compensation d`energie reactive par convertisseur statique.

Mémoire
Présentée en vue de l'obtention du diplôme de MAGISTER
COMPENSATION D’ENERGIE
REACTIVE
PAR CONVERTISSEUR
STATIQUE.
Option
Par
Mr. HADDAD SALIM
Soutenu le : /
DEVANT LE JURY
/ 2006.
Grade
Etablissement
PRESIDENT
:
Mr. A. BENRETEM
MC
U ANNABA
RAPPORTEUR
:
Mr. A. HADDOUCHE
MC
U ANNABA
Mr. S. SAAD
MC
U ANNABA
Mr. E. HADJAJ AOL
MC
U ANNABA
EXAMINATEURS :
i
En signe de respect et de reconnaissances, je dédie ce travail à mes
très chers parents qui ont tout fait pour me voir heureux.
Je vous aime très fort
Je dédie ce travail ;
A mes frères et sœurs ;
A mes nièces et neveux ;
A tous ceux qui me sont chers.
ii
Je tiens à remercier mon encadreur sans lui ce mémoire n'aurait
jamais eu lieu : monsieur HADDOUCHE ALI, Son encadrement m'a
offert la possibilité d'élargir mon spectre de connaissances scientifiques
et d'ouvrir la voie à des recherches futures.
Je tiens à remercier Monsieur A. BENRETEM pour avoir
présidé mon jury.
J’exprime également ma profonde reconnaissance à Messieurs
S. SAAD et E. HADJAJ AOL d’avoir évaluer ce travail.
J’exprime également ma profonde reconnaissance à mon ami de
toujours monsieur BOUYEDA HOCINE pour son aide.
Qu’ils trouvent ici toute
ma gratitude
ma sincère reconnaissance.
iii
Tables des matières
INTRODUCTION GENERALE………………………………………….. P 1
CHAPITRE I. QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE
Introduction………………………………………………………………………………… P 3
I. 1. Phénomènes perturbateurs de QEE ……………………………………………………P 3
I.2.Indice de QEE…………………………………………………………………………… P 3
I.2.1. Variations de Fréquence………………………………………………………………..P 6
I.2.2. Variation Lente de Tension…………………………………………………………… P 6
I.2.3. Variation rapide de Tension …………………………………………………………. .P 6
I.2.4. Creux de tension………………………………………………………………………. P 7
I. 2.5. Les Surtensions ……………………………………………………………………… P 8.
I.2.6. Harmoniques………………………………………………………………………….. P 9
I.2.7. Déséquilibre du courant et de la tension…………………………………………….. P12
I.3. Solutions d’amélioration QEE dans un réseau électrique
I.3.1. Solutions traditionnelles ……………………………………………………………...P14
I.3.1.1. Déséquilibre (élimination des courants perturbateurs)……………… …….P14
I.3.1.1.1. Rééquilibrage des courants du réseau électrique ……………… ..P14
I.3.1.2. Harmonique (Compensation des courants harmoniques)…………………...P15
I.3.1.3. Creux de tension (élimination des tensions perturbatrices) ………… ……..P16
I.3.1.4. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)…………………………… P17
I.3.2. Solutions modernes
I.3.2.1. Harmoniques (Dépollution des courants perturbateurs) ………………… ...P17
I.2.2. Creux de Tension (Dépollution des tensions perturbatrices) ………………....P18
I.3.2.3. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)……………………………...P18
I. 4. Vue d’ensemble sur les principaux phénomènes perturbateurs,
Avec quelque solution…………… P19
I. 5. Conclusion ……………………………………………………………………………. P20
Tables des matières
iv
CHAPITRE II. ANALYSE DES METHODES DE L’AMELIORATION
DU FACTEUR DE PUISSANCE.
Introduction ……………………………………………………………………………...P 21
II.1. Notions de Puissance électrique en alternatif sinusoïdal……………………………..P 24
II.2. Inconvénient d’un faible facteur de puissance…...................................................... P25
II.3. Causes du faible facteur de puissance……………………………………………… P 27
II.4. Moyens d’amélioration du facteur de puissance…………………………………… P 27
II.4. 1.Théorie de compensation d’énergie réactive ……………………………...P 27
II.4.2. Moyens de compensation de puissance réactive …………………………P 29
II.4.2.1. Compensateurs synchrones…………………………………………….P 29
II.4.2.1.1. Description du convertisseur synchrone ……………………P 30
II.4.2.1..2. Modélisation du convertisseur synchrone …………………..P 31
1. Le modèle de l'alternateur …………………………………….P 31
2. Le modèle du moteur synchrone ……………………................P 33
II.4.2.1..3. Mode de fonctionnement en Alternateur dans un réseau ……P 35
II.4.2..2. Batteries de condensateurs……………………………………………..P 38
II.4.2.2.1. Compensation Shunt …………………………………………P 39
II.4.2.2.2. Compensation Série ………………………………………….P 42
II.4.2.3. Compensateurs Statiques………………………………………………..P 44
II.4.2.3.1.Compensateur Statique à Capacité Variable (TS.C)…………..P 44
II.4.2.3.2. Compensateur Statique à réactance contrôlé (TS.R)………….P 45
II.4.2.3.3. Mode de Control et Réglage des Compensateurs Statiques…..P 46
II.4.2.4. Convertisseurs Statiques…………………………………………………P 49
II.4.2.4.1. Compensateurs Parallèles……………………………………..P 49
II.4.2.4.2. Compensateurs Parallèles ……………………………………..P 52
II.4.2.4.3. Compensateurs Hybride Parallèle série ……………………….P 53
II.5. Conclusion …………………………………………………………………………... P 54
v
Tables des matières
CHAPITRE III. AMELIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE
PAR U P F C.
Introduction………………………………………………………………………………...P 55
III.1. Flux de puissance dans une ligne de transmission …………………………………...P 56
III.2. Systèmes de Transmission à Courant Flexible
(FACTS) …………………………………………………………P 60
III.2.1. Elément de base (thyristors) des FACTS ………………………………………….P 61
III.2..2. Composants modernes pour convertisseurs
De grandes puissances………………………………………………………P 62
III.2..3. Topologies modernes des convertisseurs
Pour l’interaction avec le réseau…………………………………………….P 63
III.2.4. Technique MLI ……………………………………………………………………P 65
III.3. Le régulateur de charge universel (UPFC)…………………………………………...P 67
III.3.1. Opération de Base et Caractéristiques de L’ UPFC ……………………………….P 69
III.3.1.1. Mode de Control automatique …………………………………………...P 72
III.3.1.2. Mode de compensation. ………………………………………………….P 76
III.4. Conclusion …………………………………………………………………………....P79
CHAPITRE IV. MODELISATION ET SIMULATION
DE L’U P F C.
