99 Volume 54, Number 2, 2013 Influence de l’IPFC sur le calcul de l’écoulement des puissances D. HAMZA ZERIGAT, A. ALLALI, L. BENASLA et M.A. LARBI CHAHT Résumé – L'expansion continuelle des réseaux de transport d'énergie montre les limites des capacités de transit des systèmes existants. Les gestionnaires de réseaux sont contraints d'exploiter le système au plus près de ses limites thermiques et dynamiques, alors que les consommateurs sont de plus en plus exigeants quant à la qualité de l'énergie et la continuité de service. L'amélioration de la qualité de l'énergie, l'augmentation de la capacité de l'énergie transitée et le contrôle des réseaux existants peuvent être obtenus grâce à la mise en place de nouvelles technologies. Les FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) à base d'électronique de puissance apportent des solutions dynamiques, efficaces et prouvées à la conduite des réseaux. Certaines lignes situées sur des chemins privilégiés peuvent être surchargées. Dès lors, il est intéressant pour le gestionnaire du réseau de contrôler ces transits de puissance afin d'exploiter le réseau de manière plus efficace et plus sûre. La technologie FACTS est un moyen permettant de remplir cette fonction. Avec leur aptitude à modifier l'impédance apparente des lignes, les dispositifs FACTS peuvent être utilisés aussi bien pour le contrôle de la puissance active que pour celui de la puissance réactive ou de la tension. Plusieurs types de FACTS existent et le choix du dispositif approprié dépend des objectifs à atteindre. Dans cet article, nous avons choisi d'étudier l’IPFC (Interline Power Flow Controller) comme dispositif FACTS pour contrôler et améliorer la tension et le transit des puissances dans le réseau électrique IEEE-30 nœuds. Mots clés – FACTS, IPFC, système électro-énergétique et écoulement de puissance. 1. INTRODUCTION Dans un système électro-énergétique idéal, la tension et la fréquence dans les différents points de distribution doivent être constantes, ne présentant que la composante fondamentale (taux d'harmoniques nul) et avec un facteur de puissance unité. En particulier, ces paramètres doivent être indépendants de la taille et des caractéristiques des charges de consommation, cela ne peut être mis en œuvre que si ces charges sont munies de compensateurs d'énergie réactive pour désensibiliser le réseau des éventuels changements qui peuvent apparaître dans les points de distributions. Le développement des dispositifs FACTS ouvre de nouvelles perspectives pour une meilleure exploitation des réseaux par leur action continue et rapide sur les différents paramètres du réseau. [1] Ils jouent un rôle important dans le contrôle des transits de puissance et dans le maintien de conditions d'exploitation sûres du réseau de transport. Dans cet article, nous allons étudier un système de transmission AC associé à un IPFC. La conception, l’identification des références et les blocs de commande de base de l’IPFC seront exposés. Les résultats des simulations sont obtenus en appliquant le MATLAB. 2. MODELISATION DE L’IPFC Le contrôleur de transit de puissance entre ligne IPFC est utilisé dans le cas d'un système de lignes multiples reliées à un même poste. Son principe est illustré par la figure 1. L'IPFC est formé de plusieurs Compensateurs Séries Synchrones (SSSC), chacun d'eux fournissant une compensation série à une ligne différente. Du coté continu, tous les convertisseurs sont reliés entre eux via des disjoncteurs. [2] Fig. 1. Schéma de base d’un IPFC. L'IPFC permet de transférer la puissance active entre les lignes compensées pour égaliser les transits de puissances active et réactive sur les lignes ou pour décharger une ligne surchargée vers une autre moins chargée. Manuscript received January 10, 2013. © 2013 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved. 100 ACTA ELECTROTEHNICA Les tensions injectées possèdent une composante en quadrature et une composante en phase avec les courants respectifs des lignes. La composante en quadrature permet une compensation série indépendante dans chaque ligne, alors que la composante en phase définit le niveau de puissance active échangée avec les autres lignes [3]. Sous sa forme générale le contrôleur de transit de puissance entre lignes utilise un certain nombre