GUENTRI_H - Manifestations Univ Ouargla

The INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRONICS
& OIL: FROM THEORY TO APPLICATIONS
March 05-06, 2013, Ouargla, Algeria
UTILISATION D’UN OUTIL DE SIMULATION POUR L’ETUDE DE
TRANSIT DE PUISSANCE AVEC ET SANS DISPOSITIFS FACTS
GUENTRI.H (1), LAKDJA.F (2), LAOUAR.M (3)
Département d’électrotechnique, Université de Saida, Algérie
Département d’électrotechnique, Université de Saida, Algérie
(3)
Département d’électrotechnique, Université de Saida, Algérie
(1)
(2)
[email protected]
Résumé—
L’amélioration
de
la
qualité
d’énergie,
l’augmentation de la puissance transitée peut être obtenue grâce
à la mise en place de nouvelles technologies. Les FACTS
(Flexible Alternative Current Transmission Systems) à base
d’électronique de puissance apportent des solutions
dynamiques, efficaces et éprouvées à la conduite des réseaux.
Dans le cadre de ce modeste travail, notre objectif est faire une
étude qui vise l’amélioration du transit de puissance par
dispositifs FACTS en utilisant un outil de simulation
d’actualité. . Plus précisément, nous avons traité la
compensation série et nous avons choisi comme dispositifs
FACTS série : le TCSC. De plus nous avons pensé à chercher
l’emplacement optimal du dispositif FACTS en utilisant un outil
performent de simulation pour l’étude du réseau test à 9 IEEE.
Mots –Clés — Dispositifs FACTS, TCSC, répartition des
puissances, Newton-Raphson ,
Abstract— the improvement of the quality of energy, the
increase to the power flow can be obtained thanks to the
installation of new technologies. The FACTS (Flexible
Alternative Current Systems Transmission) containing power
electronics bring dynamic solutions, efficient and tested with the
control of the networks. Within the framework of this modest
work, our objective is to make a comparative study which aims
at the improvement of power flow by devices FACTS using
preferment simulator and actuality. More precisely, we treated
the series compensation and we chose like devices series
FACTS: the TCSC.
Moreover we thought of look for to the optimal site of device
FACTS by using a performent tool of simulation for the studies
of a network test 9 IEEE.
Key-Words— FACTS devices, TCSC, power flow, Newton-
Raphson.
I. INTRODUCTION
L
e développement économique, social et industriel dans la
société actuelle a contribué à une augmentation de la
consommation de l’énergie électrique, qui a pour
conséquence, un accroissement de puissances à générer, à
transporter et à distribuer. Par conséquent, les réseaux
d’énergie électrique deviennent de plus en plus grands et
compliqués, d’où l’intérêt permanent de chercher les moyens
adéquats afin de les exploiter efficacement et
économiquement.
La compensation série a été utilisée dans les lignes
électriques longues THT pour augmenter le transit
puissance. L'utilisation des condensateurs en série est
généralement la solution la plus économique pour augmenter
l’écoulement de puissance. [1]
Les calculs de l’écoulement de puissance sont exécutés dans
les systèmes d’énergie électrique pour la planification,
opérationnelle, et le control/commande.
Les systèmes (FACTS) sont capables de changer les
paramètres de réseau d’une manière rapide et efficace afin de
réaliser une meilleure performance du système. Ces
contrôleurs sont employés pour augmenter la perfection de la
performance dynamique des systèmes d’énergie en termes de
stabilité de tension/angle tout en améliorant le profil de la
capacité de transit de puissance et la tension.
La réactance des lignes est une des limitations principales
de la transmission de courant alternatif à travers les longues
lignes. Pour remédier à ce problème, la compensation série
capacitive a été introduite il y a plusieurs dizaines d'années
afin de réduire la partie réactive de l'impédance de la ligne.
