Chapitre 2

Energy
2
2.1 Power networks
2.2 Power electronics
2.3 Electrical machines,
drives and generation
systems
2.4 Modeling of Electro-
magnetic systems:
Materials, EMC,
CAD and NDT
2.5 Electrical Contacts
2.6 Aerosol and atmospheric
pressure electrical
discharge processes
2.7 Insulating materials
and partial discharges
• What value for reactive power production? 34
• Three phase active filter 36
•Optimisation of a linear motor drive 38
and the associated power supply
• Giant magnetostrictive materials 40
characterisation and modelling
• Nanomodifications on the surface 42
of molecular conductors
• Nucleation and thin SiOxfilm deposition 44
by Dielectric Barrier Discharges at Patm
•Non-thermal plasma chemistry contribution 46
to partial discharges detection in medium
voltage equipments
32

Énergie
2
2.1 Réseaux d’énergie
2.2 Électronique de puissance
2.3 Machines électriques
et systèmes de conversion
2.4 Modélisation de systèmes
électro-magnétiques :
matériaux, CEM, CAO et CND
2.5 Contacts électriques
2.6 Procédés aérosol
et décharges électriques
à pression atmosphérique
2.7 Matériaux isolants et
décharges partielles
• Valorisation des services Systèmes : 34
que vaut la production de puissance
réactive ?
• Un filtre actif pour réseau triphasé 36
utilisable en tant que source de secours
• Optimisation d'un actionneur linéaire 38
et de son électronique d’alimentation
•Caractérisation et modélisation 40
des matériaux à magnétostriction
géante
• Nanomodifications à la surface 42
de conducteurs moléculaires
• Nucléation et dépôt de couches minces 44
de SiOxpar Décharges à Barrières
Diélectriques à pression atmosphérique
• Apports de la chimie des plasmas 46
froids à la détection de décharges
partielles dans des dispositifs
électrotechniques moyenne tension
33

Objectifs
Systèmes de plus en plus complexes, alimentant
des charges elles-mêmes de plus en plus exigeantes,
les réseaux d’énergie sont omniprésents sur le
territoire des pays industrialisés, dans les sites
industriels, mais aussi dans les systèmes embarqués
(voitures, avions, navires) où les générateurs,
moteurs et actionneurs électriques sont de plus en
plus utilisés.
La maîtrise des régimes de fonctionnement per-
turbés et la conception de relais de protection
sûrs et sélectifs mais aussi de systèmes intelligents
de contrôle-commande et de gestion de réseau
contribuent à augmenter à la fois la fiabilité des
réseaux d’énergie et la qualité du produit
« électricité ».
Dans le contexte actuel d’ouverture à la concur-
rence des marchés de l’électricité, l’optimisation
technico-économique des grands systèmes
électriques avec les nouvelles règles
économiques et les opportunités technologiques
en matière de production délocalisée ou de
stockage d’énergie constitue un réel enjeu, dans
un secteur où les contraintes environnementales
ne peuvent plus être négligées.
Sujets
1. Simulation numérique et conception
de logiciels
Régimes transitoires de défaut.
Grands réseaux maillés : couplage technico-
économique et optimisation.
2. Protections numériques
Conception d’algorithmes de protection neu-
romimétiques.
Conception de protections directionnelles sans
mesure de tension.
Localisation des défauts dans des réseaux de
distribution.
3. CEM et qualité de l’énergie
Production éolienne et qualité de l’énergie (flicker,
harmoniques, …).
Fiabilité des réseaux de distribution.
4. Optimisation technico-économique
des grands réseaux
Projet €nergie : www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Tarification du transport d’énergie.
Gestion des congestions (« market splitting »,
« spot pricing », etc.).
Valorisation du stockage sur réseau.
Conception et analyse de règles de marché.
Valorisation des services « systèmes ».
Economie expérimentale.
5. Foudre
Protection des structures par paratonnerres.
Phénoménologie de la foudre et ses aspects clima-
tiques, notamment en milieu tropical.
Analyse de l'efficacité des réseaux de détection et
localisation des éclairs.
2Énergie
Réseaux
d’énergie
Power networks
34
2.1
Pour tout renseignement s’adresser à :
For further information, please contact:
Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4:
Département Électrotechnique
et Systèmes d’Énergie
Campus de Gif
Marc PETIT
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 33
E-mail : [email protected]
Sophie PLUMEL
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 20
E-mail : [email protected]
Sujet 5 / Topic 5:
Gérard BERGER
LPGP - Équipe DEE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 96
E-mail : [email protected]
Aims
Power transmission and distribution systems today are
becoming increasingly sophisticated. They feed loads
which themselves require ever higher levels of power
quality.
Mastering disturbed operating conditions, however,
and designing efficient and selective protection relays
as well as intelligent remote control and operating
systems, can further contribute to increasing the
reliability of power systems and to improving the
quality of the so-called “electricity” product.
Within the current context of growing competition
throughout the European electricity market, the
optimisation of large power systems taking into
account new economic rules along with the new
opportunities which have opened up in the field of
dispersed power plants and energy storage, environ-
mental constraints notwithstanding, will undoubtedly
become a real challenge in the future.
Topics
1. Digital simulation and software design
Fault transients.
Operation of large power systems: technical and
economic optimisation.
2. Digital relaying
Design of neural-network based digital relaying
algorithms.
Design of directional relays without voltage
measurements.
Fault location in distribution radial networks.
3. EMC and power quality
Wind power plants and power quality (flicker,
harmonics, etc.).
Reliability of distribution networks.
4. Technical and economic optimization
of large power networks
€nergie Project: www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Electricity transmission pricing.
Management of congestions (market splitting, spot
pricing, etc.).
Economic impact of energy storage in a power system.
Market design.
Economic analysis of ancillary services.
Experimental economics.
5. Lightning
Protection of structures with lightning rods.
Lightning phenomenology and its climatic aspects,
especially in tropical climates.
Efficiency of lightning detection network.
Energy

