Capacité de charge en mode îlot

Explication détaillée de la capacité de charge en mode îlot du PCS

Ce document décrit les limites de capacité du PCS (Power Conversion System / onduleur de stockage) en mode îlot/îlotage, lorsqu'il commutent directement des transformateurs et des moteurs, ainsi que les règles de dimensionnement en présence de charges multiples. Chaque point est détaillé ci-dessous.

I. Prérequis terminologiques

• PCS de type Grid-Following (GFL) : nécessite la tension du réseau comme référence, n'établit pas lui-même la tension, capacité de surcharge limitée (généralement 1,1 à 1,2 fois la valeur nominale, 1,0 à 1,1 fois en régime permanent).
• PCS de type Grid-Forming (GFM) : capable d'établir lui-même la référence de tension et de fréquence, peut être considéré comme un « générateur virtuel », capacité de surcharge élevée (instantanément jusqu'à 3 fois la valeur nominale, retour à 1,5 fois en 3 à 10 secondes).
• Pn / In : puissance nominale / courant nominal du PCS.
• PA / PB / PC : niveaux de puissance respectifs de la charge déjà en régime établi, du nouveau transformateur mis en service et des autres nouvelles charges à fort appel de courant.

II. Point n°1 — Connexion directe d'un transformateur par le PCS en mode îlot

1.1 Contexte physique : courant d'enclenchement (inrush) du transformateur

À l'instant de la fermeture à vide du transformateur, en raison de la superposition du rémanent magnétique du noyau et d'une phase de tension défavorable, l'enroulement entre en saturation magnétique profonde, générant un courant d'appel dont l'amplitude peut atteindre 6 à 8 fois le courant nominal, durant 0,5 à 2 secondes. C'est ce qu'on appelle le « courant d'enclenchement / magnetizing inrush ».

Le courant d'appel n'est pas une véritable puissance de charge, mais un courant réactif (courant d'excitation). Cependant, son amplitude est considérable et peut déclencher les protections du PCS ou abaisser la tension du bus.

1.2 Interprétation de la règle

Implication pratique : lors de la mise en service en mode îlot, si le transformateur côté projet ≥ 0,5 Pn, il faut obligatoirement utiliser un modèle Grid-Forming, ou bien adopter un schéma de commutation avec pré-excitation / dispositif de démarrage progressif (par exemple un interrupteur de fermeture avec pré-insertion de résistance, ou un transformateur à démarrage progressif).

III. Point n°2 — Démarrage direct d'un moteur par le PCS en mode îlot

2.1 Contexte physique : choc de démarrage direct du moteur

Lors du démarrage direct (DOL, Direct-On-Line) d'un moteur asynchrone : - À l'instant du démarrage, le glissement s = 1, la résistance rotorique équivalente est très faible ; - Le courant de démarrage atteint généralement 6 à 10 fois le courant nominal ; - Le couple de démarrage est également élevé (environ 1,5 à 3 fois le couple nominal) ; - La durée est de 1 à 3 secondes.

Ce paragraphe adopte de manière conservative un facteur de choc de 10 fois.

2.2 Interprétation de la règle

Exigence :

$$\boxed{I_{\text{choc}} = 10 \times I_{n,\text{moteur}} \le I_{n,\text{PCS}}}$$

Soit $10 \times 0{,}1 P_n \le P_n$, ce qui fixe justement la limite au courant nominal du PCS. Par conséquent, la puissance d'un moteur unitaire doit être ≤ 0,1 Pn.

Exemple : un PCS de 1000 kW (avec capacité Grid-Forming) ne peut démarrer directement qu'un moteur unitaire de 100 kW maximum. Pour des moteurs de plus grande puissance, il faut recourir à un variateur de fréquence (VFD) / démarreur progressif / couplage étoile-triangle ou autre méthode de démarrage réduit.

IV. Point n°3 — Conditions de coexistence de charges multiples

Règles de dimensionnement du PCS lorsqu'une charge PA est déjà en fonctionnement stable et qu'une nouvelle charge est ajoutée.

