VSG 的原理是什么？

Principes techniques du VSG

Avant-propos

Ce livre blanc présente de manière systématique la description fonctionnelle de la technologie de mise en réseau du stockage d'énergie VSG, les points sensibles des scénarios d'application existants, les recommandations sur la gamme de produits ainsi qu'une présentation des solutions avantageuses.

1. Principe du VSG et présentation fonctionnelle

Le générateur synchrone virtuel (Virtual Synchronous Generator, VSG) est une stratégie de contrôle avancée basée sur l'électronique de puissance. En simulant les caractéristiques électromécaniques et le comportement dynamique d'un générateur synchrone traditionnel, il permet à un onduleur ou à un système de stockage d'énergie de disposer des capacités de soutien d'inertie, de régulation de fréquence et de soutien de stabilité de tension propres aux générateurs classiques.

Le générateur synchrone traditionnel repose sur un moteur premier (turbine hydraulique, turbine à vapeur, etc.) qui entraîne la rotation du rotor pour produire de l'électricité. Il dispose naturellement d'inertie et de caractéristiques d'amortissement, et peut interagir avec le réseau via le réglage fréquence-tension. Le VSG, quant à lui, fait appel à des algorithmes de contrôle pour que les équipements de production d'énergies renouvelables ou les systèmes de stockage d'énergie, qui en sont dépourvus à l'origine, « imitent » le fonctionnement d'un générateur synchrone traditionnel. L'objectif principal est de renforcer la synergie entre les énergies renouvelables et le réseau, et d'améliorer la stabilité et la compatibilité du système électrique.

Pour s'adapter aux différents scénarios d'application, le VSG comporte quatre grandes branches fonctionnelles :

• Soutien de mise en réseau et construction de réseau — le stockage d'énergie, une fois connecté au réseau, fournit en temps utile un soutien en puissance active et réactive en fonction des variations de fréquence et de tension, sans nécessiter d'EMS, offrant au système inertie et amortissement et optimisant les harmoniques du système.
• Basculement transparent avec le réseau — le système de stockage d'énergie construit le réseau en continu. Un dispositif de coupure rapide, combiné à des fonctions de détection d'îlotage active et passive, permet d'isoler rapidement les circuits défaillants en cas de coupure, assurant ainsi une transition transparente sans interruption.
• Coordination hybride diesel-stockage — grâce au VSG couplé à un groupe diesel, une application de sortie hybride par augmentation de capacité est réalisée, sans STS, ce qui réduit les coûts matériels.
• Construction de réseau en îlotage et mise en parallèle — permet de réaliser un système de construction de réseau en îlotage sans communication ou avec une communication CAN faible, l'EMS coordonnant l'ensemble du système.

Chantier révolutionnaire de mise en parallèle de 12 unités en îlotage sans communication

2. Soutien de mise en réseau et construction de réseau

2.1 Contexte d'application

Les réseaux finlandais et brésiliens imposent déjà que les systèmes de stockage connectés au réseau disposent d'une fonction de construction de réseau. La Turquie européenne exige un temps de réponse au réglage de fréquence de 100 ms, et l'Allemagne élabore actuellement des normes de rémunération pour la construction de réseau.

Un PCS doté d'une fonction de construction de réseau présente, côté source et réseau, des caractéristiques de source d'alimentation plus stables et plus souples. Il s'appuie sur trois mécanismes clés — amortissement virtuel, réponse inertielle et remodelage de l'impédance virtuelle — pour réduire les risques de résonance du système, contribuer à stabiliser la tension et la fréquence du nouveau système électrique et construire un modèle de revenus pour ce dernier.

2.2 Liste des produits pris en charge

2.3 Solution d'application

Solution de mise en réseau PV-stockage à couplage AC 800 V avec branches multiples

Conformité
Le module PCS 215 kW a déjà obtenu les certifications de mise en réseau CE + EN50549 Europe pour 400 V / 690 V / 800 V.