Les dispositifs FACTS de compensation série sont des
évolutions des condensateurs série fixes. Ils agissent
généralement en insérant une tension capacitive sur la ligne
de transport qui permet de compenser la chute de tension
inductive. Ils modifient ainsi la réactance effective de la
ligne. La tension insérée est proportionnelle et
perpendiculaire au courant dans la ligne.
II.
CONDENSATEURS SERIE CONTROLES PAR
THYRISTORS (TCSC) :
Le banc de condensateurs est monté avec un TCR qui fait
circuler des impulsions de courant en phase avec le courant
de la ligne. Ceci augmente la tension des condensateurs au
delà de la tension qui peut être obtenue par le courant de
ligne tout seul. Chaque thyristor est amorcé une fois par
cycle et avec un temps de conduction inférieur à un demicycle de la fréquence fondamentale appliquée.
Si la tension ajoutée, créée par la circulation des impulsions
de courant, est contrôlée pour être proportionnelle au courant
de ligne, le réseau électrique voit le TCSC comme une
réactance qui augmente au-delà de la réactance physique des
condensateurs. A cause des intervalles de conduction des
thyristors, des harmoniques de courant seront injectés dans
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les condensateurs. Les harmoniques de courant augmentent
avec l’augmentation du degré de surtension. [2]
condensateur est muni d’un dispositif de contrôle, le rapport
(XL/ XC -XL ) devient variable, est donc la puissance transféré
serait contrôlable.
Fig.1 Schéma d’un TCSC
III. APPLICATION DES CSCs :
La compensation série est la meilleure
technique
actuellement connue pour accroître la capacité de transfert
de puissance des lignes de transmission. Les condensateurs
série fonctionnent en insérant une source de tension en série
avec la ligne de transmission avec une polarité inverse à
celle de la chute de tension à travers la ligne. L’effet
apparent est la diminution de la réactance apparente de la
ligne de transmission. Les différents modes de contrôle des
condensateurs série peuvent être des solutions appropriées
pour plusieurs objectifs, parmi eux : [3]
A. Un degré élevé de compensation série
Les condensateurs série augmentent la capacité de
transfert des lignes de transmission. Le degré de
compensation maximum dans un réseau de transmission est
limité par le risque potentiel d’interaction entre les
condensateurs série et les turboalternateurs les plus proches.
Ce phénomène est connu sous le terme de la résonance subysynchrone (SSR).
Considérant un condensateur de réactance XC est monté en
série avec la ligne de transmission Fig.2, l’impédance de
cette dernière devient (XL-XC ). Alors la puissance transmise
à travers cette ligne est donné par :
ES E R
Pt 
sin 
X L  XC
Fig.3 Effet de la compensation sur la puissance transmise
B. Contrôle de capacité de chargement des lignes de
transmission
Les CSCs sont un moyen efficace pour améliorer la
capacité de transfert des lignes de transmission. Le degré de
compensation peut être contrôlé pour minimiser les pertes du
système durant son fonctionnement normal.
C. L’analyse du circuit d’un TCSC et ses principales
fonctionnalités
Comme les composantes fondamentales de la tension et du
courant sont contrôlés, le TCSC devient analogue à une
impédance contrôlable, qui est le résultat de la mise en
parallèle de la réactance équivalente d’un composant TCR et
une capacité.
Notons par :
ZTCSC  jXTCSC
(2)
L’impédance équivalente du TCSC.
ZTCR  jX TCR  j
(1)
X L
2(   )  sin 2
(3)
L’impédance équivalente du TCR.
Z C   jX C
(4)
L’impédance de la capacité
Puis que :
Z TCSC  Z C // Z TCR 
Fig.2 Compensation série
 j
La puissance maximale transmise est augmentée avec (XL/ XC
-XL) par rapport celle de la ligne non compensé, si le
 j
 jX C  jX TCR
 jX C  jX TCR
X C X TCR
Xc  X TCR
XC