Introduction…………………………………………………………………………………P 80
IV.1. Principe de fonctionnement de l’ UPFC ……………………………………………..P 80
IV. 2. Modélisation du régulateur de charge (UPFC) ……………………………………...P 82
IV.2.1. Le modèle Permanent……………………………………………………………….P 82
IV.2.2. Le modèle linéaire …………………………………………………………………P 82
vi
Tables des matières
IV.2.3. Le modèle de l’état dynamique………………………………………………...P 83
IV.3. Modèle de Stabilité Transitoire………………………………………………………P 83
IV.3.1. Etat dynamique………………………………………………………………………P 83
IV .3.2. Etat stable ………………………………………………………………………… P 89
IV .3.3. Limites de contrôle ………………………………………………………………. P 89
IV .3.3.1. Limites de Control du Convertisseur shunt …………………………….P 90
IV .3.3.2. Limites de Control du Convertisseur série ……………………………. P 91
IV.3.4. Mode de Control du régulateur de charge (UPFC)………………………………... P 93
IV.3.4. 1. Mode de Control du convertisseur Shunt ………………………P 93
IV.3.4. 2. Mode de Control du convertisseur Série ……………………….P 95
IV. 4. Réseau étudié ………………………………………………………………………………. P 99
IV.5. SIMULATION ………………………………………………………………P 102
IV.6. Conclusion ………………………………………………………………….. P103
CHAPITRE V. TRAITEMENT DES RESULTATS
V.1. Résultats de Simulation ………………………………………………………P 104
CONCLUSION GENERALE ……………………………………….P 108
REFERENCES ……………………………………………………….P 111
ANNEXES……………………………………………………………. P114
vii
Liste des Figures
Fig.I.1. Fluctuations de Tension…………………………………………………………… P6
Fig. I.2. Creux de Tension…………………………………………………………………. P7
Fig. I.3. Surtension transitoire……………………………………………………………… P8
Fig. I.4. Effet des Charge non linéaire…………………………………………………….. P9
Fig. I.5. Distorsion provoquée par les harmoniques……………………………………….. P10
Fig. I.6. Diagramme de Fresnel des puissances……………………………………………. P12
Fig. I.7. Déséquilibre de Tension…………………………………………………………… P13
Fig. I.8. Montage de Steinmetz pour le rééquilibrage…………………………………….... P15
Fig. I.9. Filtre passif résonnant …………………………………………………………….. P16
Fig. I.10. Filtre passif amorti………………………………………………………………. P16
Fig. II.1. Synoptique d’un réseau complet…………………………………………………. P22
Fig. II.2. Tension&Courant en alternatif sinusoïdal………………………………………… P24
Fig.II.3. Impact du Facteur de Puissance …………………………………………………… P25
Fig.II.4. Principe de compensation………………………………………………………… P27
Fig.II.5. Stator convertisseur synchrone…………………………………………………. P30
Fig. II.6. Modèle de l’alternateur ………………………………………………………… P31
Fig. II.7. Diagramme vectoriel (Modèle alternat.)………………………………………… P32
Fig. II.8. Modèle du moteur ………………………………………………………………… P33
Fig. II.9. Diagramme vectoriel (Modèle moteur.)…………………………………………… P34
Fig. II.10. Interaction Compensateur Synchrone avec réseau………………………………. P35
Fig. II.11. Modes de fonctionnement du compensateur synchrone ……………………….. P37
Fig. II.12. Compensation Shunt …………………………………………………………….. P39
Fig. II.13. Diagramme Vectoriel…………………………………………………………… P41
Fig. II.14. Compensation Série………………………………………………………………. P42
Fig. II.15. Compensateur TSC……………………………………………………………… P45
Fig. II.16. Compensateur TSR………………………………………………………………… P46
Fig. II.17. Schéma de régulation en boucle fermée………………………………………… P46
Fig. II.18. Système de Régulation de la puissance réactive………………………………… P48
Fig. II.19. Schéma fonctionnel d’un STATCOM……………………………………………. P50
Fig. II.20. Diagramme vectoriel de STATCOM…………………………………………… P51
Fig. II.21. Schéma fonctionnel d’un SSSC………………………………………………… P52
Fig. III.1. Ligne de transmission…………………………………………………………… P56
Fig. III.2. Développement et limites de puissance des dispositifs conventionnels………… P61
Fig. III.3. Transistor IGBT en boîtier pressé et a tension de blocage élevée. ……………… P62
Fig. III.4. Thyristor IGCT a commande intégrée…………………………………………… P63
Fig. III.5. Convertisseur de tension ………………………………………………………… P64
Fig. III.6. Convertisseur MLI……………………………………………………………… P66
Fig. III.7. UPFC……………………………………………………………………………… P68
Fig. III.8. Configuration U P F C……………………………………………………………. P69
Fig. III.9. Diagramme de phase………………..............................................................
P70
80
Liste des Figures
Fig. III.10. Ligne de transmission avec U P F C
Fig. III.11. Mode de control automatique
Fig. III.12. Relation P-Q pour différentes valeurs de δ
P72
P72
Fig.III.13. Mode de Compensation.
Fig. III.14. Schéma équivalent UPFC
Fig. III.16. Diagramme de phase.
P76
Fig.IV.1. Modèle Fonctionnel (UPFC)
Fig.IV.2. Modèle Stabilité Transitoire
Fig. IV.3. Limites de control du convertisseur shunt en état stable.
Fig. IV.4. Limites de control du convertisseur série en état stable.
Fig.IV.5. Control de base de l’amplitude de la tension envoyée Par le convertisseur Shunt.
Fig.IV.6. Control de base de l’angle (α) de la tension produite Par le convertisseur Shunt
Fig.IV.7. Mode de Control (PQ).
Fig. IV.8. Synoptique du réseau bouclé MSA
Fig. IV.9. Puissance active& réactive four a l’arrêt
Fig. IV.10. Puissance active& réactive four en marche.
Fig. IV.11 Comparaison Cos φ ; a. Four a l’arrêt b. Four en Marche.
Fig. IV.12. Incorporation d’un UPFC dans le réseau HT/MT
Du complexe MITTAL STEEL ANNABA.
P81
P75
P77
P77
81
P84
P91
P92
P94
P95
P96
P99
P100
P101
P101
P102
Introduction Générale
Les distributeurs et les utilisateurs de l’énergie électrique ont été toujours confrontés à un
certain nombre de difficultés inhérentes à la continuité de service, au rendement de
transmission de l’énergie, aux variations de l’amplitude de la tension ; ainsi qu’à des
autres phénomènes tels que les fluctuations rapides de tension et les déséquilibres de
tension.
En 1985, une directive européenne ‘ relative au rapprochement des dispositions des états
membres en matière de responsabilité du fait des produits défectueux’ stipulait
explicitement que l’électricité est aussi un produit. Depuis on parle beaucoup de la
qualité du produit d’énergie électrique, cette dernière est supposée excellente à la sortie
des centrales avec une tension et fréquence optimales. Le système entier « productiontransport- distribution » contribuer a consolider cette qualité « stabilité d’amplitude et de
fréquence », mais elle subit nombre de contraintes au cours de son transport sous
l’influence des installations perturbatrices ou parfois à des incidents atmosphériques.
L’énergie électrique alors est un produit différent qui pose des problèmes de qualité
différents des autres produits industriels ; donc le maintien d’une bonne qualité du
produit demeure le souci majeur des exploitants des réseaux électrique, notamment avec
la croissance des utilisateurs des taux d’harmoniques et de déséquilibre de courants.
La circulation de ces courants perturbés provoque des problèmes de stabilité, surcharge
des lignes, importante consommation d’énergie réactive et d’une manière générale
l’accroissement des pertes.
Par le passé, ces problèmes ont été résolus (anticipé) en ayant des marges de stabilité, le
problème d’augmentation de la charge ne se posé plus, avec l’utilisation des moyens
classiques (transformateurs déphaseur, compensation série ou parallèle d’énergie
réactive, modification des consignes de production, action sur l’excitation des
générateurs). Mais ces techniques s’avèrent actuellement trop lentes et insuffisantes pour
répondre efficacement aux perturbations du réseau sous l’effet des nouvelles contraintes.
Pour répondre a ces nouvelles contraintes et résoudre les problèmes de la qualité
d’énergie, notamment l’amélioration du facteur de puissance il y a tendance d’utilisé des
nouvelles techniques utilisons les FACTS.
Ces éléments permettent d’améliorer la stabilité du système, de contrôler les transits
de puissance, gérer les échanges de puissance réactive en temps réel et par
82
Introduction Générale
Conséquent une exploitation efficace des réseaux par action continue et rapide sur les
différents paramètres du réseau (déphasage, tension, impédance).
Les perturbations causées par la croissance de la demande d’énergie réactive ont un
impact sur la stabilité d’un réseau électrique. Les conséquences peuvent être très graves,
pouvant même conduire à l’effondrement du réseau.
Notre travail se veut une analyse profonde des indices de qualité d’énergie et des moyens
de leur amélioration. L’étude de technique de compensation par convertisseur nous a
permis de prouver son efficacité du point de vue amélioration de qualité d’énergie aussi
que la stabilité du réseau lui même.