Solution string à branches multiples
Elle fournit une fonction d'équilibrage du SOC au niveau du cluster. Grâce à la mise en réseau string à branches multiples, la défaillance d'une branche de stockage n'affecte pas le fonctionnement du système, garantissant un taux de disponibilité et une stabilité élevés.

Solution de mise en réseau PV-stockage à couplage AC 800 V
Elle prend en charge une sortie AC 800 V et peut être directement couplée en AC avec les onduleurs PV courants. Combinée à l'algorithme de mise en réseau VSG reposant sur trois mécanismes clés — amortissement virtuel, réponse inertielle et remodelage de l'impédance virtuelle —, elle réduit les risques de résonance du système. Le système PV-stockage n'a besoin que d'un seul transformateur pour se connecter au réseau.

Fonction de mise en réseau VSG pour connexion au réseau
Le système de stockage d'énergie, grâce à sa fonction de mise en réseau, prend en charge :

• Réglage primaire fréquence-tension passif à l'échelle de la microseconde
• Suppression des harmoniques
• Réglage secondaire fréquence-tension actif
• Soutien inertiel souple

En cas de défaut côté réseau, le système fournit jusqu'à 1,5 fois la puissance nominale pendant 200 ms de soutien de mise en réseau, contribuant à la stabilité du réseau et créant un nouveau modèle de revenus passif pour le système de stockage connecté au réseau.

3. Basculement transparent avec le réseau

3.1 Forme du produit

3.2 Présentation des solutions de basculement de mise en réseau

3.2.1 Solution 1 — Configuration du module STS (250 kW-500 kW-1 MW)

Basculement VSG associé au module STS (temps de basculement de 20 ms — VSG connecté au réseau basculant vers VSG en îlotage)

L'ensemble du processus est piloté par le module STS et le module PCS pour effectuer la bascule entre connexion réseau et îlotage. Une communication CAN est requise entre le module STS et le PCS. Comparé au mode de basculement traditionnel PQ/VF, le VSG associé au module STS utilise une communication faible, ce qui assure une meilleure stabilité de communication, une plus longue distance de communication et une meilleure immunité aux interférences.

La capacité de charge en basculement, n'impliquant pas de commutation, sera supérieure à celle du mode traditionnel, avec une augmentation de plus de 30 %.

3.2.2 Solution 2 — Configuration d'un commutateur motorisé + dispositif de synchronisation (100 ms)

Mode d'application : pour les modules sans borne VG ou lorsque l'interrupteur du point de connexion réseau est éloigné (la communication d'un seul hôte suffit) Passage réseau → îlotage

Basculement réseau → îlotage : le PCS fonctionne en mode VSG connecté au réseau tout en effectuant une détection d'îlotage active/passive - Îlotage actif : en cas de coupure du réseau, le PCS envoie un ordre d'ouverture à l'interrupteur externe et bascule simultanément en mode VSG îlotage - Îlotage passif : en cas de coupure du réseau, le PCS détecte, via un contact sec DI, l'état d'ouverture/fermeture de l'interrupteur externe et bascule en mode VSG îlotage

Passage îlotage → réseau

À ce stade, l'EMS ajuste les références de tension et de fréquence du PCS en îlotage pour les aligner sur le réseau. La synchronisation est détectée par le dispositif de synchronisation, qui envoie un signal de contact sec pour commander la fermeture. Le PCS lit l'état d'ouverture/fermeture du commutateur motorisé et bascule du mode VSG îlotage vers le mode VSG connecté au réseau.

3.2.3 Solution 3 — Solution de synchronisation et de fermeture par échantillonnage VG

• Configuration d'un commutateur motorisé + échantillonnage VG (100 ms) (la communication d'un seul hôte suffit)
• Configuration d'un commutateur à contacteur + échantillonnage VG (20 ms) (la communication d'un seul hôte suffit)

Le PCS fonctionne en mode VSG. Il commande via un jeu de contacts secs DO l'ouverture/fermeture du commutateur de transfert externe, détecte l'état du commutateur externe via un jeu de contacts secs DI, et surveille, via un échantillonnage de tension, la phase et l'amplitude de la tension côté réseau. La détection active et passive d'îlotage en cas de coupure est effectuée par le PCS ; la synchronisation lors du passage îlotage → réseau est réalisée activement par le PCS avec le réseau, celui-ci envoyant l'ordre de fermeture au commutateur motorisé.

