroalimentaire alimentée par un transformateur de 1 000 kVA, 11/0,4 kV, d'impédance 5 %. Sa puissance importée maximale est de 850 kW. Elle possède 400 kWc de photovoltaïque avec des onduleurs suiveurs, une batterie de 500 kW / 1 000 kWh raccordée à un onduleur formateur de 500 kVA, et un groupe diesel de secours de 500 kVA (400 kW au facteur de puissance 0,8).

Lors d'une coupure, l'usine maintient 350 kW : 60 kW pour les commandes, l'informatique et la sécurité ; 220 kW pour la réfrigération des chambres froides ; 70 kW dans l'atelier de conditionnement. Le chauffage de procédé, les compresseurs d'air, la CVC des bureaux et les bornes de recharge sont délestés.

Puissance de l'onduleur et redémarrage des moteurs

Avec un facteur de puissance de 0,85, 350 kW représentent 412 kVA, laissant 88 kVA de marge sur la puissance nominale de l'onduleur. Les redémarrages des moteurs utilisent cette marge. Un compresseur frigorifique de 55 kW absorbe environ 69 kVA en régime établi et environ six fois plus, soit 410 kVA, pendant une ou deux secondes au démarrage direct. Le courant de démarrage a un faible facteur de puissance, environ 0,35 : il s'ajoute vectoriellement aux 343 kVA des autres charges. Le total atteint environ 710 kVA, soit 1,4 fois la puissance nominale de l'onduleur et près de la limite haute de courant. La tension s'affaisse et les contacteurs des autres compresseurs peuvent retomber. Des variateurs ou démarreurs progressifs sur les compresseurs, ainsi qu'un redémarrage séquentiel commandé, maintiennent l'échelon de charge dans la puissance nominale. Le calculateur kW, kVA, kvar et facteur de puissance convertit ces grandeurs.

Réserve énergétique

Le propriétaire fixe un seuil d'état de charge à 40 %, réservant ainsi 400 kWh pour l'îlotage. À 350 kW, cela représente environ 68 minutes avant pertes de l'onduleur : assez pour démarrer le groupe diesel, y compris manuellement si le démarrage automatique échoue. Cette réserve coûte 400 kWh de flexibilité : seuls 600 kWh des 1 000 kWh restent disponibles pour l'arbitrage tarifaire et l'écrêtement des pointes. Le contrôleur peut relever le seuil à l'annonce d'une tempête et l'abaisser ensuite.

Charge du groupe électrogène

De jour, la charge îlotée de 350 kW représente 88 % des 400 kW nominaux du groupe. La nuit, la charge maintenue descend vers 110 kW, soit 28 %, en dessous de la limite de 30 %. Le contrôleur peut charger le groupe à environ 75 % en rechargeant la batterie, puis l'arrêter et maintenir l'îlot sur batterie jusqu'à ce que l'état de charge atteigne de nouveau le seuil. Le calculateur de consommation de carburant d'un groupe électrogène estime le carburant utilisé dans chaque mode.

Protection en mode îloté

La même usine montre pourquoi la protection doit changer. Le courant nominal du transformateur à 400 V est de 1 443 A. Avec 5 % d'impédance et un réseau 11 kV rigide, le courant de défaut à ses bornes atteint environ 28,9 kA. Le calculateur de courant du transformateur donne ces deux valeurs. Le courant nominal de l'onduleur de batterie est de 722 A. Selon Sandia National Laboratories, le courant de défaut établi des onduleurs formateurs comme suiveurs représente environ 1,1 à 1,5 fois leur courant nominal, soit 790 à 1 080 A.

L'atelier de conditionnement est alimenté par un disjoncteur boîtier moulé de 250 A, dont le déclenchement instantané est réglé à dix fois son courant nominal, soit 2 500 A. Sur le réseau, un défaut au tableau de cet atelier appelle plusieurs kiloampères et le disjoncteur l'élimine en quelques dizaines de millisecondes. Dans un îlot alimenté uniquement par la batterie, il circule au plus 1 080 A, soit 4,3 fois le courant nominal du disjoncteur. Son élément instantané ne s'active jamais, et l'élément thermique prend de nombreuses secondes. Entre-temps, la tension s'effondre dans tout l'îlot et l'onduleur peut déclencher sa propre protection avant l'ouverture du disjoncteur. Le défaut coupe alors tout l'îlot plutôt qu'un seul départ.

