Commande intelligente d'onduleur de centrales solaires photovoltaïques et de systèmes de stockage d'énergie

Une distribution d’électricité optimisée implique également une réduction des pertes sur le réseau de distribution et un approvisionnement d’électricité adéquat et de qualité.

Voir la vidéo du projet (en anglais)

Elexicon Energy inc. et son partenaire, l’Université de Western Ontario (UWO), ont reçu un prêt de projet du fonds LDC Tomorrow administré par le groupe Mearie. Le projet consiste à appliquer un nouveau contrôleur d’onduleur intelligent de parcs solaires PV (la nuit et le jour), de même que des systèmes de stockage d’énergie en profitant de leurs capacités résiduelles d’onduleur pour assurer un échange réactif dynamique d’électricité avec les réseaux de distribution dans le but de :

1. Réduire au minimum les pertes en lignes
2. Réduire la tension de conservation et les charges de pointe et charges totales sur le réseau

Ce projet est basé sur une nouvelle technologie brevetée utilisant les parcs de panneaux solaires comme équilibreur dynamique réactif de courant, nommée PV-STATCOM, avec leur capacité résiduelle d’onduleur.

Les avantages de la technologie PV-STATCOM sont démontrés par des études de simulation des départs de ligne de distribution électrique d’Elexicon Energy raccordés aux parcs de panneaux solaires PV et aux systèmes de stockage d’énergie basés sur les onduleurs (BESS).

• Les économies annuelles d’énergie et les avantages financiers en découlant pour Elexicon sont quantifiés.
• La technologie proposée peut être appliquée aux réseaux de panneaux solaires PV et aux systèmes de stockage d’énergie basés sur les onduleurs installés dans tout service de distribution d’électricité au Canada, apportant des avantages substantiels aux services d’électricité canadiens.

II. La technologie PV-STATCOM

Les parcs de panneaux solaires PV sont inactifs pendant la nuit et leur capacité d’onduleur est complètement inutilisée. Même au début de la matinée et en fin d’après-midi, une portion substantielle de la capacité de l’onduleur demeure inutilisée. La technologie PV-STATCOM innovatrice offre les avantages suivants :

• La technologie PV-STATCOM peut assurer la fonctionnalité 24 h sur 24 et 7 jours sur 7 d’un système STATCOM à un coût 10 fois inférieur à un système statique de compensation synchrone conventionnel (STATCOM) ou un compensateur statique d’énergie réactive (SVC) pour les mêmes fonctions de prise en charge du réseau. Ceci est possible parce que des commandes STATCOM additionnelles dotées de leurs circuits connexes de lecture doivent être installées sur les onduleurs existants et les infrastructures électriques et civiles existantes d’un parc de panneaux solaires PV (sous-station, transformateurs, barres omnibus, disjoncteurs, systèmes de protection, etc.) pour transformer une centrale solaire en système STATCOM.
• Cette technologie peut également être appliquée aux parcs éoliens, aux systèmes de stockage d’énergie basés sur des onduleurs et aux postes de recharge de véhicules électriques, durant les périodes de la journée où leurs capacités d’onduleur ne sont pas entièrement utilisées. Le contrôleur PV-STATCOM proposé n’interfère pas avec les systèmes de production d’énergie solaire PV ni avec les échanges d'électricité active des systèmes BESS. Il ne fait que se servir de la capacité d’onduleur inutilisée ou inactive des parcs de panneaux solaires PV et des systèmes BESS.
• La technologie PV-STATCOM réagit en 1 à 2 cycles au lieu d’en 1 à 2 secondes pour les fonctions intelligentes de l’onduleur volt-var ou volt-watt.
• La technologie PV-STATCOM peut offrir plusieurs nouveaux avantages sur une base permanente dans les réseaux de transmission et les réseaux de distribution comme ci-dessous.

VIII. Avantages du projet :

1. Minimisation des pertes en lignes : En Amérique du Nord, les pertes en lignes sont normalement de 4 à 5 % sur les réseaux de transport et de distribution. Si l’on sait que la demande quotidienne diurne en Ontario atteint en moyenne 18 000 MW, les pertes en lignes seraient de 720 MW. Si l’on pouvait récupérer cette perte en lignes, on pourrait répondre aux besoins en électricité de presque 500 000 personnes. Ainsi, une réduction des pertes en lignes, même partielle, peut apporter des avantages substantiels.
2. Réduction de tension de conservation : La réduction de tension de conservation (RTC) est une technique éprouvée utilisée dans le monde entier pour réduire la demande de pointe et la consommation d’énergie totale des réseaux de distribution. Le service public abaisse à dessein les tensions sur les circuits de distribution dans le bas de la plage de tensions acceptables. De nombreuses études portant sur plusieurs services d’électricité et diverses implantations ont démontré qu’une réduction de 1 % des tensions sur les barres omnibus peut réduire la consommation d’énergie de 0,7 à 1,5 % selon le type de charges.