Mode d'application 1 : ouverture active côté réseau pour passer en îlotage, arrêt et fermeture pour repasser en réseau

• Passage réseau → îlotage : le PCS fonctionne en mode VSG connecté au réseau ; le commutateur motorisé côté réseau s'ouvre activement. Le PCS lit l'état du commutateur motorisé et bascule en mode VSG îlotage.
• Passage îlotage → réseau : le PCS fonctionne en mode VSG îlotage, s'arrête d'abord, puis le commutateur motorisé se ferme. Le PCS bascule en mode VSG connecté au réseau et démarre pour se connecter au réseau.

Mode d'application 2 : coupure côté réseau passive entraînant le passage en îlotage, fermeture automatique sans interruption lors du retour en réseau

• Passage réseau → îlotage : le PCS fonctionne en mode VSG connecté au réseau tout en effectuant une détection d'îlotage active/passive
• Îlotage actif : en cas de coupure du réseau, le PCS envoie un ordre d'ouverture à l'interrupteur externe et bascule simultanément en mode VSG îlotage
• Îlotage passif : en cas de coupure du réseau, le PCS détecte, via un contact sec DI, l'état d'ouverture/fermeture de l'interrupteur externe et bascule en mode VSG îlotage
• Passage îlotage → réseau : le PCS fonctionne en mode VSG îlotage ; le dispositif de synchronisation surveille en temps réel l'état du réseau. Une fois la tension rétablie, il synchronise automatiquement la phase et l'amplitude avec le réseau. Une fois la synchronisation terminée, il envoie un ordre de fermeture au commutateur motorisé ; le PCS, selon l'état du contact sec DI, bascule en mode VSG connecté au réseau.

4. Système micro-réseau composé du groupe électrogène diesel et du système photovoltaïque prenant en charge la charge (soutien de réseau faible)

4.1 Contexte d'application et points sensibles

Dans les scénarios d'application en régions reculées avec réseau faible ou nécessitant une alimentation de secours, le groupe électrogène est généralement utilisé comme source d'alimentation stable. Cependant, le coût du carburant des groupes électrogènes est élevé et, face à des charges soudainement accrues, les caractéristiques transitoires du système sont instables, avec des chutes de fréquence et de tension importantes. C'est pourquoi l'on ajoute souvent du photovoltaïque et du stockage d'énergie au système micro-réseau pour réduire la consommation de carburant du diesel.

Cependant, dans les systèmes traditionnels PV-stockage-diesel en îlotage, les points sensibles suivants se présentent souvent.

Point sensible 1 : Caractéristiques de fréquence et de tension instables du diesel entraînant des basculements fréquents du STS ou l'échec de la PLL — fluctuations transitoires provoquant des défaillances en cascade

Les petits groupes électrogènes diesel (≤500 kW) couramment utilisés dans les régions reculées présentent, en raison du retard de réponse du régulateur de vitesse (temps de réponse typique 0,5-1 s) et de la faible précision de régulation du système d'excitation, les comportements suivants lors de brusques augmentations de charge (démarrage de moteurs, fonctionnement de postes à souder, etc.) :

• La fréquence peut chuter instantanément de 0,5 à 10 Hz
• La tension chute de 15 % à 30 %

Or, les seuils de déclenchement de basculement du STS sont généralement fixés à un écart de fréquence de ±0,5 Hz et un écart de tension de ±10 %. Les fluctuations transitoires du diesel déclenchent donc facilement des basculements fréquents. Parallèlement, la boucle à verrouillage de phase (PLL) doit suivre la phase de tension du diesel ; lorsque le taux de distorsion harmonique de la tension dépasse 5 % ou que la vitesse de variation de la fréquence est supérieure à 0,2 Hz/s, la PLL échoue, empêchant la mise en parallèle du PV-stockage avec le diesel.

