Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Master ASE Parcours GR2E Modélisation de Réseau Modélisation de Réseau Compte Rendu du Bureau d’étude 1 Plan de tension et Black–Out Réalisé par : TRAORE Sekou MELOUANE Abir Année universitaire 2023-2024 Page | 1 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Introduction : Dans le cadre de ce TP, nous explorerons l'univers du logiciel de simulation Power World. Ce dernier offre une plateforme avancée permettant de modéliser, simuler et analyser des systèmes de puissance électrique avec une grande précision. Notre objectif principal est de maîtriser cet outil de simulation afin de mieux comprendre et optimiser les réseaux électriques. Au cours de ce Bureau d’étude, nous nous attacherons à plusieurs aspects essentiels du domaine électrique, notamment la compréhension du principe de réglage d'un plan de tension. De plus, nous explorerons en détail les paramètres qui limitent la puissance transmissible au sein d'un réseau électrique, une connaissance cruciale pour garantir un fonctionnement stable et efficace du système. Prise en main du logiciel : Le réseau a simulé est compose de deux générateurs et une charge. Les distances entre chaque point du réseau sont indiquées sur le descriptif du réseau. Figure 1 : Synoptique du réseau Principe de Réglage : Le logiciel power world fonctionne à une fréquence constante, la simulation se fait en régime permanent, il y a pas de transitoire et il nous donne la valeur efficace des grandeurs. On suppose par ailleurs le régime alternatif sinusoïdal, on est en droit alors de définir les puissances réactives et les impédances. Le jeu de barres le plus « puissant » est généralement pris comme la référence des angles et du plan de tension. Pour le logiciel, cette référence est signalée par « slack ». La tension du « slack » est donc figée à 1 pu, Dans notre cas nous choisirons les jeu de barres de gauche comme le « slack», Comme c'est le cas en réalité, les alternateurs sont régulés selon deux principes de base : – la régulation de tension (AVR pour Automatique Voltage Regulation) – la régulation en puissance (AGC pour Automatic Generation Control) Page | 2 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Simulation d’une seule ligne : Dans la première partie de notre étude, nous avons déconnecté l'alternateur de droite pour effectuer des ajustements de la puissance active et réactive. Ces modifications nous ont permis de déterminer la puissance maximale que la ligne peut transmettre (Pmax = 500MW). Ensuite, nous avons comparé cette valeur avec celle théorique pour valider nos résultats. 𝑍𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 2 345² = = = 1190,25 Ω 𝑆𝑟𝑒𝑓 100 𝑋12 = 0,6 ∗ 200 = 120 Ω | 𝑍12𝑝𝑢 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑋12 𝑍𝑟𝑒𝑓 = 120 1190,25 = 0,1 𝑝𝑢 𝑉² 345² = = 495,94 Ω 2∗𝑋 2 ∗ 120 Théoriquement, nous avons calculé que la puissance maximale (Pmax) transmissible dans la ligne est de 495 MW. Nos résultats pratiques confirment cette estimation, avec une valeur mesurée de 500 MW. Cette observation souligne l'importance cruciale de respecter cette limite, car tout dépassement de cette puissance maximale pourrait entraîner un blackout (figure 1), mettant en évidence la nécessité de maintenir une exploitation stable du système électrique. Figure 2 : Black-Out à 500MW Dans une démarche d'exploration plus approfondie, nous avons reproduit la procédure en fixant la puissance réactive consommée à 100MVAR. Cette étape nous a permis de déterminer la puissance maximale transmissible dans la ligne tout en maintenant une puissance réactive constante. Nous avons également répété cette procédure en fixant la puissance réactive fournie à 100MVAR, évaluant ainsi l'impact sur la capacité de la ligne. Ces nouvelles séries d'expérimentations apporteront des