Les stratégies d’optimisation Volt/Var faisant appel à des régulateurs de tension, à des régleurs en charge de transformateurs et à des condensateurs commutés sont couramment utilisées sur les réseaux de distribution pour la réduction de la perte en lignes et pour la RCT. Les systèmes de commande d’onduleurs intelligents (Volt-var, etc.) sur des parcs de panneaux solaires PV ont été étudiés pour assurer la réduction de la perte en lignes et la RCT, mais uniquement pendant le jour.

Toutefois, un ensemble de réseaux de panneaux solaires PV et de systèmes BESS en mode diurne et nocturne n’ont pas été utilisés jusqu’ici pour assurer la RCT et la réduction de la perte en lignes.

Ce projet utilise des parcs de panneaux solaires PV en modes diurne et nocturne et des systèmes de stockage d’énergie sur piles 24 heures par jour comme systèmes STATCOM avec un délai de réaction de 1 à 2 cycles. Ceci permet une implantation très rapide, quasi continue des tensions optimales sur les réseaux de distribution pour obtenir la réduction de la perte en lignes et la réduction de la charge par RCT. Les parcs de panneaux solaires sont dotés de toutes les capacités d’onduleur accessibles pendant la nuit. En outre, on dispose d’une capacité d’onduleur inutilisée substantielle dans le début de la matinée et à la fin de l’après-midi. Cette capacité résiduelle des onduleurs PV complétée par la capacité inutilisée de l’onduleur du BESS sur une période de 24 heures sera utilisée pour l’échange de puissance réactive comme système STATCOM pour la RCT et la réduction de la perte en lignes.

Ce projet vise à démontrer les avantages de la nouvelle technologie PV-STATCOM dans le réseau de distribution d’Elexicon. Des études d’optimisation du flux de charge et des études de simulation des transitoires électromagnétiques sont en cours sur les réseaux de distribution d’Elexicon qui sont raccordés à des parcs solaires et à des systèmes de stockage d’énergie. Les économies d’énergie et la réduction de la charge de pointe qui peuvent être réalisées sur les réseaux d’Elexicon à l’aide de la technologie PV-STATCOM basée sur les capacités résiduelles effectives des onduleurs des parcs de panneaux solaires PV et des systèmes de stockage d’énergie sont déterminées sur des périodes quotidiennes et mensuelles. Ces économies sont ensuite quantifiées en dollars pour Elexicon.

IX. Résultats préliminaires du projet :

• Une évaluation est en cours sur les avantages de l’implantation de la technologie PV-STATCOM en modes nocturne et diurne sur le réseau de panneaux solaires PV de 120 kW raccordé à l’édifice de bureaux d’Elexicon pour réaliser la réduction de la perte en lignes et la RCT.
• Des logiciels PSS/E de calibre industriel sont utilisés dans les études de simulation.
• Le réseau étudié est modélisé dans les logiciels PSS/E et les études sont menées à l’aide de la fonctionnalité d’optimisation du flux de charge (OPF) du logiciel.
• Les études se servent des données des installations de panneaux solaires PV et de charge fournies par Elexicon.
• La technologie PV-STATCOM pour différents objectifs fait l’objet d’essais menés dans le cadre d’études d’optimisation du flux de charge pour chaque 5 minutes tout au long de la journée (24 heures) au cours du mois de juin 2020.
• Les études sont menées pendant une journée de semaine et pendant le week-end. Les résultats sont extrapolés pour estimer les économies annuelles potentielles.
• Le facteur de puissance de l’édifice de bureaux d’Elexicon était de 0,87 en juin, tel que décrit à la fig. 1. La technologie PV-STATCOM fait passer le facteur de puissance de 0,87 à 0,99, tel qu’illustré à la fig. 2.
• La correction du facteur de puissance assurée par le système PV-STATCOM réduit le courant de secteur comme indiqué à la fig. 3.
• La réduction en pourcentage des pertes en lignes du départ de ligne de distribution alimentant en électricité à l’édifice de bureaux d’Elexicon est représentée dans la fig. 4. Les pertes en lignes sont réduites en moyenne de 21,5 % à l’aide des systèmes PV-STATCOM.
• La prochaine série d’études évaluera l’avantage de la technologie PV-STATCOM sur les réseaux de panneaux solaires PV et les systèmes BESS pour assurer la RCT et la réduction des pertes en lignes dans le microréseau d’Elexicon.