Production décentralisée dans les réseaux de distribution

N° d’ordre : 2005- ECOLE DOCTORALE 432
Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers
Centre de Lille
THÈSE
présentée pour obtenir le titre de
DOCTEUR
de
L’ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE
D’ARTS ET MÉTIERS
Spécialité : Génie électrique
par
Emanuel Florin MOGOŞ
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PRODUCTION DECENTRALISEE DANS LES RESEAUX DE DISTRIBUTION.
ETUDE PLURIDISCIPLINAIRE DE LA MODELISATION POUR LE CONTROLE DES
SOURCES.
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soutenue le 20 juillet 2005 devant le jury composé de
B. ROBYNS Professeur à l’Ecole des Hautes Etudes d’Ingénieurs, Lille
S. SAADATE Professeur à l’Université Henri Poincaré, Nancy Rapporteur
S. BACHA Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble Rapporteur
M. RODRIGUEZ Professeur Assistant à l’Ecole Polytechnique, Mondragon
X. GUILLAUD Professeur à l’Ecole Centrale, Lille
J. DEUSE Docteur Ingénieur à Tractebel Engineering, Bruxelles
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L’ENSAM est un Grand Etablissement dépendant du Ministère de l’Education Nationale, composé de huit centres :
AIX-EN-PROVENCE ANGERS BORDEAUX CHÂLONS-EN-CHAMPAGNE CLUNY LILLE METZ PARIS

Table des matières
1
TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES 1
TABLE DES FIGURES 7
TABLE DES TABLEAUX 11
INTRODUCTION GENERALE 13
CHAPITRE 1 19
INTRODUCTION SUR LA MODELISATION ET LA SIMULATION DES RESEAUX
ELECTRIQUES 19
INTRODUCTION CHAPITRE 1 21
1.1 Etat de l’art sur la modélisation dynamique des réseaux électriques 21
1.2 Modélisation des phénomènes transitoires électromécaniques 23
1.2.1 Introduction 23
1.2.2 Principe de la modélisation électromécanique appliqué à la machine asynchrone 23
1.2.2.1 Modélisation causale de la machine asynchrone 23
1.2.2.2 Modélisation causale simplifiée de la machine asynchrone 25
1.2.2.3 Comparaison des modélisations 26
1.2.2.4 Analyse modale 28
1.2.3 Modélisation électromécanique de la machine synchrone 29
1.2.3.1 Modélisation causale de la machine synchrone 29
1.2.3.2 Modélisation causale simplifiée de la machine synchrone 31
1.2.3.3 Comparaison des modélisations 32
1.2.4 Association machine synchrone - machine asynchrone 35
1.2.5 Modélisation simplifiée d’une ligne 37
1.2.6 Généralisation à un réseau quelconque 39
1.2.7 Présentation des logiciels de simulation des phénomènes électromécaniques 42
1.3 Modélisation et simulation temps réel des phénomènes électromagnétiques. 44
1.3.1 Introduction 44

Table des matières
2
1.3.2 Architecture d’un simulateur temps réel 45
1.3.3 Traitement des calculs en parallèle 46
1.3.4 Présentation du simulateur Hypersim 47
1.3.5 Applications des simulateurs temps - réel des réseaux électriques 48
CONCLUSION CHAPITRE 1 50
CHAPITRE 2 51
MODELISATION CAUSALE ET CONTROLE D’UNE SOURCE DYNAMIQUE DE
PRODUCTION 51
INTRODUCTION CHAPITRE 2 53
2.1 Modélisation simplifiée et commande du convertisseur MLI 53
2.1.1 Introduction 53
2.1.2 Modèle du convertisseur 54
2.1.3 Modélisation simplifiée du convertisseur 56
2.1.4 Commande du convertisseur 58
2.1.5 Implantation du modèle sous EUROSTAG 61
2.2 Généralités sur le contrôle d’une source dynamique de production 63
2.3 Modélisation d’une microturbine à gaz connectée au bus continu 67
2.3.1 Description de la technologie. État de l’art. 67
2.3.1.1 Types de microturbines 68
2.3.1.2 Le cycle thermodynamique 68
2.3.1.3 Conception et fonctionnement 69
2.3.1.3.1 Description du moteur de la microturbine 70
2.3.1.3.2 La production d’énergie électrique 71
2.3.1.3.2.1 Le générateur électrique 71
2.3.1.3.2.2 L’interface avec le réseau 72
2.3.2 Modélisation du système de production décentralisée 73
2.3.2.1 Présentation de la micro turbine étudiée 73
2.3.2.2 Description de la connexion au bus continu par un convertisseur à diodes 74
2.3.2.3 Modélisation simplifiée de l’association générateur - pont de diodes 77
2.3.2.3.1 Modèle simplifié en conduction continue 77
2.3.2.3.2 Modèle simplifié en conduction discontinue 80
2.3.2.3.3 Comparaison des modèles simplifiés 81
2.3.2.4 Modèle de l’ensemble turbine - générateur - pont de diodes 83

