Émulation solaire au National Renewable Energy Laboratory (NREL)

J'ai accompagné l'un des techniciens de Magna-Power pour la mise en service d'un système d'alimentation programmable massif de 1 500 000 watts au National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département de l'Énergie à Golden, Colorado. Le NREL est le principal établissement américain de recherche et développement en énergies renouvelables. L'Energy Systems Integration Facility (ESIF) du NREL, où se trouve le système Magna-Power de 1,5 MW, fournit une plateforme d'essai pour une infrastructure énergétique américaine propre, renouvelable et intelligente.

Le système Magna-Power au NREL est composé de six alimentations MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI, qui peuvent être configurées en fonctionnement maître-esclave série ou parallèle grâce au dispositif d'interconnexion UID47 de Magna-Power. Chaque module d'alimentation MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI est capable de fournir 0-1000 Vdc et 0-250 Adc en continu. Avec l'option d'isolation de sortie élevée (+ISO), chaque unité possède une tension d'isolation de sortie DC de ± 4000 Vdc, permettant de configurer les modules jusqu'à 4000 Vdc en série. Avec six modules, une variété de configurations série et parallèle peut être réalisée. Comme tous les produits Magna-Power, ce système peut être utilisé comme alimentation standard à courant constant, tension constante ou comme émulateur PV. En tant qu'émulateur PV, ce système est utilisé pour les essais et l'évaluation de nouvelles technologies et de produits commerciaux.

J'ai eu l'occasion de m'entretenir avec Mariko Shirazi, ingénieure en électricité ayant joué un rôle déterminant dans le processus de sélection du simulateur PV, pour en savoir plus sur les activités de l'ESIF et l'application de l'alimentation DC programmable de la série MT de Magna-Power.

Entretien avec Mariko Shirazi, Ph.D.

Quelle est la mission du National Renewable Energy Laboratory, et en particulier de l'Energy Systems Integration Facility (ESIF) ?
L'objectif global de cette installation est de tester des systèmes énergétiques, qu'ils soient électriques, thermiques ou à combustible, et de fournir une plateforme qui intègre tous ces systèmes dans un banc d'essai unifié.

Comment les alimentations DC programmables sont-elles utilisées pour atteindre cet objectif ?
Les alimentations DC programmables sont utilisées comme simulateurs photovoltaïques (PV). L'un des grands atouts de l'ESIF est que nous avons la capacité de tester des onduleurs PV à l'échelle commerciale et industrielle (c'est-à-dire 100 kW, 1 MW, etc.) ici. Nous disposons d'un simulateur de réseau AC de 1 MW qui nous permet d'imposer des conditions anormales de tension et de fréquence sur l'onduleur PV pour observer sa réponse, ce qui n'est pas une capacité courante dans un établissement d'essai public. Par conséquent, les fabricants d'onduleurs sont intéressés à apporter leurs onduleurs ici pour les tester. En complément de la connexion au simulateur de réseau AC, nous avons également besoin d'une capacité de simulation PV en courant continu. Comme nous ne disposons pas de réseaux PV de 1 MW, nous devons pouvoir générer cette entrée. De plus, même si nous avions un réseau disponible, les simulateurs PV sont appréciés car ils peuvent produire des résultats reproductibles et ne dépendent pas des conditions ambiantes.

Les alimentations DC programmables bidirectionnelles peuvent également être utilisées pour simuler un banc de batteries. Si nous voulons tester un grand onduleur UPS ou un autre onduleur connecté à des batteries, nous ne disposons pas forcément d'une batterie de cette taille, mais nous pourrions tout de même tester l'onduleur avec un simulateur de batterie.

Quand le système de simulateur PV du NREL a-t-il été mis en service et a-t-il commencé à tester des onduleurs ?
Nous avons effectué une vérification de disponibilité en avril 2013 et nous avons commencé à tester des onduleurs en mai 2013. Du côté de la simulation PV, nous avons commencé avec 1 MW de Magna-Power.

Quels ont été certains des critères de sélection clés lorsque vous évaluiez les différents types d'alimentations et d'émulateurs PV à cette échelle ?
La puissance et les tensions nominales. La bande passante. Le coût. La tension d'isolation. La bidirectionnalité. La modularité. Les entrées analogiques externes et leur type (tension/courant vs. irradiance/température, chacun ayant ses propres avantages selon l'application). La sophistication du logiciel. Le nombre de points émulés sur une courbe PV. L'interpolation entre les courbes successives. La rapidité de mise à jour des courbes par le simulateur PV. La capacité à simuler des courbes multi-diodes/multi-bosses.

Quelles sont certaines des fonctionnalités clés du logiciel PPPE (Photovoltaic Power Profile Emulation) qui ont simplifié vos essais ?
Nous apprécions la possibilité de saisir manuellement un réseau ou de le définir par le point de puissance maximale, la tension en circuit ouvert et les paramètres de court-circuit. Nous n'avons pas encore utilisé le modèle détaillé fourni, dans lequel on entre la température et l'irradiance, mais nous apprécions certainement les deux autres modes.

Qu'est-ce qui, dans votre application, nécessitait l'option d'isolation élevée (+ISO) ?
Nous voulons fonctionner à ±2000 Vdc, soit flottant soit mis à la terre, il y a donc une possibilité que nous dépassions l'isolation de sortie de la configuration standard. Nous voulions absolument la tension d'isolation de sortie la plus élevée disponible ; c'était également un facteur décisif.

Prévoyez-vous d'exploiter les E/S analogiques-numériques pour votre propre contrôleur ?
Oui, nous l'avons déjà fait. Nous avons utilisé un système Opal-RT en temps réel avec notre propre modèle PV pour la simulation. J'ai été assez surprise que cela fonctionne aussi bien, car nous ne faisions fonctionner qu'un onduleur de 5 kW avec cette alimentation massive.

Quelles fonctionnalités intégrées du système Magna-Power ont assuré la sécurité dans cette application ?
Absolument l'entrée d'arrêt d'urgence [Interlock] — essentielle.

Le système Magna-Power est construit avec des modules de 250 kW. Utilisez-vous cette modularité pour reconfigurer le système ?
La modularité était essentielle car nous pourrions vouloir tester un onduleur de 1,5 MW, trois onduleurs différents de 500 kW, six onduleurs de 250 kW. Vous pouvez imaginer que, en tant qu'Energy Systems Integration Facility, nous voulons tester des équipements à source unique, mais aussi quel est l'effet de plusieurs sources d'équipements sur la plateforme.

Mariko Shirazi occupe actuellement le poste d'ingénieure principale REDB pour l'Energy Systems Integration Facility (ESIF) du NREL. Le REDB (Research Electrical Distribution Bus) est l'épine dorsale de l'infrastructure d'essai des systèmes électriques de l'ESIF. Dans son rôle d'ingénieure principale REDB, Mari est responsable de la pertinence continue, des performances et du fonctionnement sûr des équipements électriques de recherche critiques connectés au REDB. Du côté de la recherche, Mari se concentre sur l'électronique de puissance et le développement de commandes de micro-réseaux. Mari a obtenu un B.S. en génie mécanique de l'University of Alaska, Fairbanks, ainsi qu'un Master et un Ph.D. en génie électrique de l'University of Colorado à Boulder.