de convertisseurs CC à CA. Chacun compense en série une ligne comme il est illustré par la Figure 2. Nous pouvons constater que l'envoi-extrémités des deux lignes de transmission sont connectés en série respectivement avec les nœuds j et k, du FACTS. [5] Le transit de puissance active et réactive de système FACTS qui quitte les nœuds i, j, k est donné par: Pin Vi 2 .gin Vi .Vn ( gin .cos(in ) bin .sin(in )) Vi .Vsein ( gin .cos(i sein ) bin .sin(i sein )) Qin Vi 2 .gin Vi .Vn ( gin .sin(in ) gin .cos(in )) (1) (2) Vi .Vsein ( gin .sin(i sein ) bin .cos(i sein )) Pni Vn2 .gin Vi .Vn ( gin .cos(n i ) bin .sin(n i )) Vn .Vsein ( gin .cos(n sein ) bin .sin(n sein )) (3) Qni Vn2 .gin Vi .Vn ( gin .cos(n i ) bin .sin(n i )) Vn .Vsein ( gin .cos(n sein ) bin .sin(n sein )) (4) Avec : Pin, Qin (n=j, k) : Puissances active et réactive des deux branches de l’IPFC sortantes du nœud i. Pni, Qni (n=j, k) : Puissance active et réactive de branche de l’IPFC sortantes du nœud n (n=j, k). gin Re 1/ Z sein Fig. 2. Représentation schématique d'IPFC. L’IPFC est conçu comme un contrôleur de transit de puissance avec deux compensateurs synchrones statiques indépendamment contrôlables ou plus en série qui sont les convertisseurs à semi-conducteur de source de tension injectant une tension presque sinusoïdale à la grandeur variable et sont liés par l'intermédiaire d'un condensateur commun de courant continu. L’IPFC est constitué de deux compensateurs série synchrone SSSC, le SSSC est utilisé pour augmenter la puissance active transmissible sur une ligne donnée et pour équilibrer le chargement d'un réseau de transmission et pour augmenter ou de diminuer la chute de tension. Le principe de fonctionnement de base de l’IPFC est illustré par le figure 3 [4]. bin Im 1/ Z sein Lorsque deux lignes de transmission sont connectées en série avec les branches i-j et i-k de l’IPFC par les nœuds j et k, les transits de puissance active et réactive (Pni et Qni) sont égaux au bout des lignes de transmission. Pour l’IPFC, la puissance au nœud i, j et k doit être: Pm Pgm Pdm Pm 0 (5) Qm Qgm Qdm Qm 0 - (6) Avec: Pgm, Qgm (m=i, j, k): les puissances active et réactive générés entrantes dans le nœud m. Pdm, Qdm (m=i, j, k): les puissances active et réactive de la charge sortantes du nœud m. Pm, Qm (m=i, j, k): la somme des puissances active et réactive transitées des circuits connectés au nœud m. Selon le principe de fonctionnement de l’IPFC, la contrainte d'exploitation, représentant l'échange de puissance active entre les convertisseurs séries via la liaison courant continu commun est la suivante: PEx PEsein Pdc 0 Fig. 3. Circuit équivalent d'IPFC. L’IPFC est composé de deux convertisseurs étant connectés en série avec deux lignes de transmission au moyen de transformateurs. Il peut contrôler trois grandeurs du système d'alimentation indépendamment des trois transits d'énergie des deux lignes. -∑ - (7) Avec: ( ) (n= j, k). (n=j,k) : est le courant continu de convertisseur série. L’IPFC peut contrôler à la fois les transits de puissances active et réactive de la première ligne, mais Volume 54, Number 2, 2013 uniquement le transit de puissance active (ou de puissance réactive) de la deuxième ligne. Les contraintes de contrôle de transite de puissance active et réactive du l’IPFC sont [6] : Pni Pni PniSpec 0 - 101 SB=100 MVA UB=400 kV La figure 4 illustre l’influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance active de la ligne 27-30. (8) Qni Qni Q Spec ni 0 - (9) Avec: (n =j, k) : Les puissances PniSpec , QniSpec active et réactive de références de commande. ( ) ( ) Et Les contraintes de chaque convertisseur série sont les suivantes: 0 sein 2 Vsein min Vsein Vsein (10) max (11) PEsein min PEsein PEsein max - (12) Iin Iin max Fig. 4. Influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance active de la ligne 27-30. Influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance réactive de la ligne 27-30 est représenté sur la figure 5. n=j,k (13) Avec: I inmax 3. : est la limite maximale de l'échange de puissance du convertisseur série avec la liaison à courant continu. : est le courant nominal du convertisseur série. RESULTATS DES SIMULATIONS Dans cet article, nous allons procéder à l’implantation du dispositif IPFC dans le réseau électrique IEEE30 