Régulateur magnétique à haute fiabilité pour améliorer la

Titre : Régulateur magnétique à haute fiabilité pour améliorer la qualité de la tension d’un réseau de distribution
Financement prévu : Contrat CIFRE
Cofinancement éventuel : EDF R&D
(Co)-Directeur de thèse : Jean François BRUDNY
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Guillaume PARENT
E-mail : [email protected]
Laboratoire : LSEE EA 4025
Equipe :
Descriptif :
1.- Problématique. L’essor de la production décentralisée, notamment ENR s’effectue dans le contexte innovant
des « Smartgrids ». Le raccordement en réseau de nouveaux moyens de production augmente localement les
courants de court-circuit, tandis que les réseaux de distribution comportent des liaisons (lignes, câbles) et des
matériels (disjoncteurs, transformateurs, appareillages, ...) vieillissants. Par ailleurs, les ENR intermittentes
(Eolien, Photovoltaïque) font fluctuer le plan de tension. Ces deux effets font l’objet d’une littérature abondante,
notamment sur l’état de l’art international :
 Développement rapide des limiteurs de courant de court-circuit avec passage, en 5 ans, du concept, aux
prototypes avec les premières annonces commerciales, avec ou sans technologie supraconductrice : [Nexans,
Bruker-Schneider, GridON, Zenergy, Siemens, Innopower].
 Consensus pour optimiser tous les moyens existants de gestion du plan de tension et pour y ajouter de
nouvelles solutions rendues possibles par les « Smartgrids ». Citons parmi les moyens existants : les changeurs
de prises de transformateurs de poste source et les bancs de condensateurs. Le transformateur MT/BT à prises
télécommandables de Siemens est un exemple de dispositif innovant. La contribution des nouveaux moyens de
production au service système (énergie réactive) porte l’innovation au niveau du contrôle commande centralisé
du réseau et relève des concepts de « Smartgrids ».
2 - Contexte. La présente étude se focalise sur la problématique de la régulation de tension. Elle propose un
concept de régulation « série » en complément aux dispositifs et solutions « shunts ». De tels dispositifs,
raccordés en série sur le réseau, sont utilisés en Amérique du Nord et au Japon. Aux USA, ils sont normalisés
sous le nom de « Voltage Regulators ». Ils visent à régler des problèmes locaux. En revanche, leur technologie
électromécanique les rend vulnérables, face aux fluctuations rapides et nombreuses générées par les ENR
intermittentes.
Pour s'affranchir de cet handicap, il est proposé de développer un dispositif électromagnétique qui permet de
coupler en série, un convertisseur électronique pour réguler la tension en régime normal de charge (amplitude et
phase de la tension, harmoniques, creux de tension). Le même dispositif découple le convertisseur pour le
protéger pendant les régimes transitoires dangereux (impulsions de courant, oscillations HF, courts-circuits). Le
dispositif peut être conçu pour assurer à la fois les fonctions de régulateur de tension et de limiteur de courant de
défaut. Le principe est déjà protégé par 2 brevets (Inventeurs LSEE et EDF R&D) et vérifié expérimentalement
sur des maquettes de laboratoire par EDF R&D (Département THEMIS).
3.- Descriptif de l'étude. Cette étude s’inscrit parfaitement dans le cadre du projet MEDEE car il s’agit de
dimensionner un dispositif électromagnétique qui puisse accroitre l’efficacité énergétique de systèmes
complexes tels que les « Smartgrids ». Cette étude comporte 2 volets principaux :
 Optimiser le dimensionnement qui repose sur un phénomène de commutation magnétique rapide et non
linéaire (forte saturation des tôles),
 Réaliser un démonstrateur monophasé en basse tension et l’essayer sur la plate-forme Structures et Ecoefficacité Energétique (SEEE) de MEDEE.
3.1 Objectifs industriels. Ces objectifs se situent à deux niveaux.
 Réaliser un prototype basse tension dont la puissance sera de l’ordre de quelques dizaines de kVA. Il s’agit
d’être suffisamment puissant pour extrapoler le dimensionnement à des puissances plus importantes, tout en
restant compatible avec les moyens d’essais disponibles en laboratoire. Les essais utiliseront avantageusement
le démarrage de moteurs pour perturber la tension ou pour simuler des régimes transitoires de défaut. Le
démonstrateur de régulateur sera, selon les cas, en série ou en parallèle avec les moteurs.
 Dimensionner un régulateur pour le réseau Moyenne Tension (MT). Le but est d’ouvrir une perspective de
fabrication d’un démonstrateur monophasé 20kV. Un tel démonstrateur MT serait essayé sur le moyen d’essais
« Concept Grid » d’EDF R&D. Pour le dimensionnement MT, le thésard ébauchera avec EDF le cahier des
charges de ces essais spéciaux (performances de régulation de tension, amplitudes des différents types de
défauts). Le dimensionnement sera fondé de préférence sur la technologie industrielle des transformateurs MT à
isolation sèche (imprégnée ou enrobée).
Il est important de souligner qu'il sera probablement fait appel à une PME (savoir faire d’un constructeur de
transformateur de distribution et savoir faire d’assemblage de matériels électroniques standards) pour réaliser le
régulateur.
Les éléments développés montrent que le verrou technologique à lever concerne la définition d’un système qui
repose sur un principe relativement simple ce qui permettra d’accroitre sa fiabilité en évitant de mettre en œuvre
des technologies complexes faisant appel à la supra conductivité.
3.2 Objectifs scientifiques. Le principe de "couplage/découplage" rapide entre les différents enroulements du
régulateur est comparable à un phénomène de commutation magnétique qui change les trajets de flux. Un
objectif scientifique majeur est de comprendre ce mécanisme non linéaire, pour maîtriser les risques de
surtension vers le réseau et/ou l’électronique de puissance.
Notons que l’analyse des transitoires au niveau des phénomènes qui se produisent dans les tôles d’un circuit
magnétique est un aspect peu développé ce qui constitue l’une des originalités du projet et, en particulier, un
verrou scientifique à lever. En effet, il faut trouver par simulations (avec combinaison des Ats continus et
alternatifs) la géométrie optimale 3D du circuit magnétique qui donnera les avantages décisifs de haute fiabilité
du dispositif. Il s’agit d’être plus robuste vis-à-vis des contraintes réseaux (surtensions, courts-circuits,
surcharges) que les protections traditionnelles de l’électronique de puissance (parasurtenseurs, by-pass,
crowbar, RC).
En point de mire également l'optimisation des performances du régulateur, en mettant en œuvre, par exemple,
un circuit magnétique constitué de matériaux qui présentent des caractéristiques différentes (perméabilité
relative, épaisseur des tôles, pertes).