XC XL
( 2(   )  sin 2 )  X L
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D’où
X TCSC ( ) 
XC X L
XC

(5)
Après avoir ajouté le TCSC sur la ligne entre le nœud k et le
nœud m d’un système d’énergie électrique, la nouvelle
matrice d’admittance Y’bus peut être mise à jour comme :
(2(   )  sin 2 )  X L
0
0
0

 0 (Ykm ) 0
0
0
0


Y bus  Ybus   ...
...
...
0
0
0

 0 (Ykm ) 0
0
0
0

Le TCSC placé en série dans une ligne de transport permet
de contrôler le flux de puissance et d’élever la capacité de
transfert des lignes en agissant sur la réactance XTCSC qui
varie selon l’angle de retard à l’amorçage des thyristors α
donné par l’équation (1). [5].
RL
XL
XTCSC
jL
(6)
sin 2
(   
)  LC 2

2
La réactance de la ligne quand le TCSC est donnée par :
2
X ij  X L  X TCSC
(7)
Ou XL est la réactance de la ligne et XTCSC est la réactance de
TCSC.
IV. IMPLEMENTATION DES TCSCS DANS LA GESTION DE
L’ECOULEMENT DE PUISSANCE : [4]
Supposons qu’un dispositif TCSC est placé entre deux
nœuds k et m (Figure 4). Si on néglige les pertes, la
puissance P injectée dans le TCSC à partir du nœud de
génération k est égale à celle injectée par le TCSC au nœud
de charge m. Le modèle du TCSC représenté par la figure. 4
est dérivé par le système d’équations (6) :
(P.Q)k
V (θk)
(P.Q)m
Be(α)
V (θm)
Fig.5 Modèle du TCSC dans un écoulement de puissance
P  VkVm Be sin(k  m )
Qk  VkVm Be cos( k   m )  Vk Be
Qm  VkVm Be cos( k   m )  Vm Be
2
k  m   t
... 0
... ...
... 0
.. 0
... 0
Les CSCs permettent aux opérateurs de bien contrôler
l’écoulement de puissance à travers une ligne électrique.
Ceci est très utile lorsqu’on a une distribution irrégulière de
la puissance transitée. [6]
V. APPLICATION
L’objectif de cet article, est d’appliquer le calcul de
l’écoulement des puissances par la méthode de NewtonRaphson pour un modèle de réseau électrique de 9 nœuds
d’IEEE, en lui insérant le contrôleur de transit de puissance
TCSC en utilisant un outil de simulation d’actualité.
Le réseau représenté par la fig (6) comprend :
- 9 nœuds;
5 nœuds de production (générateurs) et consommation ;
3 nœuds de production (compensateurs) et
consommation ;
G
- 11 lignes ;
7
6
5
4
9
3
8
1
2
G
Fig .6 Réseau électrique à 9 nœuds IEEE
2
P 2  Q 2  IVk
... 0
0