Le présent mémoire se compose de cinq chapitres :
Le premier chapitre sera consacré à la description des perturbations qui affectent le
courant et la tension dans un réseau électrique autrement dit aux indices de qualité
d’énergie électrique. Dans ce chapitre nous présenterons également les différentes
méthodes d’amélioration modernes et traditionnelles. Tout en terminant par une analyse
comparative des différentes techniques.
Dans le deuxième chapitre, nous étudierons la compensation d’énergie réactive comme
solution d’amélioration de la QEE, nous présenterons l’influence d’un mauvais facteur de
puissance sur les utilisateurs, fournisseurs et producteurs d’énergie électrique dans le but
de son amélioration tout en terminant par une analyse comparative des différents
techniques de compensation d’énergie réactive.
Le troisième chapitre sera consacré aux dispositifs FACTS, nous détaillerons le principe
de compensation de ces dispositifs ainsi que leur influence sur le flux de puissance.
Le quatrième chapitre, nous passerons à la modélisation et la simulation du réseau
électrique en question (réseau d’alimentation complexe sidérurgique MITTAL STEEL
ANNABA) avec l’incorporation de l’ UPFC en utilisant le logiciel MATLAB – PSAT.
Le cinquième chapitre sera consacré au traitement des résultats.
83
Notre travail s’achèvera par des conclusions et des recommandations pour l’amélioration de
la qualité de l’énergie électrique.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Introduction
Ces vingt dernières années, on parle beaucoup de la qualité de l’énergie électrique
(QEE). Cette dernière est supposée excellente a la sortie des centrales, le système de
transmission de cette énergie contribue a consolider cette qualité (stabilité
d’amplitude et de fréquence, puissance de court circuit….), alors qu’en pratique elle
subit nombreuse altérations au cours de son transport, principalement sous l’influence
des installations perturbatrice, de la clientèle ou des incidents fortuits.
La tension subit généralement beaucoup de perturbations de deux origines distinctes
[1] :
•
Les perturbations de tension causées par le passage, dans les réseaux
électrique, des courants perturbateurs comme les courants harmoniques,
déséquilibres réactifs.
•
Les perturbations de tension causées par des tensions perturbatrices comme
les tensions harmoniques et déséquilibrées et les creux de tension.
Ces perturbations ont des conséquences néfastes sur le réseau, allons parfois à
l’effondrement de ce dernier et mettre en nocturne toute une population. Ce qui oblige
tous les acteurs en présence, qu’ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs ou
intervenants. Parmi tous ces acteurs le gestionnaire à une responsabilité de mettre en
œuvre les moyens pour maîtriser ces contraintes qui s’imposent. Pour ce faire
plusieurs solutions d’amélioration de sont a distinguées.
I. Phénomènes perturbateurs de QEE
I.1. Indice de QEE
84
L’alimentation électrique consiste en un système triphasé d’ondes de tension qui se
caractérise par [1] :
•
La fréquence,
•
L’amplitude des trois tensions,
•
La forme d’onde qui doit être la plus proche possible d’une sinusoïde,
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
•
La symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules des
trois tensions et leur déphasage relatif.
Une alimentation parfaite n’existe pas, on dit que les quatre caractéristiques sont
affectées de « perturbations », de nature physique, incidents liés à l’installation ou
bien des incidents liées à l’exploitation.
Le tableau I.1 synthétise la définition de la qualité d’énergie et met en évidence les
phénomènes perturbateurs qui dégradent cette qualité [2].
QUALITE DE PUISSANCE=
Continuité de Tension+Qualité de Tension.
QEE
Phénomènes perturbateurs
Continuité de Tension
-Longues interruptions
Qualité de tension
-Fréquence :
Déviations
-Amplitude :
Déviations
Flicker
Descente
-Forme d’onde : Harmoniques (inter.)
-Symétrie :
85
Déséquilibre.
Tab. I.1. QEE et phénomènes perturbateurs.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Donc quatre possibilités distinctes de perturbations sont a souligner:
1. Les fluctuations de la fréquence : elles sont rares et ne sont observées que
lors de circonstances exceptionnelles, par exemple certains défauts graves du
réseau, au niveau de la production ou du transport.
2. Les variations de l’amplitude : il ne s’agit pas des variations lentes de tension
qui sont corrigés par les transformateurs de réglage, mais de variations rapides
de tension ou de creux de tension se présentant souvent sous forme d’à-coups
brusque. Les creux de tension peuvent être soit isolés, soit au moins répétitifs,
de forme régulière ou non.
3. La modification de la forme d’onde de la tension :cette onde n’est alors plus
sinusoïdale, et peut être considérée comme représentable par une onde
fondamentale à 50Hz, associée soit à des harmoniques de fréquences multiples
entier de 50Hz, soit de même parfois à des ondes de fréquence quelconque.
4. La dissymétrie du système triphasé, que l’on appelle déséquilibre.
On peut, en plus, mentionner un type particulier de perturbations difficile à classer
puisqu’il concerne tout à la fois l’amplitude et la forme d’onde : ce sont les variations
transitoires d’amplitude dont la durée est inférieur à 10 ms [1].
Afin de bien analyser les perturbations des réseaux électriques, afin de trouver les
meilleures méthodes d’amélioration, nous allons s’intéresser a
deux types de
perturbations, à savoir les perturbations de courant et celles de tension.
•
Les courants perturbateurs comme les courants harmoniques, les
courants déséquilibrés et la puissance réactive sont majoritairement
86
émis par des charges non linéaires, à base d’électronique de puissance,
et/ou déséquilibrés. La puissance réactive peut être aussi consommée
par des charges linéaires inductives comme les moteurs asynchrones
qui sont largement présents dans les sites industriels.
•
Les perturbations de tension comme les creux, les déséquilibres et les
harmoniques de tension trouvent généralement leurs origines dans le
réseau électrique lui-même parfois également dans les charges.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
II.2. Variations de Fréquence
Les variations de fréquence sont généralement très faibles (moins de 1%) et ne
causent pas en général des préjudices aux équipements électriques et électroniques
[1]. Mais peuvent être gênantes sur dans les petits réseaux isolé ou certain processus
nécessitent un réglage très précis et peuvent subir des dysfonctionnement en cas
d’alimentation par un groupe de secours avec des fréquences non stable. La norme
EN50160 exige que la fréquence ne doit pas dépasser (50+1 HZ), a la rigueur et en
tenant compte parfois des conditions extérieurs la valeur de la fréquence peut être
tolérée jusqu’au (50+2 HZ).
II.3. Variation Lente de Tension
La valeur efficace de la tension varie continuellement, en raison de modifications des
charges alimentées par le réseau. Les appareils usuels peuvent supporter sans
inconvénients des variations lentes de tension dans une plage d’au moins de ±10% de
la tension nominale.
II.4. Variation rapides de Tension
Des fluctuations de tension, répétitives ou aléatoires, sont provoquées par des
variations rapides de puissance absorbée ou produite par des installations telles que
les soudeuses, four a arc, éoliennes…etc.
87
Fig.I.1. Fluctuations de Tension [2]
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
II.5. Creux de tension
Un creux de tension est une diminution brusque de la tension de fourniture U f. Cette
diminution, située entre 90% et 10% de la tension nominale
Un,
est suivie du
rétablissement de la tension après un cours laps de temps. Un creux de tension peut
durer de 10 ms à 3 min [1]. La plupart des appareils électriques admettent une coupure
totale d’alimentation d’une durée inférieure à 10 ms.
Fig. I.2. Creux de Tension [2]
Origines :
Il y a deux types de phénomène à l’origine des creux de tension :
88
•
Ceux provenant du fonctionnement d’appareils à charge fluctuante ou de la
mise en service d’appareils appelant un courant élevé au de démarrage
(moteurs, transformateurs……….etc.).