nœuds et voir son influence sur le niveau de tension et sur les pertes actives et réactives. Par conséquent, nous devons prendre en considération le choix de l’emplacement optimal offrant le meilleur rendement. Le réseau IEEE30 nœuds contient 6 nœuds générateurs avec le nœud 1 est considéré comme un nœud bilan [7]. La minimisation des pertes totales et la maximisation de la marge statique de tension ont été les principales fonctions objectives à optimiser. Un programme dans MATLAB a été écrit afin de prolonger l'algorithme conventionnel de NewtonRaphson basé sur ce modèle. Limite des tensions nodales : Vmax (pu)=1.07; Vmin (pu)=0.93 La somme des charges : C = ∑ Pch = 286.7MW D = ∑ Qch =150.4Mvar Tous les calculs sont menés sur les grandeurs normalisées en "pu" avec les valeurs de base suivante: Fig. 5. Influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance réactive de la ligne 27-30. La figure 6 montre l’influence des paramètres du l’IPFC sur les pertes active de la ligne 27-30. Fig. 6. Influence des paramètres du l’IPFC sur les pertes active de la ligne 27-30. 102 ACTA ELECTROTEHNICA Influence des paramètres du l’IPFC sur les pertes réactive de la ligne 27-30 est représenté sur la figure 7. D’après les résultats de simulation (sans et avec IPFC), nous avons constaté que le compensateur IPFC a un effet apparent sur les tensions nodales du réseau et sur les pertes totales des lignes c'est-à-dire sur le transit de puissances. Le flux de puissance et les pertes actives et réactives pour les lignes 27-30 et 29-30 peuvent être contrôlés en utilisant les paramètres de l’IPFC (Vse et θse). Nous avons remarqué qu’il y a une amélioration globale sur la plus part des tensions nodales et une diminution au niveau des pertes totales actives et réactives. 4. Fig. 7. Influence des paramètres du l’IPFC sur les pertes réactive de la ligne 27-30. La figure 8 montre l’influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance active de la ligne 29-30. CONCLUSION Nous avons choisi d'étudier l’IPFC comme dispositif FACTS pour contrôler et améliorer la tension et le transit des puissances dans un réseau électrique. Les résultats de simulation ont montré la contribution efficace de l’IPFC à l’amélioration des tensions au nœud où les convertisseurs de l’IPFC sont connectés et au changement significatif dans le profil de tension du système aux nœuds voisins. L’IPFC permet aussi la réduction des pertes actives et réactives dans les lignes. REFERENCES 1. 2. 3. Fig. 8. Influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance active de la ligne 29-30. La figure 9 illustre l’influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance réactive de la ligne 2930. 4. 5. 6. 7. HECKMANN Bruno, Modèle de commande d’un élément FACTS relié à un générateur synchrone, Département de génie électrique et de génie informatique. Ecole Polytechnique de Montréal. Septembre 2000. HAIMOUR Rachida, Contrôle des puissances réactives et des tensions par les dispositifs FACTS dans un réseau électrique, Thèse de Magister en génie électrique d’Ecole Normale Supérieure de l’Enseignement Technologique d’Oran, 2008/2009. P. BORNARD, M. PAVARD, Réseaux d’interconnexion et de transport : réglage et fonctionnement, Technique de l’ingénieur D 4090, pp 1-23. Hingorani NG, GYUGYI. L, Understanding FACTS – concepts and technology of flexible ac transmission systems. New York: IEEE Press. (2000) Amir Kahyaei, Analysis of Interline power Flow Controller (IPFC) Location in Power Transmission systems, Department of Engineering, Islamic Azad University, Shoushtar, Iran.2011 BOT Youcef, Influence des FACTS sur le calcul de l’écoulement des puissances en utilisant un IPFC, Thèse de Magister en génie électrique d’USTO, 2010/2011. Y. Wallach, Calculations and programs for power systems network, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1986. D. HAMZA ZERIGAT A. ALLALI L. BENASLA M.A. LARBI CHAHT Fig. 9. Influence des paramètres du l’IPFC sur le flux de puissance réactive de la ligne 29-30. Université des Sciences et de la Technologie d’ORAN –Mohamed BoudiafFaculté de Génie Electrique Département d’Electrotechnique U.S.T.O, B.P 1505, Oran El M’naouer Oran, Algérie Tel/fax : +213 41 56 03 01 E-mail: [email protected]; [email protected] [email protected] [email protected]