Réseaux d’énergie / Power networks
35
Valorisation des services Systèmes :
que vaut la production de puissance
réactive ?
What value for reactive power production?
Par Martin Hennebel
et Sophie Plumel
Abstract Liberalization of electricity markets has led to an economical (at least) separation between production and transmission. So new inter-
face rules have to be defined. This work aims at defining if a sound economical value of reactive power can be assessed. The metho-
dology values the reactive power production of an alternator by assessing the investment costs it prevents the Transmission System
Operator from.
Transport/Production d’électricité : de nouvelles
règles à définir
L’ouverture à la concurrence du marché de l’électricité a conduit à la séparation
entre les entreprises de transport, qui sont par nature des monopoles locaux
voire nationaux, et les entreprises de production. Cette séparation doit s'ac-
compagner de la définition des rôles et des responsabilités de chacun. Ainsi, les
générateurs prennent part au bon fonctionnement du système électrique en
fournissant ce qui est appelé : les « services systèmes ». Nous pouvons citer
parmi ceux–ci la participation au réglage de la fréquence, qui permet d’équili-
brer en temps réel la production et la consommation ou bien encore la
participation au réglage de tension par la fourniture ou l’absorption de
puissance réactive.
Le réglage de la tension nécessite un pilotage par le Gestionnaire du Réseau de
Transport (GRT) de l’ensemble des moyens de compensation du système, dont
font partie les capacités de production de puissance réactive des centrales.
Valorisation de la production de puissance réactive
Cette participation au réglage de la tension a un coût pour les producteurs : la
production de puissance réactive par un groupe de production nécessite notam-
ment de sur-dimensionner l’alternateur et le transformateur élévateur. Les pro-
ducteurs doivent donc être rétribués en conséquence. Néanmoins, les besoins
en capacités de production de puissance réactive étant très locaux, il peut être
judicieux de fournir un signal économique pertinent incitant à l’investissement
en moyens de production dans les zones où ces capacités sont en déficit.
L’objectif de l’étude est de déterminer si une valeur économique pertinente
peut être attribuée à la production de puissance réactive. La méthodologie
développée consiste à déterminer, à l’aide d’un optimiseur, le volume de
moyens de compensation statiques qui serait nécessaire pour remplacer le
générateur considéré s'il ne fournissait pas de puissance réactive. Ce calcul est
purement théorique et a pour but de classer les générateurs selon la "valeur"
relative de leur capacité à produire de la puissance réactive.
La figure 1 montre qu’il est plus avantageux d’installer des bancs de condensa-
teurs au niveau de la charge plutôt que de produire de la puissance réactive
depuis un générateur éloigné. L’efficacité relative de la localisation des moyens
de production apparaît simplement sur ce schéma. Sur un réseau maillé, il est
possible de mesurer l’efficacité de la puissance réactive injectée en un nœud en
la comparant à la quantité minimale de condensateurs que devrait théorique-
ment installer le GRT sur des nœuds du réseau de transport si le générateur
venait à faire défaut.
En effet, pour remplacer la capacité de production de réactif d’un générateur,
l'optimiseur va dans un premier temps faire appel aux autres centrales à
proximité qui, disposant de capacités en réserve (coût nul pour l’optimiseur),
peuvent continuer à assurer la fourniture, et dans un deuxième temps investir
en moyens de compensation statiques (coût élevé pour l’optimiseur) tels que
des bancs de condensateurs ou bien des FACTS (Flexible Alternative Current
Transmission System). Ces investissements sont réalisés sur des nœuds de con-
nexion du réseau de transport dont le niveau de tension permet l’installation de
ces dispositifs.
La compensation d’un générateur situé dans une zone où il existe beaucoup de
capacité disponible ne nécessitera pas d’investissements importants. Au
contraire, s’il est situé dans une zone en déficit de production, le GRT devra
investir en moyens de compensation pour maintenir la tension dans la plage
admissible. La valeur équivalente en moyens de compensation du générateur
sera alors plus forte.
Ces valorisations sont réalisées sur des modèles de réseau faisant apparaître des
contraintes de production de puissance réactive telles que :
• niveaux de charge élevés ;
• zones en déficit de production ;
• prise en compte d’incidents (critère du N-1) ;
• respect des niveaux de tension réglementaires.
Les investissements ainsi déterminés permettent de donner une valeur
théorique relative de la capacité réactive du groupe étudié, valeur tenant
compte de sa localisation sur le réseau, des capacités disponibles sur les autres
groupes et de sa capacité disponible.
.....................................................................................................................................
Références / References
[1] W. Xu, Y. Zhang, L. C. P. da Silva, P. Kundur, A. A. Warrack, “Valuation of
Dynamic Reactive Power Support Services for Transmission Access”, IEEE transactions
on Power Systems, Vol 16, No. 4, November 2001.
Figure 1 : Capacités équivalentes générateur-condensateur pour une
charge alimentée en antenne par une ligne de 100 km