•
Ceux liés aux phénomènes aléatoires, comme la foudre ou tous les courtscircuits accidentels sur les réseaux de distribution, ou les réseaux internes des
clients (défaut d’isolation, blessure de câble, projection de branches sur les
lignes aériennes).
Les creux de tension sont caractérisés par leur profondeur et par leur durée. Ils sont
monophasés, biphasés ou triphasés suivant le nombre de phases concernées.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Conséquences :
Les creux de tension sont susceptibles de perturber le fonctionnement de certaines
installations industrielles et tertiaires. En effet, ce type de perturbation peut causer des
dégradations de fonctionnement des équipements électriques qui peuvent aller jusqu’à
la destruction totale de ces équipements.
II. 6. Les Surtensions
Les surtensions les plus fortes, mais heureusement peu fréquente sont du
généralement au conditions atmosphérique (Foudre). Leur amplitude peut atteindre
plusieurs KV dans les réseaux aériens BT. Et elles peuvent se propager même dans les
réseaux BT souterrains.
Les surtensions transitoires se produisent aussi dans les installations des utilisateurs
(clients)
lors du déclenchement d’appareils BT. Leur contenu énergétique est
moindre que pour les surtensions de foudre, mais leur amplitude peut dépasser 1 KV
en BT [1], ce qui présente un danger pour les circuits électroniques.
89
Fig. I.3. Surtension transitoire [2]
Conséquences :
Les
surtensions
transitoires
peuvent
provoquer
des
dégâts
importants,
dysfonctionnement des appareils sensible, cette sensibilité a augmenté avec le
développement de l’électronique de contrôle, commande et de puissance.
La norme EN50160 fixe les niveaux de surtensions selon le schéma de liaison
à la terre de l’installation :
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
•
réseaux à neutre à la terre (raccordé directement ou avec une
impédance) : la surtension ne devra pas dépasser 1,7 Un ;
•
réseaux à neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas
dépasser 2 Un.
II.7. Harmoniques
Origines :
Dans de nombreux cas le courant consommé par la charge n’a plus une forme de
sinusoïde pure, notamment ces dernières années avec la présence des équipements
électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné une augmentation sensible
du niveau de pollution harmonique dans les réseaux. Ces équipements électriques sont
considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques de
différentes fréquences. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances
du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques au point de
raccordement et alors polluer les consommateurs alimentés par le même réseau
électrique.
90
Exemple de système polluant
Tension e(t)
1
i(t)
e(t)
2
S(t)
Le courant appelé est non
sinusoïdal,
son
contenu
harmonique sera présent sur
toute la ligne de distribution
aval.
t
déclenchement
des thyristors
i(t)
Fig. I.4. Effet des Charge non linéaire [5]
Conséquences :
De nombreux effets des harmoniques sur les installations et les équipements
électriques peuvent être cités.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Fig. I.5. Distorsion provoquée par les harmoniques [3]
Les effets les plus importants sont l’échauffement, la diminution du facteur de
puissance, usure prématuré des équipements
l’interférence
avec les réseaux de
télécommunications et fonctionnement intempestif des équipements
•
L’échauffement : les pertes totales par effet joule sont la somme de celles du
fondamental et des harmoniques.
91
•
l’interférence avec les réseaux de télécommunications : le couplage
électromagnétique entre les réseaux électrique et de télécommunication peut
induire dans ces derniers des bruits importants. Dans le cas de résonances, une
partie des réseaux de télécommunications peut être rendue inutilisable.
•
Les défauts de fonctionnement de certains équipements électriques : En
présence des harmoniques, la tension (ou le courant) peut changer plusieurs
fois de signe dans une demi période ; par conséquent, tout appareil dont le
fonctionnement est basé sur le passage par zéro des grandeurs électriques
(appareils utilisant la tension comme référence) peut être perturbé.
•
Le risque de résonance : Les fréquences de résonance des circuits formés par
des inductances des transformateurs et des câbles sont normalement élevées.
Ce n’est pas le cas lorsque des batteries de capacité sont raccordées au réseau
pour relever le facteur de puissance ; les fréquences de résonance peuvent
devenir assez faibles, et coïncider ainsi avec celles des harmoniques engendrés
par les convertisseurs statiques.
Dans ce cas, il y aura des phénomènes d’amplification d’harmoniques.
Différentes grandeurs sont définies pour chiffrer ces perturbations.
Parmi celles-ci les plus utilisées sont :
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
1. Le taux d’harmonique de rang h :
S =
h
Où :
C
C
(I.1)
h
1
C h représente la composante harmonique de rang h,
C 1 représente la composante fondamentale.
2. Le taux global de distorsion harmonique :
THD =
3. Le facteur de puissance :
92
∞
2
∑
C
C
2
h
2
1
(I.2)
Normalement, pour un signal sinusoïdale le facteur de puissance est donné
par le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S. les
générateurs, les lignes de transport et les appareils de contrôle et de
mesure sont dimensionnés pour la tension et le courant nominaux. Une
faible valeur du facteur de puissance se traduit par une mauvaise utilisation
des ces équipements.
Dans le cas où il y a des harmoniques, une puissance supplémentaire
appelée la puissance déformante (D), donnée par la relation, apparaît
comme le montre le diagramme de Fresnel
D = 3.V
50
h =2
∑
1
I
2
(I.3)
h
Le facteur de puissance (F. P) devient :
F.P =
P
= cos ϕ . cos γ
P +Q +D
2
2
1
2
On voit bien que les harmoniques affectent aussi le facteur de puissance
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
S’
D
γ
Q
S
P
Φ1
Fig. I.6. Diagramme de Fresnel des puissances
93
(I.4)
Il est usage de dire que, dans les installations industrielles, les tensions harmoniques
dont le THD est inférieur à 5% ne produisent pas d’effet notable. Entre 5% et 7% on
commence à observer des effets, et pour plus de 10% les effets sont quasi certains [1].
La norme EN50160 fixe les niveaux de tensions harmoniques jusqu’au 25ème
rang et indique que le taux global de distorsion harmonique ne doit pas
dépasser 8 %.
Concernant la puissance réactive, le fournisseur autorise ses clients à en consommer,
sans être facturé, jusqu’à 40% de la puissance active absorbée [4]. Cela se traduit,
pour des charges linéaires, par un facteur de puissance cosφ ≥0.928 ou par un angle de
phase φ≤21.8° [5].
I.8. Déséquilibre du courant et de la tension
Origine du déséquilibre :
Un récepteur triphasé électrique qui n’est pas équilibré et que l’on alimente par un
réseau triphasé équilibré conduit à des déséquilibres de tension dus à la circulation de
courant non équilibrés dans les impédances du réseau. Ceci est fréquent pour les
récepteurs monophasés basse tension. Mais cela peut également être engendré, à des
tensions plus élevées, par des machines à souder, des fours à arc ou par la traction
ferroviaire.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Fig. I.7. Déséquilibre de Tension [6]
94
Conséquences du déséquilibre :
Il est plus intéressant d’abord le problème du déséquilibre par type d’équipement. Le
déséquilibre d’une installation triphasé peut entraîner un dysfonctionnement des
appareils basses tensions connectés :
•
Mauvais fonctionnement d’un appareil monophasé alimenté par une tension
très faible
(Lampe à incandescence qui fournit un mauvais éclairage).
•
Destruction d’un appareil monophasé alimenté par une tension trop élevée, il
peut être détruit (claquage d’un filament de lampe par surtension).
Concernant les dispositifs triphasés d’électronique de puissance, principalement les
ponts redresseurs, le fonctionnement en présence de déséquilibre entraîne l’apparition
de composantes harmoniques non caractéristiques, notamment des harmoniques de
rang multiples de 3. L’apparition de ces courants harmoniques peut poser des
problèmes, comme la génération d’une anti-résonance lors du filtrage de l’harmonique
de rang 5 [1].
Outre les effets classiques des harmoniques, ces fréquences non caractéristiques
peuvent conduire, dans certains cas, au blocage de la commande.