Table des matières
3
2.4 Contrôle du dispositif de production 84
2.5 Validation du modèle 86
CONCLUSION CHAPITRE 2 87
CHAPITRE 3 89
MODELISATION CAUSALE ET CONTROLE D’UNE SOURCE STATIQUE DE
PRODUCTION 89
INTRODUCTION CHAPITRE 3 91
3.1 Généralités sur le contrôle d’une source statique de production 91
3.2 Modélisation simplifiée d’un système de production avec des piles à combustible 93
3.2.1 Généralités sur les piles à combustible. Etat de l’art. 93
3.2.2 Modélisation du système de production 95
3.2.2.1 Partie opérative 95
3.2.2.1.1 Le modèle du ‘stack’ 98
3.2.2.1.1.1 Les hypothèses du modèle du coeur de la pile 98
3.2.2.1.1.2 Expression de la tension du ‘stack’ 99
3.2.2.1.1.3 Calcul des pressions partielles 99
3.2.2.2 Partie commande 102
3.2.2.2.1 Contraintes de fonctionnement optimal de la pile 103
3.2.2.2.1.1 Rapport optimal entre les débits des réactants 103
3.2.2.2.1.2 Relation entre le débit d’hydrogène et le courant de la pile 103
3.2.2.2.2 Contrainte de sécurité de fonctionnement 104
3.2.2.2.3 Système de contrôle de la source statique 104
3.2.3 Modèle du hacheur et contrôle du courant de la pile 105
3.2.4 Modèle complet de la source statique 105
3.2.5 Modèle simplifié de la source statique 106
3.2.6 Validation du modèle 107
3.2.6.1 Les paramètres du modèle 107
3.2.6.2 Evaluation des performances du système en réseau isolé 108
3.2.7 Implantation sur EUROSTAG 111
3.3 Modélisation simplifiée d’un système photovoltaïque 113
3.3.1 Généralités 113
3.3.2 Caractéristiques statiques du panneau 113

Table des matières
4
3.3.3 Structure complète d’un générateur photovoltaïque connecté au réseau 114
3.3.4 Structure simplifiée 117
3.3.5 Validation du modèle. Comportement en cas de défaut. 118
CONCLUSION CHAPITRE 3 120
CHAPITRE 4 121
APPLICATION A L’ETUDE DE LA REGULATION DE TENSION DANS LES
RESEAUX ELECTRIQUES DE DISTRIBUTION 121
INTRODUCTION CHAPITRE 4 123
4.1 Introduction sur le réglage de la tension 123
4.2 Moyens de réglage de la tension dans un réseau de distribution 124
4.3 Régulation de la tension par le contrôle de la puissance réactive de la source de production
décentralisée 128
4.4 Réglage de la tension par le contrôle de la puissance active de la source de production
décentralisée 132
4.4.1 Présentation du principe 132
4.4.2 Synthèse du correcteur 132
4.5 Supervision de la régulation de tension 135
4.5.1 Première solution 136
4.5.2 Deuxième solution 137
4.6 Test du régulateur. Comparaison des solutions 138
4.6.1 Impact de la dynamique des sources sur le comportement du régulateur 138
4.6.2 Impact du bruit dans la mesure de la tension sur le régulateur 142
4.6.3 Interaction entre plusieurs régulateurs 143
CONCLUSION CHAPITRE 4 145
CHAPITRE 5 147
SIMULATION TEMPS REEL D’UNE SOURCE DE PRODUCTION
DECENTRALISEE 147