Objectifs
L'électronique de puissance constitue un moyen et
non une fin. Un convertisseur doit s'adapter à un
système et non l'inverse. Il doit être fiable, facile à
industrialiser au moindre coût, et conforme aux
normes en vigueur, notamment en matière de
compatibilité électromagnétique.
Dès lors, il nous a semblé opportun de rechercher
des principes de conversion, des topologies et des
technologies aptes à minimiser le nombre de com-
posants, les contraintes qui leur sont appliquées et
les perturbations électromagnétiques.
En outre, le choix d'une fréquence de découpage
élevée, rendu possible par diverses techniques de
commutation douce, nous paraît propice à la réali-
sation de convertisseurs compacts et rapides.
Sujets
1. Conception et réalisation de conver-
tisseurs à commutation douce :
Alimentations en courant continu fonctionnant au
delà de 1MHz pour les télécommunications
(exemples : forward 100 W, demi-pont 500 W,
pont 2000 W).
Alimentations en courant continu de très faible
puissance (exemple : alimentation 1 W avec
correction du facteur de puissance).
Alimentations en courant continu sous faible
tension, à rendement élevé, dont certaines fia-
bilisées pour l'aéronautique.
Alimentations en courant alternatif sous ten-
sion élevée pour tubes fluorescents et pour
tubes à rayons X.
Onduleur BF à transformateur HF (exemple :
50 Hz / 500 kHz / 500 W).
2. Conception et réalisation de conver-
tisseurs à absorption sinusoïdale :
Correcteurs de facteur de puissance monophasés
et triphasés pour le réseau public et pour l'aéro-
nautique.
Structures assurant les fonctions de correction et
d'alimentation continue en un seul étage avec un
unique transistor.
Structure assurant les fonctions de filtre actif, de
chargeur de batterie et d'onduleur de secours en
un seul étage.
3. Modélisation de convertisseurs :
Modélisation en régime de variations lentes et de
faible amplitude des convertisseurs continu / con-
tinu en vue de les intégrer dans une boucle de
régulation (de la tension de sortie, du courant
débité, du courant consommé…).
Prise en compte de l’environnement des conver-
tisseurs (filtre d’entrée, nature de la charge…) en
vue de proposer des règles de stabilité utiles au
dimensionnement des convertisseurs.
2Énergie
Électronique
de puissance
Power
electronics
36
2.2
Pour tout renseignement s’adresser à :
For further information, please contact:
Daniel SADARNAC
Département Électrotechnique
et Systèmes d’Énergie
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 07
E-mail : [email protected]
Aims
Power electronics are a means, not an end. Thus a
converter must be adapted to a system and not the
other way around. It must be reliable, easy to indus-
trialize at the lowest cost, and it must comply with
current standards, especially those regarding electro-
magnetic compatibility.
Therefore, in our study, we found it suitable to look
for conversion principles, topologies and technologies
capable of minimizing the number of components,
any constraints applied to them as well as electro-
magnetic disturbances.
In addition, the choice of a high switching frequen-
cy, made possible by using various soft switching
techniques, was found to be the most appropriate for
producing fast, compact power supplies at low cost.
Topics
1. Design and development of soft
switching converters:
DC power supplies working beyond 1MHz for telecom-
munications (examples: forward 100 W, half bridge
500 W, bridge 2000 W).
Very low power DC supplies (example: a very small 1
W converter with power factor correction).
High efficiency low voltage DC power supplies among
which some very reliable converters for aeronautics.
High voltage AC power supplies for fluorescent lamps
and for X-rays tubes.
Low frequency inverter with high frequency trans-
former (example: 50 Hz / 500 kHz / 500 W).
2. Design and development of converters
with sinusoidal absorption:
Single-phase and three-phase power factor correctors
for the public network and the aeronautics industry.
Single-stage topologies ensuring the functions of a
power factor corrector and DC power supply with only
one transistor.
Single-stage topology ensuring the functions of an
active filter, battery charger and AC uninterruptible
power supply.
3. Converters modelling
Slow variations and low signal DC/DC converters
modelling in order to integrate them in a control
loop (control of the output voltage, output current,
input current...).
Modelling of the converter environment (input fil-
ter, load...) in order to propose stability rules useful
for dimensioning the converters.
Energy