4.1 Ajout d'un transformateur à connexion directe (PB)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \cdot P_A + 2 \times 2 \cdot P_B = 1{,}5 P_A + 4 P_B}$$

Signification de chaque terme :

Pourquoi ajouter un facteur 2 supplémentaire spécifique au transformateur ? Parce que le courant d'appel du transformateur est un choc réactif : il ne consomme pas de puissance active mais occupe大幅度 le canal de courant. Il faut donc réserver la marge sur la capacité en courant, et non sur la puissance moyenne.

4.2 Ajout d'autres charges à fort appel de courant (PC)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}3 \cdot P_A + P_C}$$

Scénarios applicables : démarrage direct d'éoliennes / démarrage par variateur de fréquence / démarrage par inductance série / commutation de condensateurs de compensation / grands équipements redresseurs, etc.

Référence des facteurs de démarrage direct : éolienne (axiale de grande taille) en démarrage direct 5 à 7× ; démarrage par variateur 1,5 à 2× ; démarrage par inductance série 3 à 4×. Le choc ayant déjà été limité, PC inclut implicitement le déclassement lié à la stratégie de commande ; on peut donc simplement additionner PC tel quel.

V. Coefficient de déclassement pour mise en parallèle

Lorsque plusieurs PCS sont mis en parallèle, il existe des phénomènes de courant de circulation / mauvaise répartition du courant (même sur des modèles identiques, les chutes de tension IGBT, la précision d'échantillonnage et les délais de modulation diffèrent légèrement), imposant un déclassement :

La formule finale de dimensionnement devient :

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1{,}5 P_A + 4 P_B \text{ (ou } 1{,}3 P_A + P_C\text{)}}{k_{\text{parallèle}}}$$

Avec $k_{\text{parallèle}} = 0{,}95$ ou $0{,}90$.

VI. Exemple de synthèse (consolider la compréhension)

Scénario : PCS Grid-Forming, unité unique de 1000 kW, avec une charge stable de 300 kW déjà connectée, et mise en service supplémentaire d'un transformateur de 200 kVA et d'un moteur à démarrage direct de 90 kW.

1. Le transformateur peut-il être connecté directement ? 200 kVA > 0,5 × 1000 = 500 ❌ L'énoncé semble suggérer que la capacité unitaire suffit, mais ici on regarde 200 / 1000 = 20 %, ce qui permet la connexion directe.
2. Le moteur peut-il être démarré directement ? 90 kW / 1000 = 9 % < 10 % ✅ Démarrage direct possible.
3. Vérification de la capacité totale (selon la règle du transformateur) :

$$P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \times 300 + 4 \times 200 = 450 + 800 = 1250 \text{ kW}$$

Une unité unique ne suffit pas ; il faut passer à 1250 kW / 2 unités en parallèle, avec déclassement à 0,95 :

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1250}{0{,}95} \approx 1316 \text{ kW}$$

→ Choisir 2 × 800 kW = 1600 kW de PCS, en laissant une marge de sécurité supplémentaire.

VII. Points clés à retenir

1. Un PCS en mode îlot n'est pas un réseau : il n'y a pas de « source infinie » pour absorber les chocs, le dimensionnement des capacités de commutation doit être calculé selon le cas le plus défavorable ;
2. Le transformateur est la plus grande source de choc cachée (courant d'appel 6 à 8×), d'où le facteur supplémentaire de 4 qui lui est appliqué ;
3. Le démarrage direct du moteur est la deuxième source de choc, mais avec une limite de capacité de seulement 10 % Pn, et est généralement associé en pratique à un variateur / démarreur progressif ;
4. Le déclassement en parallèle est inévitable : ce n'est pas que l'algorithme de répartition du courant soit défaillant, mais que les composants physiques sont nécessairement désaccordés ;
5. Tous ces chiffres comportent une marge d'ingénierie conservative, destinée à offrir un buffer aux conditions anormales sur site, et ne sont pas des valeurs théoriques issues de manuels.