Point sensible 2 : Risque de contre-puissance lorsque le stockage en mode connexion au réseau partage la charge avec le diesel — déséquilibre source-réseau-charge entraînant des dommages aux équipements

En mode connexion au réseau, le système de stockage d'énergie adopte une stratégie de contrôle en source de courant, la puissance de sortie suivant le signal de consigne. Le diesel, en tant que source de tension, maintient la stabilité de la fréquence et de la tension via le régulateur de vitesse et le système d'excitation ; les logiques de contrôle sont fondamentalement différentes. En cas d'augmentation soudaine de la production PV (par exemple, disparition d'un ombrage nuageux) ou de baisse soudaine de la charge (par exemple, arrêt d'un gros équipement), si la puissance active fournie par le stockage dépasse la demande instantanée de charge, l'énergie excédentaire sera, en raison de la vitesse de réponse de l'EMS, réinjectée dans le diesel. Comme le diesel est un équipement mécanique en rotation, la contre-puissance entraîne une augmentation anormale de la vitesse (5 % à 10 % au-dessus de la vitesse nominale), déclenchant la protection du régulateur de vitesse, et pouvant même provoquer une fatigue mécanique du vilebrequin, du volant d'inertie et d'autres composants.

Point sensible 3 : Capacité PV-stockage limitée par les risques de résonance liés à la capacité et aux caractéristiques du diesel — utilisation des énergies propres gravement contrainte

Lorsque le système PV-stockage est connecté au micro-réseau via un onduleur, son impédance de sortie, combinée à l'impédance interne du diesel (impédance inductive, variant avec la charge) et à l'impédance de la ligne, peut former des résonances série ou parallèle à certaines fréquences (généralement 30-300 Hz). Plus la capacité du diesel est faible, plus la plage de variation de l'impédance interne est large et plus le risque de résonance est élevé. De plus, les caractéristiques d'impédance interne diffèrent significativement entre diesel synchrone et asynchrone ; la régulation d'excitation du diesel synchrone aggravant les fluctuations d'impédance, ce qui réduit encore la limite supérieure de capacité PV-stockage. Le secteur applique couramment le seuil empirique « capacité PV-stockage ≤ 70 % de la capacité du diesel » ; dans certains scénarios exigeants, il faut même se limiter à 50 %.

4.2 Solution système avantageuse

4.2.1 Solution de basculement à froid diesel-stockage sans STS

Lorsque le PCS fonctionne en mode VSG (générateur synchrone virtuel), il intègre nativement une fonction de synchronisation par PLL. Ainsi, lorsque le système diesel établit la tension et que le PCS se connecte à ce système, il peut automatiquement se synchroniser via PLL sur la source de tension établie par le diesel et s'intégrer au système, sans équipement supplémentaire. De plus, la boucle de contrôle tension-fréquence du VSG assure un fonctionnement couplé avec le diesel pour une mise en réseau conjointe.

Lorsque le diesel se connecte à un système PV-stockage dont la source de tension est déjà établie, différents types de générateurs diesel (certains ne fonctionnent qu'en unité unique, d'autres intègrent une fonction de synchronisation, c'est-à-dire un générateur synchrone) nécessitent des solutions adaptées.

Scénario d'application — Compatibilité avec générateur synchrone (aucun équipement auxiliaire de basculement requis) Lorsque le générateur couplé au système dispose de sa propre fonction de synchronisation, le contrôleur peut, après avoir synchronisé l'alimentation externe, commander la fermeture du commutateur motorisé interne du diesel. Avec ce type de générateur synchrone, en utilisant le mode VSG, le système diesel et le système de stockage d'énergie peuvent basculer librement et de manière transparente.