(Ykm ) 0 
0
0

...
... 
0
0

(Ykm ) 0 
0
0 
0
(9)
Fig.4 – L’effet de TCSC sur la réactance de la ligne
de transmission
XTCSC ( ) 
... 0
(8)
A. Analyse du réseau sans dispositif FACTS
L’analyse de notre réseau est réalisée à l’aide de logiciel.
Ce dernier,
nous permet le calcul d’écoulement de
puissance. Il inclut aussi le fonctionnement et la commande
des dispositifs TCSC.
Le calcul de l’écoulement de puissances est une étape
nécessaire pour pouvoir comparer nos résultats. Il est
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effectué en premier lieu pour la détermination des conditions
initiales du système avant la compensation. En effet il permet
de trouver les tensions aux différents nœuds et par la suite les
puissances transmises, injectées et les pertes. Tab(1).
B-174338
220 kV
B-961
220 kV
B-966
220 kV
7
5
L174413
Table (1) : Résultat de calcul de transit de puissance sans
TCSC
Pkm
Qkm
Du
au
nœud nœud
MW
MVAR
1
2
66,085
-20,816
1
8
85,278
69,442
2
3
55,316
47,596
2
9
69,907
125,714
3
4
29,621
30,967
4
5
19,428
25,002
5
6
20,871
-4,082
6
7
74,806
13,286
6
9
7,025
25,631
7
8
3,582
5,37
7
9
38,762
-12,951
B. Paramètres de base pour insérer le TCSC
Pour trouver l’emplacement optimal de ce dispositif On
doit respecter les conditions théoriques suivantes :
Ce dispositif doit être placé sur :
- les lignes les plus longues.
- Les lignes qui sont loin de la production.
On peut facilement remarquer que la ligne (2-9) satisfait ces
conditions.
Il existe plusieurs stratégies de commande ou de
contrôle .Dans notre cas, nous avons choisi la stratégie de
contrôle par l’angle de transmission de modulation car il est
considérer comme meilleur stratégie de réglage.
Les paramètres choisis sont les suivant :
-
-
La valeur de base est :
Sb =100 MVA
Les paramètres du contrôleur de transits de puissance
TCSC sont :
 La fréquence f= 50 Hz
 La réactance inductive XL = 0,391 Ohm
 La réactance capacitive XC = 1,414 Ohm
 Angle d’amorçage α :
αmin=135,34°
,
αmax=180°
,
α=136,29°
SM-174485
2
6
L174408
L-1331
L-174392
L-1315
L174418
L174433
L174398
L174403
2
B-174365
220 kV
B-174360
220 kV
4
9
8
B-174359
220 kV
L174438
L-174384
L-174363
TCSC-795334
L174423
3
L174428
B-958
220 kV
L174446
L-174361
L174451
2
B-971
220 kV
1
B-174443
220 kV
L-174373
L-1320
SM-1406
F-174475
Fig.7 Schéma unifilaire d’un réseau 9 nœuds avec l’insertion du TCSC.
Le calcul du transit de puissance du système avec
insertion du dispositif TCSC dans la ligne choisis suivant les
critères est la ligne (2-9), les résultats obtenus sont dans le
tableau (2).
Table (2) : Résultat de calcul de transit de puissance après
l’insertion du TCSC
Pkm
Qkm
du
au
nœud nœud
MW
MVAR
1
2
74,067
-23,111
1
8
77,081
58,124
2
3
48,621
40,634
2
9
84,363
143,77
3
4
23,098
24,477
4
5
12,98
18,887
5
6
27,285
1,919
6
7
74,928
10,86
6
9
13,293
34,358
7
8
4,24
4,981
7
9
30,831
-20,842
C. Interprétation des résultats
D’après les résultats obtenues, nous remarquons que
certaines lignes de transmissions avant insertion du
contrôleur TCSC sont assez chargés et d’autres faiblement
charges, comme exemples : la ligne (1-8) et les lignes (6-9)
et (7-8). Après insertion du dispositif et pour un réglage
d’angle d’amorçage α=136,29°, nous remarquons que les
résultats montre que les charges des lignes sont presque
proportionnels l’une par rapport à l’autres par exemple les
lignes (1-2) et (1-8) et cela pour équilibrés le chargement
des lignes.
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Concernant les pertes totales actives du système
(tableau.3), sont nettement améliorées après l’insertion du
TCSC.C’est à dire, qu’ils ont diminués de 6,14878 MW
par rapport à l’état initial qui est 6,363444 MW, Cette
diminution est obtenue grâce à l’emplacement du dispositif
TCSC entre le nœud (2-9) qui est un emplacement optimale.
Cet emplacement n’est pas arbitraire car, nous l’avons opté
parmi d’autres longues lignes.
Autre point important, l’outil de simulation que nous
avons utilisée est un logiciel d’actualité d’où la difficulté de
réalisation de notre propre réseau et aussi le réglage de notre
contrôleur série TCSC.
Finalement les résultats obtenus valide la théorie
d’emplacement des FACTS série.
Tab(3) : Pertes totales actives sans et avec TCSC
Résultat
Perte active
totale (MW)
Sans
TCSC
6,363444
Avec
TCSC
6,14878
Meilleure
emplacement
(2,9)
V. CONCLUSION
Cette étude présente et explique le contrôle de
l’écoulement de puissance active dans une ligne de transport
par un système FACTS, le dispositif choisi pour ce contrôle
est le TCSC (thyristor Controller série capacitor). Ce
dispositif est capable de contrôler la puissance active et, il
peut contrôler un seul paramètre associé au transit de
puissance, à savoir, l’impédance de la ligne, pour améliorer
les performances du réseau électrique.
Les résultats obtenus montrent que le dispositif de
contrôle TCSC peut jouer un rôle très important dans le
domaine de la compensation des puissances actives et la
réduction des pertes dans les lignes électriques.
On peut conclure aussi que le choix adéquat de logiciel de
simulation dans le domaine de recherches et d’études et une
première démarche essentiel pour l’analyse de n’importe
quel problème rencontre dans un système énergétique.
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
K. R. Padiyar, "FACTS Controllers in power transmission and
distribution ". Indian Institute of Science
Bangalore-560 012 India 2007, p.105.
B. Smith, “An approach to graphs of linear forms (Unpublished work
style),” unpublished
E. H. Miller, “A note on reflector arrays (Periodical style—Accepted
for publication),” IEEE Trans. Antennas Propagate., to be published.
A. TALBI ,A. BENOUDJIT "Les Systèmes FACT". université de
Batna Année 2009/2010
Saranjeet "Evolutionary algorithm assisted optimal placement of
FACTS controllers in power system". Thapar University, Patiala
JULY, 2009
E .CATZ “Evolution Techniques du système de transport et de
distribution d’électricité“. article IEEE .
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G.MadhusudhanaRao, Dr.B.V.SankerRam, B.Sampath Kumar
“TCSC designed optimal power flow using genetic algorithm“
[8]
[9]
International Journal of Engineering Science and Technology Vol.
2(9), 2010, 4342-4349
F.Z.GHERBI, F, LAKDJA, R.BERBER et H.BOUDJELLA
"Dispatching économique au moyen du diapositif FACTS ". article
.Volume 51 novembre 2010 .
E.Acha ,C R Ferte-Esquivel,H Ambriz-Perez , Angles-Camacho,
"FACTS modeling and simulation in power networks". John Wiley
2004, p.171.