La conséquence des composants inverses sur les machines tournantes est la création
d’un champ tournant en sens inverse du sens de rotation normal, d’où un couple de
freinage parasite et des pertes supplémentaires qui provoquent l’échauffement de la
machine.
Concernant les effets d’un déséquilibre homopolaire, il faut signaler le risque
d’échauffement du conducteur neutre dans un réseau BT qui, lorsque le conducteur est
d’un diamètre trop faible, peut provoquer une rupture du conducteur ou un incendie.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
La norme EN50160 fixe le taux de déséquilibre inverse admissible à 2 % sur
les valeurs efficaces calculées sur10 minutes pour 95 % du temps d’une
semaine.
95
II. SOLUTIONS D’ AMELIORATION QEE DANS LES RESEAUX
ELECTRIQUES
Afin de compenser les perturbations, séparées en deux types : courant et tension, deux
solution d’amélioration, traditionnelle et moderne, vont être étudiées.
II.1. Solutions traditionnelles
Suivant les types des perturbation, courant et tension, deux solutions traditionnelles de
sont analysées.
II.1.1. Déséquilibre (élimination des courants perturbateurs)
Afin de dépolluer les réseaux électrique de ce type de perturbation, plusieurs solutions
existent.
II.1.1.1. Rééquilibrage des courants du réseau électrique
Puisque les courants déséquilibrés dans un réseau électrique basse tension résultent
généralement des charges monophasées et biphasées mal réparties, la première
solution est la répartition égale des charges sur les trois phases.
Une autre solution est l’installation d’un compensateur passif composé d’inductance
et de condensateur. La figure (I.8) montre ce compensateur
appelé montage de
Steinmetz. Ce montage permet de présenter à 50 Hz une impédance équilibrée [1].
Cependant, le montage de Steinmetz provoque un fort déséquilibre pour des
fréquences différentes de50 Hz,
Avec des résonances qu’il faut éviter d’exciter à proximité d’un générateur
d’harmoniques.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
96
X = Lω = 3R
R
Réseau
Triphasé
Charge
résistive
X=
1
= 3R
Cω
Fig. I.8. Montage de Steinmetz pour le rééquilibrage.
II.1.1.2. Harmonique (Compensation des courants harmoniques)
Plusieurs solutions existent pour limiter la propagation et l’effet des harmoniques dans
les réseaux électriques :
•
L’augmentation de la puissance de court-circuit du réseau et
l’utilisation de convertisseurs peu polluants qui ont pour effet de
diminuer la distorsion harmonique.
•
L’utilisation de dispositifs de filtrage pour réduire la propagation des
harmoniques produits par la charge non linéaire.
Le filtrage consiste à placer en parallèle sur le réseau d’alimentation une impédance
de valeur très faible autour de la fréquence fondamentale du réseau.
Parmi les dispositifs de filtrage les plus répandus, on distingue :
Le filtre passif résonnant et le filtre passif amorti ou passe-haut.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
97
Fig. I.9. Filtre passif résonnant
Fig. I.10. Filtre passif
amorti
•
Le filtre résonnant est un filtre très sélectif. Il peut se connecter en parallèle
avec d’autres filtres résonnants.
•
Le filtre passe-haut compense les harmoniques supérieurs ou égaux à sa
fréquence propre. Il peut se connecter en parallèle avec d’autres filtres
résonnants.
Ces dispositifs sont utilisés pour empêcher les courants harmoniques de se propager
dans les réseaux électriques. Ils peuvent aussi être pour compenser la puissance
réactive.
Malgré leur large utilisation dans l’industrie, ces dispositifs peuvent présenter
beaucoup d’inconvénients :
•
Manque de souplesse à s’adapter aux variations du réseau et de la charge.
•
Equipements volumineux.
•
Problèmes de résonance avec l’impédance du réseau.
II.1.1.3. Creux de tension (élimination des tensions perturbatrices)
Les tensions perturbatrices dans un réseau électrique basse tension sont
principalement les
Creux de tension, les tensions harmoniques et les tensions déséquilibrés. Ces deux
dernières sont généralement causées par les circulations des courants harmoniques
et/ou déséquilibrés
98
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Pour dépolluer les réseaux électriques de ces deux types de perturbation, on peut
limiter la circulation des courants perturbateurs en utilisant les solutions
traditionnelles présentées précédemment dans le cas des perturbations de courant.
Quant au creux de tension, la solution la plus fréquente dans les milieux sensibles
(hôpitaux, sites industrielles……etc.) est d’utiliser des groupes électrogènes qui se
substituent au réseau électrique. Mais la limitation de la puissance de ces groupes
ainsi que la qualité médiocre de l’énergie électrique fournie restent un problème.
II.1.1.4. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)
La puissance réactive est majoritairement consommée par les moteurs asynchrones et
plus récemment par des dispositifs à base d’électronique de puissance. Différentes
méthodes de compensation sont utilisées pour relever le facteur de puissance. La plus
simple consiste à placer des batteries de condensateur en parallèle avec le réseau et
des compensateurs synchrones produisant de l’énergie, réactive.
II.2. Solutions modernes
Les solutions de dépollution traditionnelle ne répondent plus à l’évolution des réseaux
électriques et des charges à protéger, comme nous venons de le décrire
précédemment, d’autres solutions modernes ont été proposées.
II.2.1. Harmoniques (Dépollution des courants perturbateurs)
La première solution de dépollution consiste à fabriquer la charge la moins polluante
possible, comme le pont redresseur dodécaphasé, de manière à réduire le taux
d’émission d’harmonique. Les appareils à prélèvement sinusoïdal sont aussi proposés
pour la compensation des harmoniques et de la puissance réactive. Cependant, ces
solutions entraînent un coût supplémentaire et demandent plus que le savoir-faire
99
habituel pour les mettre en œuvre. De plus, ces solutions ne résolvent pas les
problèmes causés par les charges polluantes qui existent sur le marché.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
Afin d’accompagner l’évolution des contraintes du fournisseur et du consommateurs
sans imposer un changement aux installations, une famille de filtres actifs parallèles a
été proposée comme une solution de dépollution des perturbations en courants.
II.2.2. Creux de Tension (Dépollution des tensions perturbatrices)
D’autres solutions modernes pour la compensation des creux de tension se base sur
l’utilisation de dispositifs de compensation à réserve d’énergie comme les ASI
(Alimentation sans Interruption). Ces dispositifs sont intercalés en série entre le
réseau polluant et l’installation à désensibiliser pour assurer une fourniture de
l’énergie électrique même pendant les creux de tension ou les coupures brèves. Le
problème est la limitation en puissance de ces dispositifs et leur autonomie qui n’est
pas toujours adaptée à la durée des creux de tension ou aux coupures brèves.
II.2.3. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)
Afin d'augmenter la performance dynamique et réaliser une compensation variable en
fonction de la consommation d'énergie réactive de la charge, il est nécessaire d'utiliser
des convertisseurs statiques de puissance réactive avancée [ ],
utilisés plus
particulièrement pour injecter de la puissance réactive en un point du réseau, de façon
à augmenter la puissance maximale transmissible et la stabilité du réseau.
Les convertisseurs statiques de puissance réactive, tel que les éléments FACTS
(STAT COM, UPFC,..) utiliser aujourd’hui des onduleurs triphasés pour régler la
puissance réactive absorbée ou transmise au réseau, d’autre applications plus récente
en développement, sont la compensation Série , le variateur de charge UPFC utilisé
surtout dans les réseaux de transmission afin d’augmenter la stabilité du réseau de
transmission [ ]. Ce dernier fera l’étude de notre mémoire.