informations essentielles pour mieux comprendre la stabilité du système électrique sous diverses conditions opérationnelles. Page | 3 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Figure 3 : Black-Out 100MAVR Il est clair que la ligne électrique présente une consommation de puissance réactive, ce qui souligne la nécessité de fournir cette puissance pour renforcer la stabilité du réseau. En réalité, cette action équivaut à une compensation visant à maintenir l'équilibre entre la puissance active et réactive. Une telle compensation est cruciale, car en augmentant la puissance réactive fournie, nous nous éloignons du point d'instabilité potentiel lorsque de la puissance active est consommée. Cette approche s'avère particulièrement efficace pour stabiliser le réseau électrique en assurant que la demande en puissance réactive soit satisfaite, ce qui contribue à maintenir des conditions de fonctionnement fiables et sécurisées. Mise en place d’une seconde ligne : Dans la deuxième partie de notre étude, nous avons réalisé les étapes suivantes : Le générateur connecté au point de référence (slack) a été soumis à une régulation en tension et en puissance, garantissant ainsi une tension constante au jeu de barre de référence. Dans ces conditions, il n'est pas possible pour l'utilisateur de commander directement la puissance de sortie de ce générateur. Avant de connecter l'alternateur de droite, nous avons préalablement fixé la puissance active consommée à 200 MW et la puissance réactive à 0 VAR. Pour cet alternateur de droite, nous avons positionné le régulateur de tension automatique (AVR) sur OFF, puis procédé à sa connexion. Page | 4 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Figure 4 : Alternateur de droite avec P = 200MW et Q = 0MVAR • En agissant sur les puissances fournies par l’alternateur de droite, ont amené la tension 1 Pu et 0 deg sur le jeu de barre 3. Figure 5 : Jeux de barre 3 avec 1 pu et 0 deg Dans cette simulation, nous avons observé plusieurs phénomènes significatifs. Tout d'abord, en ajustant la puissance réactive, nous avons constaté que cela affecte principalement la tension du système, tandis que la variation de la puissance active influe davantage sur l'angle de déphasage. Cette distinction est essentielle pour comprendre la régulation de la tension et le contrôle du transit de puissance dans un réseau électrique. La simulation nous a permis d'atteindre une tension de 1 puissance nominale avec un angle de déphasage de 0 degré sur le jeu de barre 3 en fixant Q à 10 MVAR et P à 100 MW. Cette correspondance avec les formules classiques de la puissance active (P) et réactive (Q), telles que 𝑃 = 𝑉1 .𝑉2 𝑋 . 𝑆𝑖𝑛𝛿 et 𝑄 = (𝑉1 −𝑉2 )² 𝑋 , est un indicateur que le système suit les principes fondamentaux. En outre, nous avons noté que la tension dépend principalement de l'alternateur dans cette configuration, soulignant l'importance de la régulation de tension propre à chaque générateur pour maintenir la stabilité du réseau. Enfin, il est tout à fait normal que la tension à la fin de la ligne soit légèrement inférieure à 1 pu, car la fourniture de puissance réactive est nécessaire pour garantir la stabilité du réseau, ce qui peut entraîner une légère chute de tension. Cette observation met en évidence la complexité de la régulation de la tension et de la puissance dans un réseau électrique, Page | 5 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux démontrant son rôle vital dans la préservation d'un fonctionnement optimal et sûr du système. • Ramenons les puissances fournies par l’alternateur de droite à zéro et plaçons AVR sur ON. Figure 6 : AVR ON Dans l'observation de cette phase de notre étude, nous avons remarqué un changement significatif dans le comportement du système. Lorsque nous avons réactivé le régulateur de tension automatique (AVR) et réduit les puissances fournies par l'alternateur de droite à zéro, il est devenu évident que la puissance réactive n'était plus modifiable de manière indépendante. L'AVR a pris en charge la régulation de la tension, maintenant la tension à un niveau stable. En conséquence, toute modification de la puissance réactive en sortie a eu un impact simultané sur l'angle de déphasage à la fois en sortie du générateur et au niveau du jeu de barre 3. Il en ressort que la puissance active et réactive sont interdépendantes dans un réseau électrique, et les variations de puissance réactive influencent directement le déphasage de la tension. Cette observation souligne l'importance de la régulation de la tension et de la compréhension des interactions entre la puissance active et réactive dans un réseau électrique. L'activation de l'AVR garantit une tension stable, essentielle pour un fonctionnement sûr du système, tout en soulignant la nécessité d'une coordination efficace entre ces paramètres pour maintenir la stabilité du réseau électrique, en particulier lors de charges variables et de changements opérationnels. • Ramenons la tension du jeu de barres à 1 pu : Pour ramener la tension à 1 pu, on agit sur la puissance active, en la diminuant, pour influencer le niveau de tension dans le réseau électrique. La variation de la puissance active a un effet direct sur l'angle de déphasage de la tension, ce qui, à son tour, impacte la tension globale du jeu de barres. En réduisant la puissance active, nous favorisons une augmentation de la tension à 1 pu, tout en maintenant un équilibre approprié avec la puissance réactive fournie par le régulateur de tension automatique (AVR). Ainsi, en ajustant la puissance active pour rétablir la tension nominale, l'AVR complète ce processus en maintenant la tension à un niveau stable en ajustant la puissance réactive fournie. Cette coordination entre la puissance active et réactive est cruciale pour garantir la stabilité du réseau électrique. La diminution de la puissance active entraîne également une Page | 6 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux diminution de l'angle de déphasage, ce qui incite l'AVR à augmenter la puissance réactive pour maintenir l'équilibre requis, assurant ainsi une tension stable dans l'ensemble du réseau électrique. • Maintenant nous agissons sur la puissance consommée par la charge, Le générateur de droite est toujours en AVR sur ON. Figure 7 : Nous agissons sur P consommée par la charge et G3 toujours en AVR ON Dans ces conditions nous observons que la puissance active évolue alors que la puissance réactive diminue. Réglage du réseau : On souhaite régler 2 points de fonctionnement. Le premier est optimal dans le sens où les deux alternateurs fournissent les mêmes puissances actives et réactives. Le second est extrême. Toute la puissance active est fournie par l’alternateur de gauche et toute la puissance réactive par l’alternateur de droite. ➢ Point de Fonctionnement Optimal : Dans ce cas, le plan de tension est caractérisé par une distribution équilibrée des tensions dans le réseau. Les tensions sur l'ensemble du réseau électrique sont maintenues à un niveau stable et équilibré, avec des angles de phase ajustés de manière à ce que les tensions atteignent leur maximum (crête) simultanément. Cela garantit que la puissance active est partagée de manière égale entre les deux alternateurs, contribuant ainsi à l'efficacité et à la stabilité du réseau. De plus, les tensions et les fréquences des alternateurs sont alignées pour assurer une performance cohérente dans tout le réseau. ➢ Point de Fonctionnement Extrême : Dans ce scénario, le plan de tension est caractérisé par une distribution déséquilibrée des tensions. L'alternateur de gauche est réglé de manière à maintenir une tension stable, tandis que