Quand le groupe diesel fonctionne, la situation change encore. Un alternateur synchrone avec une réactance subtransitoire de 15 % fournit environ 1 / 0,15 = 6,7 fois son courant nominal à ses bornes pendant les premiers cycles, soit environ 4 800 A pour ce groupe, avant décroissance. Le niveau de défaut dépend donc des sources en service. Les solutions habituelles sont :

• des groupes de réglages dans les relais de protection, commutés selon l'état des disjoncteurs du PCC et du groupe ;
• une protection à maximum de courant à retenue ou à contrôle de tension (ANSI 51V), qui déclenche à un courant plus faible lorsque la tension s'est effondrée ;
• un déclenchement sur sous-tension (ANSI 27) avec échelonnement temporel entre les départs ;
• une protection différentielle de courant sur les départs où la sélectivité est la plus importante ;
• des onduleurs spécifiés pour un courant de défaut temporaire plus élevé, lorsque le fabricant le propose.

L'étude de protection doit couvrir toutes les combinaisons de sources capables d'alimenter l'îlot, y compris la batterie seule pendant la nuit.

Modes de défaillance

Un essai d'îlotage programmé révèle la plupart de ces problèmes avant une véritable coupure. Faites-en un chaque année à charge représentative et répétez-le après toute modification des charges ou des réglages.

Mesures à effectuer

Un micro-réseau utilise les mesures à deux vitesses. Pour l'îlotage, la resynchronisation et la maîtrise de l'exportation, le contrôleur a besoin de la tension, de la fréquence, de l'angle de phase et de la puissance au PCC en quelques cycles. Ces données viennent de ses propres transducteurs et des relais de protection, câblés directement ou sur un réseau dédié. Le propriétaire a besoin d'un historique à l'échelle des secondes ou des minutes pour examiner les coupures, vérifier la réserve, répartir les coûts et planifier les changements.

En mode îloté, le facteur de puissance compte davantage que sur le réseau. L'îlot doit fournir toute sa puissance réactive : sur un site à mauvais facteur de puissance, les limites en kVA de l'onduleur et du groupe sont atteintes avant leurs limites en kW.

Suivi d'un micro-réseau avec EpiSensor

Les moniteurs électriques EpiSensor mesurent le PCC, les groupes électrogènes et chaque groupe de charges, puis transmettent leurs relevés au Gateway sur le réseau sans fil Zigbee du site. Le raccordement des transformateurs de courant et de la tension exige toujours l'intervention d'un électricien. Les moniteurs ne nécessitent pas de câblage de données jusqu'au Gateway. Celui-ci exécute Edge, qui conserve les données localement, continue de les enregistrer en cas de panne d'internet et les transmet à la plateforme du propriétaire. Les registres du système de gestion de batterie, des onduleurs et de la station météo peuvent être lus par Modbus et réunis dans le même historique.

Cet historique répond aux questions posées après une coupure : à quel moment le réseau a disparu, quel était l'état de charge à l'îlotage, quels groupes ont été délestés et quand ils ont été rétablis, et comment le groupe électrogène a été chargé. Le contrôleur n'utilise pas ces données pour déclencher, synchroniser ou limiter l'exportation. Ces décisions restent fondées sur ses propres mesures, les relais de protection et tout compteur de règlement, qui sont des équipements distincts et certifiés.

Deux précautions permettent au suivi de survivre à la coupure qu'il doit enregistrer. Alimentez le Gateway et les moniteurs chargés d'enregistrer la coupure à partir de l'alimentation critique. Alimentez le moniteur du PCC côté site du PCC. Un moniteur alimenté par un circuit délesté cesse de transmettre quand ce circuit est coupé et peut emporter avec lui des chemins du réseau maillé sans fil.