100
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
III. Vue d’ensemble sur les principaux phénomènes perturbateurs,
avec quelque solution [2]
Type de
perturbation
Origine
Conséquences
Solutions
Possibles
Coupure longue
Court-circuit, surcharge,
déclenchement intempestif,
(maintenance)
Arrêts d'équipements, pertes de
production, dégâts
Alimentation de secours
(réseau),
alimentation sans
interruption
(ASI)
Court-circuit,
(enclenchement de
gros moteur)
Arrêts d'équipements, pertes de
production, dégâts
Creux de tension
et coupure brève
Fluctuation
rapide
(Flicker)
Harmonique
Installations fluctuantes (four
à
arc, soudeuse, moteur à
démarrage
fréquent, éolienne…)
Papillotement de l'éclairage
Conditionneur de réseau,
conception de
l'équipement sensible,
alimentation sans
interruption
Compensateur synchrone,
compensateur statique de
puissance réactive,
conditionneur
actif, condensateur série
Installations non linéaires
(électronique de puissance,
arcs
électriques…)
Effets thermiques (moteurs,
condensateurs,
conducteurs de neutre…),
diélectriques
(vieillissement d'isolant) ou
quasi
instantanés (automatismes)
Filtrage actif ou passif,
self anti-harmonique,
déclassement
d'appareil
Installations non linéaires et
fluctuantes (four à arc,
soudeuse,
éolienne), changeurs de
fréquence,
télécommande centralisée
Papillotement de l'éclairage
fluorescent,
dysfonctionnement
d'automatismes,
dégâts mécaniques sur machines
tournantes
Filtrage actif ou passif,
amortissement
de filtres antiharmoniques,
conception de
l'équipement sensible
Déséquilibre
Installations déséquilibrées
(traction ferroviaire…)
Echauffement de machines
tournantes, vibrations,
dysfonctionnement de
protections
Dispositif d'équilibrage,
conditionneur de réseau
Surtension
Court-circuit, commutations,
Déclenchements, danger pour
Séparation galvanique,
Inter harmonique
101
foudre
les
personnes et pour les matériels
enclenchement
synchronisé, résistance de
pré insertion
Tab. I.2. Principaux phénomènes perturbateurs.
Chapitre I. Qualité d’énergie électrique
III. Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté les perturbations affectant
la qualité de
l’énergie électrique (Q.E.E) dans un réseau électrique, cette dernière est caractérisée
par les indices suivants :
•
La fréquence.
•
L’amplitude des trois tensions.
•
La forme d’onde.
•
La symétrie.
Parmi les facteurs qui provoque des perturbations majeurs et déprécié la Q.E.E sont :
•
Variations de la fréquence.
•
Variations lentes&rapides de la tension.
•
Harmoniques (inter harmonique).
•
Dissymétrie du système triphasé (déséquilibre).
Nous avons présenté plusieurs solutions d’amélioration traditionnels et modernes tels
que :
•
Rééquilibrage des courants du réseau.
•
Filtrages des harmoniques.
•
Compensation d’énergie réactive.
L’amélioration du facteur de puissance constitue sans doute un paramètre très
important dans l’amélioration de la qualité de l’énergie du point de vue technique et
économique.
102
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Introduction
L’histoire des réseaux de distributions d’énergie électrique est née en 1882 avec la
mise en place à NEW-YORK, par Edison, d’une centrale de génération électrique à
courant continu d’environ 33KW. Il semble que la première station de distribution
d’énergie électrique en Angleterre fut construire à Londres à peu près en même temps
et qu’elle fonctionnait aussi en courant continu sous une tension de 100volts et une
capacité de 60KW [7].
Ce mode de génération d’énergie électrique (à courant continu) ne permet pas de
transmettre cette énergie très loin car on ne peut la générer et l’utiliser qu’à des
tensions basses pour des raisons de sécurité et d’isolation.
Il fallait donc construire des stations de génération prés des centres de consommation
et chacun y allait de ses propres projets de mini réseaux [7].
L’invention du transformateur en 1885 par Deri et autres, et la construction par
Stanley d’un transformateur utilisable pour la distribution d’énergie démontrèrent en
1884-1886 que le futur passait par l courant alternatif. Mieux encore, le brevet anglais
numéro 6481 émis à Nicolas Tesla en 1888 [7] amorça la distribution et l’usage de
l’énergie électrique en systèmes polyphasés.
La contre verse entre Edison qui proposait le courant continu et Westinghouse qui
avait acquis les droits sur les transformateurs et proposait le courant alternatif, fait la
manchette des grands quotidiens de l’époque et se régla par la suprématie du c.a. en
1890 une première ligne de transmission courant alternatif (22Km) à 330 volts était
mise en opération en Orégon. (USA)[7].
Au début de 1894, il existait a Etats-Unis un poste de génération biphasé et quatre
postes de générations triphasés ; un départ modeste mais très prometteur.
103
Actuellement, le réseau électrique réel est constitué de diverses centrales de
productions. Les tensions produites par les alternateurs sont élevées en HT (haute
tension) puis en THT (très haute tension) pour être transportées sur de longues
distances. Après cela, on rabaisse la tension dans la gamme des MT (moyennes
tensions) de façon à alimenter directement des agglomérations ou des industries. Dans
chaque quartier, on trouve des postes de transformation abaisseurs qui délivrent la
tension domestique BT (basse tension : 230V) à un certain nombre de pôles de
consommation.
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Il est à noter que les trois phases des lignes de distribution MT et BT est réparties sur
l'ensemble des utilisateurs de façon à équilibrer au maximum le réseau. En effet, il est
impératif d'imposer l'équilibre des courants pour éviter le déséquilibre des tensions
inévitable lié à l'absence du neutre sur les lignes HT et THT.
La figure II.1 représente le schéma synoptique d'un réseau complet sur le schéma
suivant :
104
Fig. (II.1). Synoptique d’un réseau complet [7]
En analysons ce schéma plusieurs particularités sont à noter :
•
Le réseau électrique doit accéder au plus près des lieux de consommation et
doit former un ensemble maillé de telle manière qu'il y ait toujours plusieurs
chemins possibles pour relier deux points.
•
L'énergie électrique ne se stocke pas, il est donc impératif de fournir en
permanence l'énergie consommée par l'ensemble des utilisateurs.
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Donc pour s’adapter à l’augmentation de l'appel en puissance, des chutes de tension
dues à l'impédance des lignes vont apparaître et par conséquent la tension du réseau
varie en amplitude. Ce problème majeur oblige
l’exploitant de maintenir, en
permanence, l’équilibre entre l’offre et la demande potentielle, étant entendu que
l’équilibre instantané entre la production et consommation est une condition
nécessiteuse de fonctionnement du système production – transport - consommation
(que nous appellerons aussi système électrique, plutôt que réseau).
Les réseaux de transport et d’interconnexion (THT) contribuent donc de façon
déterminante au maintien de l’équilibre entre la demande et l’offre, ainsi qu’à la
sécurité d’alimentation et à l’économie de l’exploitation.
Dans la pratique, on cherche à exploiter un réseau triphasé de transport :
•
En maintenant les chute de tension en tout point de ce réseau entre certaines
limites techniques. La tension en un sommet quelconque d’un réseau se déduit
de la tension en un point où elle est fixée par un alternateur au moyen de
l’expression (approximative) de la chute relative de tension ;
∆U RP + XQ
=
U
U
(II.1)
2
•
En minimisant les pertes actives dues au transit des puissances active et
réactive ; ces pertes peuvent s’exprimer sous la forme :
105
3RI = R
2
P +Q
U
2
2
(II.2)
2
Où P est fixée à un instant donné.
Les expressions (II.1) et (II.2) montrent qu’il est souhaitable d’avoir un plan de tension
U (c’est-à-dire une tension en chaque point du réseau) aussi élevé que possible et de
réduire les transits de puissance réactive Q.
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Pour ce faire il faut :
•
Augmenter l’excitation des alternateurs.
•
Compenser localement la consommation réactive des charges et les pertes
réactives des réseaux Pour réduire les transits de puissance réactive. Ce
dernier point fera l’objet de notre chapitre.
II.1. Notions de Puissance électrique en alternatif sinusoïdal
En alternatif sinusoïdal, les différentes puissances s'expriment facilement en fonction
de V, I et du déphasage ϕ entre courant et tension.