l'alternateur de droite est ajusté pour maximiser la puissance réactive fournie. En conséquence, les tensions et les angles de phase entre les deux alternateurs diffèrent considérablement. L'objectif ici est de s'assurer que l'alternateur de gauche fournit toute la Page | 7 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux puissance active nécessaire, tandis que l'alternateur de droite fournit toute la puissance réactive requise. Cette configuration permet de répondre à des besoins spécifiques de puissance tout en maintenant la stabilité globale du réseau, bien que le plan de tension soit déséquilibré en raison de la répartition inégale des tâches entre les deux alternateurs. Evolution du réseau : Le même réseau est maillé en ajoutant une ligne entre les jeux de barres 1 et 3. On garde G1=200MW et G3=100MW. • Installation d’une ligne entre le jeux de barre 1 et 3. Figure 8 : Le réseau maillé avec une ligne entre jeux de barre 1 et 3 • La simulation nécessite d’entrer les paramètres en p.u de la ligne. Sachant que les impédances des lignes valent X = 0,6 Ω/km, la puissance de base Sbase = 100MVA, la distance entre le jeux de barre 1 et 3 est de l = 300 Km. On calcul les paramètres de la ligne : 𝒁𝒓𝒆𝒇 = 𝑽𝒓𝒆𝒇 ² (𝟑𝟒𝟓)² = = 𝟏𝟏𝟗𝟎, 𝟐𝟓 𝛀 𝑺𝒃𝒂𝒔𝒆 𝟏𝟎𝟎 𝑿𝟏𝟐 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝒍 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝟐𝟎𝟎 = 𝟏𝟐𝟎 𝜴 ; 𝒁𝟏𝟐𝒑𝒖 = 𝑿𝟏𝟐 𝒁𝒓𝒆𝒇 = 𝟏𝟐𝟎 𝟏𝟏𝟗𝟎.𝟐𝟓 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟎𝟖 𝑿𝟐𝟑 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝒍 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝟐𝟎𝟎 = 𝟏𝟐𝟎 𝜴 ; 𝒁𝟐𝟑𝒑𝒖 = 𝑿𝟐𝟑 𝒁𝒓𝒆𝒇 = 𝟏𝟐𝟎 𝟏𝟏𝟗𝟎.𝟐𝟓 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟎𝟖 𝑿𝟏𝟑 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝒍 = 𝟎, 𝟔 ∗ 𝟑𝟎𝟎 = 𝟏𝟖𝟎 𝜴 ; 𝒁𝟏𝟑𝒑𝒖 = 𝑿𝟏𝟑 𝒁𝒓𝒆𝒇 = 𝟏𝟖𝟎 𝟏𝟏𝟗𝟎.𝟐𝟓 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟏𝟐 Page | 8 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Cette valeur de Z13pu est à insère dans les paramètres de la ligne entre le jeux de barre 1 et 3. Pmax transmissible 𝑉² 𝑷𝒎𝒂𝒙𝑻𝒓 = 2∗𝑋 • Ligne 1-2 495,9 MW Ligne 1 – 3 198,375 MW Ligne 2 -3 495,9 MW Après la simulation du nouveau réseau, nous constatons que le nouveau plan de tension est quasiment parfaite. Nous retrouvons 1 pu sur le jeux de barre 1, 1 pu sur le jeux de barre 3 et 0,99 pu sur le jeux de barre 2. Figure 9 : Schéma équivalent continu On calcul à l’aide du schéma équivalent continu la puissance transitée dans cette nouvelle ligne (théoriquement). En appliquant les lois de kirchhoff, on détermine la puissance P13 𝐺1 + 𝐺2 = 𝑃𝑐ℎ 𝐺1 = 𝑃13 + 𝑃12 𝑃23 = 𝑃13 + 𝐺3 𝑃13 . 𝑋13 + 𝑃23 . 𝑋23 − 𝑃12 . 𝑋12 = 0 𝑷𝟏𝟑 = 𝑮𝟏 . 𝑿𝟏𝟐 − 𝑮𝟑 . 𝑿𝟐𝟑 𝟐𝟎𝟎 ∗ 𝟏𝟐𝟎 − 𝟏𝟐𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟎 = = 𝟐𝟖, 𝟓𝟕 𝑴𝑾 𝑿𝟏𝟐 + 𝑿𝟐𝟑 + 𝑿𝟏𝟑 𝟏𝟐𝟎 + 𝟏𝟐𝟎 + 𝟏𝟖𝟎 𝑷𝟏𝟐 = 𝑮𝟏 − 𝑷𝟏𝟑 = 𝟐𝟎𝟎 − 𝟐𝟖, 𝟓𝟕 = 𝟏𝟕𝟏, 𝟒𝟑 𝑴𝑾 𝑷𝟐𝟑 = 𝑷𝟏𝟑 + 𝑮𝟑 = 𝟐𝟖, 𝟓𝟕 + 𝟏𝟎𝟎 = 𝟏𝟐𝟖, 𝟓𝟕 𝑴𝑾 Page | 9 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Sur le nouveau flux de puissance, nous observons qu’avec les hypothèses de calcul les résultats ne sont pas égaux et c’est pourquoi il y a une différence entre les valeurs théorique et les valeurs donne par le logiciel. Figure 10: Le réseau maillé avec une puissance de 30MVAR et G3 en AVR et AGC OFF Sur l’alternateur 3, nous le réglons au principe de AVR et AGC en OFF, avec une puissance réactive de 30MVAR dans la charge puis nous augmentons la puissance active consommée par la charge. La puissance transitée par le réseau : P13 = 145,42MW | P12 = 471,15MW | P23 = 249,30MW En augmentant la puissance active consommée arriver à 720MW, nous nous trouvons en Black-out, ce black-out est due par la charge qui demande une puissance de 720MW alors que le réseau en fourni 716,43MW. • Proposer des solutions pour améliorer la valeur maximale du power flow. Le power flow dans le réseau électrique