Les onduleurs grid-forming, nouvelle brique des réseaux électriques

La transition énergétique ne transforme pas seulement les sources de production d’électricité. Elle modifie aussi la manière dont les réseaux électriques sont stabilisés et opérés. L’intégration massive des énergies renouvelables, en particulier du solaire et de l’éolien, introduit une rupture fondamentale : la disparition progressive des machines synchrones traditionnelles, longtemps responsables de la stabilité du système.

Dans les réseaux classiques, cette stabilité repose en grande partie sur l’inertie mécanique des centrales thermiques ou nucléaires. Les énormes turbines en rotation agissent comme des “volants d’inertie” capables d’amortir les variations brusques de fréquence. Mais avec la montée en puissance des sources renouvelables couplées via l’électronique de puissance, cette inertie naturelle diminue. Le système devient plus sensible, plus rapide, mais aussi plus instable face aux déséquilibres. C’est dans ce contexte qu’émergent les onduleurs dits grid-forming (formateurs de réseau), une évolution majeure de l’électronique de puissance.

La majorité des onduleurs utilisés aujourd’hui sont dits grid-following. Ils fonctionnent par synchronisation sur le réseau existant en mesurant sa tension et sa fréquence, puis injectent de l’électricité en s’y adaptant. Autrement dit, ils suivent un signal déjà établi.

Les onduleurs grid-forming, au contraire, inversent cette logique. Ils sont capables de générer eux-mêmes une référence de tension et de fréquence, et donc de contribuer activement à la formation du réseau. L’un de leurs apports clés réside dans leur capacité à fournir une inertie dite « virtuelle » ou « synthétique ». Contrairement à l’inertie mécanique des turbines, celle-ci est simulée par des algorithmes capables de réagir quasi instantanément aux variations de fréquence. « Concrètement, ils ne se contentent plus de suivre un signal : ils sont capables de recréer eux-mêmes une consigne de tension et de fréquence. Cette capacité change profondément leur rôle : ils ne sont plus de simples convertisseurs, mais des composants de stabilisation du réseau », souligne Vincent Mathely, Directeur de la division Large Scale de SMA France, filiale du groupe allemand SMA Solar Technology, spécialisé dans les solutions de conversion de l’énergie électrique.

Cette capacité devient essentielle en cas de perturbation majeure ou de risque de blackout, lorsque la référence réseau n’est plus fiable. « Déjà utilisées dans des micro-réseaux, ces technologies se généralisent aujourd’hui à grande échelle grâce aux progrès de l’électronique de puissance », poursuit Vincent Mathely.

Les nouvelles générations d’onduleurs développées par la société allemande intègrent par exemple des transistors en carbure de silicium, qui améliorent le rendement et la résistance aux cycles thermiques, permettant ainsi une exploitation plus intensive des batteries. L’entreprise développe également des solutions modulaires comme Sunny Central Flex, conçues pour combiner différentes fonctions au sein d’un même système : production photovoltaïque, stockage et alimentation d’électrolyseurs. L’objectif est de permettre aux exploitants de multiplier les sources de revenus dans un contexte de forte volatilité des marchés de l’électricité, marqué notamment par l’apparition de prix négatifs dans certaines régions comme les États-Unis, l’Australie ou le Chili.

Ces technologies ouvrent aussi la voie à des fonctionnalités avancées, comme le « black start », qui permet de redémarrer un réseau électrique à partir de zéro grâce à des batteries capables de recréer une tension de référence, ou encore l’injection de courant de court-circuit pour renforcer la stabilité du réseau. Le développement du couplage en courant continu (DC coupling) permet par ailleurs d’optimiser les rendements en évitant certaines conversions intermédiaires.

Sur le plan réglementaire, les cadres évoluent progressivement en Europe. En France, des travaux sont menés par Enedis et RTE pour intégrer ces nouveaux services, sous l’impulsion de directives européennes. Toutefois, le besoin reste encore limité en métropole en raison de la forte inertie apportée par le parc nucléaire exploité notamment par EDF. Des projets pilotes existent néanmoins, comme ceux menés avec Neoen.

À l’inverse, d’autres pays comme l’Allemagne commencent à valoriser économiquement la fourniture d’inertie. Le Royaume-Uni fait aussi figure de précurseur : le pays a par exemple été l’un des premiers à mettre en place des mécanismes de rémunération explicite des services de stabilité, y compris l’inertie, avec des mécanismes de rémunération des services système sur le long terme.

Le projet Blackhillock en Écosse illustre cette évolution. Il s’inscrit dans le cadre du programme « Stability Pathfinder », lancé par l’opérateur de réseau britannique afin de répondre aux défis croissants liés à la stabilité du système électrique. Sa particularité repose sur l’utilisation d’onduleurs formateurs de réseau, capables de stabiliser les creux de tension et les déséquilibres de phase, facilitant ainsi l’intégration des énergies renouvelables, notamment l’éolien offshore. Dans ce cadre, SMA a ainsi fourni 62 Medium Voltage Power Stations équipées d’onduleurs de formation de réseau de pointe. Ces onduleurs fournissent 370 MWs d’inertie pour renforcer la résilience du réseau et 116 MVA de puissance de court-circuit.

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