En partant toujours de l’hypothèse d’une tension et d’un courant déphasés d'un angle
φ:
v(t) = Vmax.cos(ωt)
i(t) = Imax.cos(ωt – φ)
v(θ)
i(θ)
0
2π
ϕ >0
Fig. II.2. Tension&Courant en alternatif sinusoïdal.
Puissance apparente
106
θ=ωt
(II.3)
S = Veff.Ieff = V.I
Puissance active
2π
P = 1 ∫v(t).i(t).dt = 1 ∫Vmax.cosθ.I max cos(θ −ϕ)
T (T)
2π 0
2π
Vmax.I max.cosϕ
=Vmax.I max ∫ 1 (cos(2θ −ϕ)+cos(ϕ))=
2π 0 2
2
On utilisons uniquement les tensions et courants efficaces I=Imax/√2 et V=Vmax/√2.
La puissance active s'écrit alors :P = V.I.cosϕ
(II.4)
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Puissance réactive
Q = V.I.sinϕ
(II.5)
La puissance réactive électrique Q peut être positif ou négative, elle dépend du signe
de l'angle de déphasage (φ). Par convention, si une charge est inductive, elle absorbe
de la puissance réactive ; si elle est capacitive, elle fournit de la puissance réactive [8].
En réalité, la puissance réactive sert à l’alimentation des circuits magnétiques des
machines électriques (transformateurs et moteurs) et de certains appareils tels que les
lampes fluorescentes. mais par contre, la transporter en même temps que la puissance
active conduit à surdimensionné les lignes de transport et de distribution et donc à en
augmenter le coût ou les faire fonctionner à leurs limites, ce qui peut conduire à des
instabilités néfastes pour la qualité de service[5].
Facteur de puissance
En alternatif sinusoïdal (uniquement), le facteur de puissance est :
k = cosϕ=P/S
(II.6)
II. 2. Inconvénient d’un faible facteur de puissance
107
La présence d'un facteur de puissance <1 dans une installation a une conséquence très
négative : Le courant fourni pour produire cette puissance est surélevé par rapport au
cas où le facteur de puissance est égal à 1[5].
L'exemple simple ci-dessous le
confirme :
V
I
cosϕ = 1
Puissance P
V
Icosϕ=1 = P/V
2Icosϕ=1 !
I
cosϕ = 0.5
Puissance P
Icosϕ=0.5 =
P/V/0.5 =
Fig.II.3. Impact du Facteur de Puissance [5]
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
En revanche, la tarification de l'énergie comptabilise uniquement la puissance active
consommée. De ce fait, les deux utilisateurs ci-dessus payent la même facture, alors
que le récepteur dont le cosϕ=0.5 consomme deux fois plus de courant efficace [5].
En revanche, les sociétés de production d'énergie électrique surtaxent les utilisateurs
dont le cosϕ est <0.8, de manière à pénaliser le surdimensionnement du réseau
qu'implique la nécessité d'un courant trop grand.
Quand une installation, ou un réseau électrique présente un cosϕ<0.8, il est nécessaire
de modifier l'installation de manière à élever ce facteur [5]. Etant donné que la grande
majorité des installations sont plutôt inductives, c'est-à-dire que le cosϕ<1 est dû à la
présence d'inductances dans les circuits. Donc on constate que le facteur de puissance
peut influencer sur le producteur, distributeur et l’utilisateur et cela comme suit :
a. Pour le producteur
Le dimensionnement d’un alternateur ou d’un transformateur dépend de sa puissance
apparente. Donc à égalité de puissance active l’alternateur, le transformateur, sont
d’autant plus gros et plus coûteux que le facteur de puissance est plus petit [8]. De
plus le rendement des machines est alors faible et la régulation des tensions est plus
difficile.
108
b. Pour le distributeur
Une installation déjà existante (prévue pour une certaine puissance apparente) peut
fournir d’autant moins d’énergie active que le facteur de puissance est plus faible. Elle
est mal utilisée. Le capital investi est d’un moindre rapport [8].
On conçoit dés lors que le producteur et distributeur ne tolèrent pas que l’utilisateur
ait une installation ayant un facteur de puissance trop faible.
c. Pour l’utilisateur
L’utilisation lui-même est directement intéressée par le facteur de puissance de son
installation, il influe sur la chute de tension du transformateur placé à l’entrée de
celle-ci et sur celles des canalisations. De ce fait les moteurs peuvent être sous voltés.
Même s’il supporte les inconvénients dont il est responsable, on conçoit que le
producteur et distributeur
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Ont tout de même de bonne raison de le pénaliser. En cas de facteur de puissance trop
faible, l’utilisateur doit payer l’énergie réactive consommée [8].
II.3. Causes du faible facteur de puissance
Souvent un faible facteur de puissance pour causes de mauvaises conditions
d’utilisations du matériel, ou bien pour des problèmes liées à la construction de ce
dernier [8].
En définitive, un faible
facteur de puissance à souvent pour causes de mauvaise
condition d'utilisation du matériel, ces conditions correspondant par exemple :
- Pour les transformateurs à un fonctionnement à vide ou faible charge.
- Pour les moteurs Asynchrones, à des marches à vide ou à faible charge fréquente,
auxquelles il convient d'ajouter parfois un niveau de tension d'alimentation trop
élevé [8].
- Pour l'éclairage fluorescent a une mauvaise conception.
109
De tout ce qui précède il en résulte qu'où est souvent contraint d'améliorer le facteur de
puissance.
II.4. Moyens d’amélioration du facteur de puissance
II.4.1. Théorie de compensation d’énergie réactive
Considérons l'impédance Z = r.ejϕ = R+jX,
I
représentant une charge inductive (X >0), ci
V
contre.
Z
cosϕ <1
La puissance réactive correspondante est Q =
X.I²
I
L'ajout d'un condensateur C en tête du circuit ne
C
V
modifie pas la charge et ne rajoute aucune
Z
cosϕ'=1
puissance active.
En revanche, C consomme de la puissance
réactive et va donc donner un nouveau facteur de
puissance : cosϕ'
On sait que QC = -CωV².
Le théorème de Boucherot apporte : Qtot = Q +
Fig.II.4. Principe
de compensation
[5].
QC
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
La compensation de puissance réactive consiste à
assurer
Qtot = 0
C’est-à-dire à QC = Q et cosϕ'=1
Le Condensateur à choisir a alors la valeur :
C = X.I²/ωV² = Q/ωV
110
(II.7)
Du coup il est intéressant de connaître la formule générale qui donne la valeur de la
capacité en fonction du cosϕ et du cos ϕ'.
Si cette compensation était parfaite (Q = 0), on aurait une chute de tension relative de
l’ordre de RP/U2 et des pertes de l’ordre de RP 2/U 2.
Les pertes croissant peu lorsque Q < P (soit Q2<<P2), il peut être souhaitable, pour
améliorer la sûreté de l’exploitation, de surcompenser le réseau, c’est-à-dire de fournir
une puissance réactive plus élevée que celle qui est consommée [9], de façon, par
exemple, à annuler la chute de tension (Q = – RP /X). Dans ce cas, on peut montrer
que les pertes augmentent, c’est-à-dire que le gain sur les pertes dû à l’augmentation
de la tension est inférieur à leur accroissement dû à l’augmentation de Q.
Le minimum théorique pour les pertes est donc la compensation totale. Par ailleurs,
d’un point de vue économique, la compensation cesse d’être intéressante lorsque le
coût des moyens de compensation, compte tenu de leur taux d’utilisation, devient
supérieur au gain réalisé sur les pertes [5].
Il appartient donc au planificateur de réseau de rechercher le meilleur compromis et
de doser et localiser la compensation à installer en prenant en compte son coût et ses
avantages [5]. Dans les réseaux chargés, Ce sont alors les alternateurs qui assurent
l’équilibre d’ensemble, avec des performances dynamiques qui rendent leur utilisation
indispensable pour compléter l’action des condensateurs utilisés en base [8].
