Convertisseurs moyenne tension : alternative rentable aux transformateurs de réseau

Électronique de puissance INSIDER

Les convertisseurs moyenne tension pourraient offrir un moyen plus abordable et efficace d'acheminer l'électricité des centrales électriques vers les foyers et les entreprises. Le nouveau banc de test du NREL pourrait aider à faire progresser ces technologies prometteuses. (Image : Josh Bauer, NREL)

Défi du réseau électrique américain

Pour électrifier tout, des véhicules aux systèmes de chauffage en passant par les cuisinières, le réseau américain doit s'étendre d'environ 57 % et devenir plus flexible aussi. L'énergie solaire et éolienne sont les énergies renouvelables les plus susceptibles de dominer un futur réseau d'énergie propre. Mais elles se trouvent principalement dans des zones reculées, loin des centres qui ont besoin de leur énergie, ce qui pèse sur le système de transport.

Au cours des quatre dernières années, l'équipe du NREL a construit un banc de test pour étudier les convertisseurs moyenne tension (1 kV à 35 kV) dos à dos, qui pourraient remplacer les transformateurs moyenne tension à une fraction du poids et du coût.

« C'est un nouveau type d'équipement qui ouvre une toute nouvelle façon pour un service public de gérer leurs systèmes de distribution », a déclaré Barry Mather, chercheur au NREL. « Des niveaux beaucoup plus élevés de ressources énergétiques distribuées pourraient être mis sur un circuit si vous aviez cet appareil supplémentaire dans le système. »

« Le réseau américain est un peu unique », a dit Mather. « Nous avons une distribution moyenne tension qui se termine assez près de nos clients. » Les lignes de distribution moyenne tension apportent l'énergie à un transformateur local qui la réduit aux niveaux standards domestiques de 208/120 volts.

Redirection automatique de l'énergie

Disons qu'une branche d'arbre tombe sur une ligne électrique, coupant l'électricité dans un quartier. Aujourd'hui, un travailleur du service public peut ouvrir et fermer des interrupteurs dans un transformateur pour déplacer l'énergie d'une ligne proche vers la ligne perturbée et restaurer au moins une partie de l'énergie pendant que les travailleurs enlèvent l'arbre. Mais si nous pouvons remplacer un transformateur par un convertisseur dos à dos, l'énergie pourrait être redirigée automatiquement, réduisant les temps de panne.

Le partage d'énergie n'est pas seulement bénéfique en cas d'urgence. Beaucoup de panneaux solaires sur les toits d'aujourd'hui doivent d'abord convertir leur énergie en basses tensions, puis en moyenne tension. Avec les convertisseurs moyenne tension, cette énergie peut sauter une étape inutile.

« C'est une sorte d'arbitrage d'énergie à travers le système de distribution », a dit Mather. « Cela vous permet d'atténuer beaucoup des impacts des ressources distribuées, spécifiquement le solaire. »

En bref, les convertisseurs moyenne tension pourraient aider les services publics à contrôler en toute sécurité comment et où l'électricité circule à travers les réseaux locaux. Et cela pourrait aider à rendre un futur réseau d'énergie propre à la fois résilient et fiable.

Tests et développement

Les convertisseurs moyenne tension sont encore une technologie relativement nouvelle. Cela signifie qu'ils doivent subir des tests approfondis pour s'assurer qu'ils sont efficaces, abordables et assez sûrs pour être introduits dans le réseau électrique américain.

Mais il n'est pas facile de les construire ou de les étudier. « La liste de contrôle pour les procédures de démarrage, d'exploitation et d'arrêt a dû être écrite et réécrite », a déclaré Ramanathan Thiagarajan, ingénieur de recherche au NREL.

Pour le banc de test du NREL, l'équipe a construit une réplique du type de système d'énergie qui pourrait bénéficier de leurs convertisseurs moyenne tension. La sécurité — pour l'équipe mais aussi le prototype — était la priorité absolue de l'équipe. Tout le banc de test, qui occupe un espace d'environ la taille d'un bus urbain, est enfermé dans une clôture noire.

Les partenaires académiques de l'équipe ont construit un prototype : un convertisseur de puissance à base de carbure de silicium de 10 kilovolts conçu pour fonctionner dos à dos avec son jumeau. Quand les chercheurs étaient prêts à brancher le prototype dans leur réplique de réseau, ils ont augmenté la tension petit à petit jusqu'à atteindre la gamme moyenne tension. Le prototype était trop précieux (et coûteux) pour risquer de l'endommager avec une surtension.

« Nous sommes montés jusqu'à la gamme de 5 kilovolts », a dit Mather. « Ce n'est pas un nombre massif, mais c'est plus haut que quiconque d'autre n'a opéré. »

Ensuite, ils prévoient d'ouvrir leur banc de test à plus de recherches sur la façon dont les dispositifs moyenne tension pourraient aider le réseau à s'adapter ou à compter sur l'hydrogène comme une autre source d'énergie propre. L'équipe du NREL espère aussi atteindre des tensions encore plus élevées dans une installation entièrement nouvelle. « La conversion de puissance moyenne tension en général semble voir son jour arriver rapidement », a dit Mather. « Nous allons voir de plus en plus d'applications et de plus en plus de gens intéressés par cela. »

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