Scénario d'application — Compatibilité avec générateur diesel autonome

• Insertion d'un générateur diesel autonome : à l'état îlotage, le générateur diesel ne démarre pas, le PV-stockage construit le réseau. Lorsque le SOC atteint le seuil de démarrage du diesel, le générateur diesel démarre et, via le dispositif de synchronisation/l'échantillonnage VG + commutateur motorisé, se connecte au système en îlotage. Le PCS lit l'état d'ouverture/fermeture et bascule en mode VSG connecté au réseau.
• Déconnexion du générateur diesel : lorsque le SOC atteint la limite supérieure, l'EMS arrête directement le générateur diesel et envoie un ordre d'ouverture. Le PCS lit l'état d'ouverture/fermeture et bascule en mode VSG îlotage.

Solution 1 : Dispositif de synchronisation + commutateur motorisé Un dispositif de synchronisation externe + commutateur motorisé garantit la synchronisation de phase lors de la connexion du générateur diesel au système de stockage, avant la fermeture.

Solution 2 : Borne d'échantillonnage VG + commutateur motorisé Via la borne d'échantillonnage VG, le PCS échantillonne directement la phase et la fréquence de la tension côté générateur diesel après son démarrage, et se synchronise activement en phase avec celui-ci. Après confirmation de la synchronisation, il commande la fermeture du commutateur motorisé et, en lisant l'état de l'interrupteur, bascule du mode VSG îlotage vers le mode VSG connecté au réseau.

4.2.2 Application VSG hybride diesel-stockage

Application d'augmentation de capacité du système

Le VSG intègre nativement le soutien de réglage primaire fréquence-tension et la réponse inertielle. Couplé au groupe électrogène, il permet de réagir aux charges transitoires d'impact variables avec un soutien rapide, à l'échelle de la microseconde, en synergie avec le diesel pour la prise en charge de la charge. Selon les paramètres configurés et les caractéristiques du générateur diesel, la capacité totale du système peut atteindre (diesel + stockage) × (0,5 - 0,8). Par exemple, avec un générateur diesel de 100 kW et un stockage de 100 kW, le système peut, à vide, prendre en charge soudainement 100 à 160 kW.

Cette application peut également être utilisée dans les applications de générateur diesel en veille à froid. Dans un système micro-réseau comportant de nombreuses charges inductives, l'application d'augmentation de capacité permet, lors du démarrage de la charge, d'intégrer le générateur diesel au système pour augmenter temporairement la capacité, puis de l'arrêter après le démarrage de la charge inductive. Cette application permet, dans les micro-réseaux à dominante de charges inductives, de réduire considérablement la capacité configurée du système de stockage.

Répartition de la puissance de charge

L'EMS peut, via un réglage secondaire fréquence-tension, envoyer au PCS des consignes de puissance active/réactive pour répartir, en régime établi, la charge entre le générateur diesel et le système de stockage — par exemple, en maintenant le générateur diesel à son point de meilleur rendement.

Augmentation de capacité PV-stockage avec mise en réseau

L'algorithme de mise en réseau VSG, en injectant activement dans le système les trois mécanismes clés — amortissement virtuel, réponse inertielle et remodelage de l'impédance virtuelle —, réduit les risques de résonance et permet au système de stockage d'énergie de construire conjointement le réseau avec le diesel. Comparé au mode de contrôle traditionnel où le PV et le stockage sont tous deux des sources de courant, cela permet de faire évoluer la formule de capacité PV de

« Capacité PV-stockage ≤ 70 % de la capacité du diesel »

à

« Capacité PV = Capacité stockage × 75 % + Capacité diesel × 70 % »

Suppression des harmoniques du système

En mode VSG en synergie avec le générateur diesel pour la mise en réseau, le contrôle traditionnel en source de courant ne permet pas d'optimiser les harmoniques du système : il ajoute 1 à 2 % de taux d'harmoniques au système diesel existant. La teneur en harmoniques de tension du VSG est inférieure à 1-2 % ; selon la capacité, le stockage peut neutraliser une partie des harmoniques du générateur diesel (3 % à 8 %), réduisant ainsi le taux d'harmoniques global du système.

