Estimation continue de l'inertie du système électrique à l'aide de réseaux de neurones convolutifs

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4440 (2023) Citer cet article

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L'inertie est une mesure de la capacité d'un système électrique à contrecarrer les perturbations de fréquence : dans les réseaux électriques conventionnels, l'inertie est approximativement constante dans le temps, ce qui contribue à la stabilité du réseau. Cependant, à mesure que la part des sources d’énergie renouvelables augmente, l’inertie associée aux générateurs synchrones diminue, ce qui peut constituer une menace pour la stabilité globale. L’estimation fiable de l’inertie des systèmes électriques dominés par des sources à connexion inversée est donc devenue d’une importance capitale. Nous développons un cadre pour l'estimation continue de l'inertie dans un système électrique, en exploitant des techniques d'intelligence artificielle de pointe. Nous effectuons une enquête approfondie basée sur l'analyse des spectres de puissance et les corrélations entrée-sortie pour expliquer comment le réseau neuronal artificiel fonctionne dans ce domaine spécifique, mettant ainsi en lumière les caractéristiques d'entrée nécessaires à une formation appropriée du réseau neuronal. Nous validons notre approche sur un réseau électrique hétérogène comprenant des générateurs synchrones, des compensateurs statiques et une génération interfacée par convertisseur : nos résultats mettent en évidence comment différents dispositifs sont caractérisés par des empreintes spectrales distinctes - une caractéristique qui doit être prise en compte par les gestionnaires de réseau de transport lors de la réalisation de réseaux en ligne. analyses de stabilité.

Ces dernières années, la part de la capacité de production d'électricité attribuée aux sources d'énergie renouvelables a augmenté à un rythme accéléré1 : cela a entraîné une augmentation substantielle de la part des sources d'énergie connectées au réseau au moyen d'une interface électronique de puissance appelée un onduleur, d'où le nom de ressources basées sur un onduleur (IBR). Par rapport aux générateurs synchrones, qui constituent la principale source d’énergie dans les systèmes électriques conventionnels, les IBR ont un comportement dynamique fondamentalement différent, ce qui devrait avoir des implications significatives sur la dynamique globale et la stabilité du réseau électrique2,3.

En général, les systèmes électriques sont maintenus stables en limitant les excursions de fréquence : une mesure courante de la capacité d'un système électrique à contrecarrer les changements de fréquence est son inertie, qui, dans les systèmes électriques conventionnels, est liée à l'énergie cinétique stockée dans les masses en rotation des générateurs synchrones. et immédiatement disponible en cas de déséquilibres soudains de puissance4 (mais voir la réf. 5 pour une étude du rôle joué par l'amortissement de la charge du générateur dans le maintien d'une synchronisation stable). En revanche, les sources d’énergie renouvelables interfacées par IBR ne fournissent généralement pas d’inertie au réseau électrique. Une conséquence de la pénétration accrue des IBR a donc été une réduction de la quantité d'énergie produite par les centrales électriques conventionnelles, ce qui a conduit à une diminution globale de l'inertie ainsi qu'à une augmentation de sa variabilité6 : cela pourrait entraver la capacité d’un système électrique pour contrebalancer correctement les oscillations de fréquence dues aux déséquilibres de puissance active7. Ainsi, outre l'étude des moyens permettant aux IBR d'imiter la réponse inertielle des générateurs traditionnels8, d'importants efforts de recherche ont été consacrés récemment au développement de méthodes d'estimation de l'inertie d'un système électrique, dont certaines ont été examinées dans la réf. 9. Ceux-ci peuvent être grossièrement classés en deux grandes catégories : (i) les algorithmes déclenchés par une perturbation considérable (c'est-à-dire un événement significatif dans le système électrique étudié) ; (ii) des méthodes qui utilisent les mesures dans des conditions de fonctionnement normales ou qui s'appuient sur la réponse transitoire aux signaux de sondage injectés pour stimuler de manière transparente le système électrique. Les approches du premier groupe analysent les mesures de fréquence électrique et de puissances actives après la détection d'une perturbation significative10,11. Lorsqu’elles sont destinées à une estimation en ligne, il est primordial de déterminer l’instant exact où la perturbation s’est produite, car les erreurs d’évaluation affectent considérablement le processus d’estimation. De plus, ces algorithmes ne parviennent pas à fournir des valeurs d’inertie mises à jour de manière continue, car ils nécessitent un événement déclencheur12,13. Concernant le deuxième groupe de méthodes, les techniques qui nécessitent qu'un signal de sondage soit introduit dans les systèmes électriques ne sont pas pratiques pour les grands systèmes électriques, et le signal perturbateur influence l'estimation14. D’un autre côté, les méthodologies employant des mesures ambiantes doivent exécuter une procédure d’identification du système15,16 ou s’appuyer sur la connaissance de données précises en temps réel17, deux limites potentielles des techniques. Nous renvoyons le lecteur intéressé à18,19 pour des analyses approfondies sur le thème de l'estimation de l'inertie dans les systèmes électriques.