est de faire une étude et analyse de charge par une application numérique du flux d’énergie électrique dans n’importe quel système électrique, cette étude de flux de charge est une évaluation des conditions d’ équilibre du réseau électrique. Son objectif est de déterminer le flux de puissance, la tension, le courant, la puissance active et la puissance réactive dans le réseau avec toutes les conditions de charge. Pour améliorer la valeur maximale du power flow, il faut une mise à niveau des infrastructures électriques (nouvelle technologies de transformateur, modernisations des postes électriques), une flexibilité dans la production (s’adapter à réduire la production en fonction des besoins) et une utilisation des nouvelles technologies de pointe( la surveillance en temps réel, la communication, la gestion de la demande et automatisation du réseau électrique). Page | 10 Master ASE • Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux On place un transformateur déphaseur dans la ligne 1-3 pour que les deux lignes 1-2 et 2-3 transitent la même puissance ainsi nous allons calcul l’angle de déphasage nécessaire. Figure 11 : Transformateur déphaseur entre la ligne 1-3 −𝑱𝟏𝟐 . 𝑹𝟏𝟐 + 𝑱𝟐𝟑 . 𝑹𝟐𝟑 − 𝑱𝟏𝟑 . 𝑹𝟏𝟑 − 𝜟𝑬 = 𝟎 La ligne 1-2 et 2-3 ont une même puissance et impédance, le calcul de l’angle de déphasage nous donne : 𝜟𝑬 = −𝑱𝟏𝟑 . 𝑹𝟏𝟑 = − • 𝑿𝟏𝟑 . 𝑷𝟏𝟑 −𝟏𝟖𝟎 ∗ 𝟓𝟎 𝟎, 𝟎𝟕𝟓𝟔 ∗ 𝟏𝟖𝟎 = = = −𝟒, 𝟑𝟑° 𝟐 (𝟑𝟒𝟓)𝟐 𝑽 𝝅 On recalcule l'angle de déphasage nécessaire pour que les deux lignes 1-2 et 2-3 transitent la même puissance. 𝜟𝑬 = −𝑿𝟏𝟑 . 𝑷𝟏𝟑 −𝟏𝟓𝟎 ∗ 𝟎, 𝟔 ∗ 𝟑𝟎𝟎 −𝟎, 𝟐𝟐𝟔𝟖 ∗ 𝟏𝟖𝟎 − = − = −𝟏𝟑° 2 2 𝑽 𝟑𝟒𝟓 𝝅 Page | 11 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux Evolution des caractéristiques des lignes : On reviens à une puissance consommée de 300MW On modifie les caractéristiques des lignes de transport, les impédances des lignes valent : Z = R + jX avec X=0.6Ωkm et R=0,3Ωkm Calcul des paramètres des lignes : 𝒁𝒓𝒆𝒇 = 𝑽𝒓𝒆𝒇 ² (𝟑𝟒𝟓)² = = 𝟏𝟏𝟗𝟎, 𝟐𝟓 𝛀 𝑺𝒃𝒂𝒔𝒆 𝟏𝟎𝟎 𝑹𝟏𝟑 = 𝑹 ∗ 𝒍 = 𝟎, 𝟑 ∗ 𝟑𝟎𝟎 = 𝟗𝟎 𝜴 ; 𝑹𝟏𝟑𝒑𝒖 = 𝑹𝟏𝟐 = 𝑹 ∗ 𝒍 = 𝟎, 𝟑 ∗ 𝟐𝟎𝟎 = 𝟔𝟎 𝜴 ; 𝑹𝟏𝟑𝒑𝒖 = Xpu Rpu Ligne 1 – 2 0,1008 0,0504 𝑹𝟏𝟑 𝒁𝒓𝒆𝒇 𝑹𝟏𝟑 𝒁𝒓𝒆𝒇 = = 𝟗𝟎 𝟏𝟏𝟗𝟎.𝟐𝟓 𝟔𝟎 𝟏𝟏𝟗𝟎.𝟐𝟓 Ligne 1 - 3 0,1512 0,0756 = 𝟎, 𝟎𝟕𝟓𝟔 = 𝟎, 𝟎𝟓𝟎𝟒 Ligne 2 – 3 0,1008 0,0504 Après on insère la valeur de Xpu et Rpu dans les différents paramètres des lignes . Figure 12 : Pour une puissance consommée de P = 300MW et Q = 0MVAR D’après les résultats de la simulation d’une charge de P = 300MVA et Q = 0VAR, nous observons sur le plan tension en pu au jeux de barre 1-3 est bonne, il y a pas de transite de puissance réactive dans cette ligne mais il y a une transite de puissance active cette puissance va l’angle la plus grande au plus petite. Page | 12 Master ASE Parcours GR2E BE Modélisation des Réseaux La ligne 1-2 et 2-3 sont différentes sur le plan de tension, il y a une transite de puissance réactive et la puissance part de la tension la plus grande vers la plus petite. Conclusion : En conclusion, les objectifs de ce bureau d’étude sont clairs : acquérir une maîtrise de l'outil de simulation Power World, comprendre le principe de réglage d'un plan de tension, et explorer les paramètres qui influencent la puissance transmissible dans un réseau électrique. En prenant en main le logiciel, nous avons pu charger un réseau de base et observer le flux de puissance ainsi que les tensions associées. En poursuivant le TP, nous avons divisé notre exploration en plusieurs parties, notamment la simulation d'une seule ligne, la mise en place d'une seconde ligne, le réglage du réseau, et l'évolution du réseau et des caractéristiques des lignes. Ces étapes nous ont permis de plonger plus profondément dans la complexité des réseaux électriques et de mieux comprendre leur fonctionnement. Ce TP constitue ainsi une étape essentielle dans notre apprentissage et notre maîtrise de Power World. Page | 13