5. Système de mise en réseau et de mise en parallèle de PCS en îlotage pur

5.1 Contexte d'application

Dans les scénarios d'application en régions reculées et sur les îles, en l'absence de réseau principal, une mise en réseau PV-stockage en îlotage pur est nécessaire. De même, dans les grands scénarios d'alimentation de secours, l'état îlotage nécessite également une mise en réseau multi-PCS en parallèle.

La mise en parallèle traditionnelle VF des PCS en îlotage est limitée par le taux de charge de communication, ce qui restreint la capacité totale de mise en réseau et la distance de communication. De plus, en îlotage, la puissance ne peut pas être contrôlée activement, et aucune stratégie d'équilibrage du SOC ne peut être mise en œuvre, ce qui affecte la stabilité du système et augmente les coûts de maintenance.

5.2 Solution d'application

5.2.1 Fonction d'équilibrage du SOC en îlotage en ligne

Architecture de communication VF traditionnelle

Architecture de mise en parallèle VSG

En mode VSG, la mise en parallèle ne nécessite pas de liaison de communication. Il suffit que l'EMS contrôle séparément les consignes secondaires de réglage fréquence-tension de chaque PCS pour maintenir la stabilité du système. Le nombre d'unités en parallèle peut actuellement atteindre 12 unités. En îlotage, les consignes de charge/décharge de chaque PCS peuvent être contrôlées individuellement via les consignes secondaires de réglage fréquence-tension.

5.2.2 Solution de communication de mise en réseau pour mise en parallèle multi-unités en îlotage

Mise en parallèle VSG multi-armoires sans communication

• Mode de démarrage : l'EMS envoie une commande de démarrage via la ligne de communication à une unité quelconque. Cette unité établit d'abord la tension, puis envoie successivement les commandes de démarrage aux unités secondaires, à un intervalle de 30 s.
• Mode de contrôle : l'EMS envoie une consigne de puissance à chaque PCS. La règle à respecter est la suivante : Puissance totale de décharge des PCS − Puissance totale de charge des PCS = Charge

Mise en parallèle VSG multi-armoires à communication faible

• Mode de démarrage : l'EMS envoie une commande de démarrage à toutes les unités via la ligne de communication. Le maître et les esclaves attendent la confirmation des commandes, puis synchronisent automatiquement un démarrage à froid.
• Mode de contrôle : l'EMS envoie la consigne de puissance totale au PCS maître. Le maître répartit automatiquement et uniformément la puissance aux esclaves.
• Description de la communication faible : permet un démarrage à froid synchronisé en une touche et une synchronisation des consignes de puissance de l'EMS.

Mise en parallèle à longue distance avec mise en réseau multi-armoires et communication faible sans communication entre groupes

• Mode de contrôle : l'EMS envoie via la ligne de communication d'abord une commande de démarrage au maître de plus grande capacité dans le groupe CAN. Après confirmation du démarrage, il envoie successivement aux maîtres des groupes CAN de capacité décroissante les commandes de démarrage, en attendant 30 s à 60 s entre chaque.

5.2.3 Application d'augmentation de capacité pour projets en îlotage

Pour les anciens projets en îlotage pur, l'augmentation de capacité constitue souvent un point sensible : il faut à la fois prendre en compte l'adaptation à l'architecture de communication des anciens PCS et vérifier que le taux de charge de communication est suffisant.

En îlotage, le PCS peut réaliser une augmentation de capacité de mise en réseau sans communication via VSG, compatible avec toute marque de PCS, sans tenir compte de l'architecture de communication, permettant une augmentation transparente de la capacité du système en îlotage. Avec une armoire All-in-one, le système est Plug-and-Play, prêt à l'emploi.

Annexe : Tableau de référence rapide des paramètres clés

Les trois mécanismes clés du VSG

Gamme de produits PCS

Comparaison des solutions de basculement

Bénéfices clés du VSG hybride diesel-stockage

Comparaison des solutions de mise en parallèle en îlotage