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
II.4.2. Moyens de compensation de puissance réactive
Les lignes et les câbles, eux, produisent au contraire en permanence la puissance
réactive par leur capacité transversale, mais ils absorbent aussi proportionnellement au
carré de la charge
Par la réactance longitudinale. On sait qu’au total ces deux phénomènes se
compensent lorsque la puissance transitée est égale à la puissance caractéristique [8].
Pratiquement, la puissance transitée est inférieure à la puissance caractéristique dans
tous les câbles HT et dans les câbles MT à grosse section. Les câbles sont donc en
moyenne des producteurs de la puissance réactive.
111
Au contraire, les lignes aériennes transitent fréquemment une puissance supérieure à
leur puissance caractéristique. Elles constituent donc suivant les cas d’une manière
générale,
Aussi bien un consommateur qu’un producteur, de la puissance réactive.
Elle en résulte qu’à pleine charge, on ne doit pas prélever une puissance réactive
importante sur les réseaux de transport, alors qu’au contraire, a faible charge, il est
nécessaire d’en
Prélever une certaine quantité. Dans le premier cas en, effet la puissance réactive
appelée par la charge ne peut être fournie par le réseau de transport qui est lui-même
consommateur mais seulement par les centrales. Elle circule sur tout le réseau de
transport en provoquant des chutes de tensions et des pertes. Dans le deuxième cas, le
réseau de transport étant producteur de puissance réactive, si celle-ci n’est pas
absorbée par la charge, elle remonte jusqu’au générateurs, créant une élévation de
tension, qui peut être excessive, aux points de livraison aux réseaux de distribution.
Pour couvrir les besoins en puissance réactive indispensable pour le fonctionnement
des récepteurs on à souvent recours à ce qu’on appelle les sources supplémentaires de
puissance réactive. Parmi ces ressources on distingue :
•
Les Compensateurs Statiques
•
Les Compensateurs
synchrones peuvent également fournir de l’énergie
réactive
•
Les convertisseurs Statiques
II.4.2.1. Compensateurs synchrones
Dans les systèmes énergétiques, les générateurs synchrones sont les principaux
producteurs de puissances actives et réactives. Pour la puissance active. Ils sont
l’unique source, par contre
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Pour la puissance réactive la quantité produite par ces sources est limite par les
conditions de fonctionnement normales des machines des centrales. La quantité
produite n’est pas constante [10].
112
Les compensateurs synchrones sont très utilisés dans les systèmes électriques pour
résoudre des problèmes de compensation de la puissance réactive et de réglage de la
tension.
II.4.2.1.1. Description du convertisseur synchrone
Le moteur synchrone et l'alternateur sont identiques, fonctionnant à partir des mêmes
principes, et seulement le sens de l'écoulement d'énergie détermine si le convertisseur
est un alternateur ou un moteur. Il faut noter l’énergie circule de la tension qui est en
avance de phase vers la tension qui est en retard de phase [9].
Le convertisseur possède un stator alimenté par une source d'énergie triphasée, les
trois courants de phase produiront un champ magnétique (ϕ1) tournant à 120 f/p, la
bobine secondaire du moteur élémentaire est alimentée avec du courant continu, un
champ magnétique unidirectionnel ( ϕ2) sera existant dans l'axe de la bobine. Les
électrotechniciens avaient surtout besoin des moteurs synchrones pour corriger le
facteur de puissance.
Fig.II.5. Stator
convertisseur synchrone
[9].
Le couple peur être représenté par la formule :
T(t) = k ϕ1ϕ2 sin(ωs - ωm)t + δ.
(II.8)
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
113
Il faudra démarrer les moteurs synchrones au moyen d'un autre moteur ou encore de
combiner une cage d'écureuil (moteur asynchrone) avec une bobine alimentée avec du
courant continu (moteur synchrone).
II.4.2.1.2. Modélisation du convertisseur synchrone
Le convertisseur peut être modéliser en deux models ; moteur ou alternateur.
3. Le modèle de l'alternateur
Si on fait tourner la bobine du rotor de la machine élémentaire et qu'on alimente cette
bobine en courant continu, on génère au stator trois tensions déphasées de 120° dans
le temps.
Si on suppose que le système est équilibré et qu'on tient compte de la phase "a"
seulement, la tension générée dans cette phase voit l'impédance propre Zg de cette
phase.
Le modèle que l'on utilisera contiendra:
Fig. II.6. Modèle de l’alternateur [9]
Une bobine (rotor) qui doit être alimentée par un courant continu Icc; cette bobine
produit le champ unidirectionnel ϕ qui tourne avec le rotor.
-
une source de tension interne Eg que l'on considère sinusoïdale, donc
représentée par un phaseur et dont l'amplitude sera proportionnelle à ϕ
seulement si on néglige la saturation de la carcasse de fer.
-
une impédance Zg que l'on considère constante si on néglige la saturation de la
carcasse de fer, donc représentée par un nombre complexe.
-
une vitesse angulaire ωs que l'on considère constante et qui est produite par le
couple moteur de la source d'énergie primaire Tm.
114
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
-
une tension aux bornes externes Vb qui est disponible pour alimenter une
charge.
-
une charge (en pointillé) qui déterminera la valeur de Ig en réalisant la relation
Vb = Zc Ig
(II.9)
Il faut noter que la vitesse de rotation du système demeure constante aussi longtemps
que
Tm = Tr
(II.10)
Le couple synchrone n'existe qu'à la vitesse synchrone et L’écoulement d'énergie est
de
Eg vers Vb.
Prenant comme référence Vb et supposant une charge inductive, le diagramme des
phaseurs de ce circuit sera:
Fig. II.7. Diagramme vectoriel.
Ce diagramme est complet et sera simplifié encore par l'élimination de Rg.
L’écoulement d'énergie est toujours de la tension qui est en avance de phase vers la
tension qui est en retard de phase Eg vers Vb..
115
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
4. Le modèle du moteur synchrone
Le modèle du moteur synchrone est identique au modèle de l'alternateur, mais pour
bien comprendre les relations d'écoulement d'énergie, on doit le présenter comme
suit :
Fig. II.8. Modèle du moteur [9]
Le modèle que l'on utilisera contiendra:
-
une bobine (rotor) qui doit être alimentée par un courant continu Icc; cette
bobine produit le champ unidirectionnel ϕ qui tourne avec le rotor.
-
une source de tension interne Em que l'on considère sinusoïdale, donc
représentée par un phaseur et dont l'amplitude sera proportionnelle à j
seulement si on néglige la saturation de la carcasse de fer.
-
une impédance Zm que l'on considère constante si on néglige la saturation de
la carcasse de fer, donc représentée par un nombre complexe.
-
une vitesse angulaire ωs que l'on considère constante et qui est produite par le
couple du moteur synchrone Tm.
-
une tension aux bornes externes Vb (source d'énergie électrique) qui est
disponible pour alimenter le moteur.
-
une charge mécanique qui demandera de l'énergie sous un couple résistant Tr.
116
-
La caractéristique de ce couple résistant sera à déterminer et quelques fois ce
ne sera pas facile.
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Il faut noter que la vitesse de rotation du système demeure constante aussi longtemps
que
Tm = Tr, (II.11)
Le couple synchrone n'existe qu'à la vitesse synchrone et L’écoulement d'énergie est
de
Vb vers Em
Prenant comme référence Vb et supposant une charge mécanique constante, le
diagramme des phaseurs de ce circuit sera pour un facteur de puissance (cos θ )
donné:
Fig. II.8. Modèle du moteur [9]
Ce diagramme est complet et sera simplifié encore par l'élimination de Rm.
L’écoulement d'énergie est toujours de la tension qui est en avance de phase vers la
tension qui est en retard de phase.
117
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
II.4.2.1.3. Mode de fonctionnement en Alternateur dans un réseau
Le principe de leur fonctionnement est le même que celui d’un moteur synchrone sans
charge (avec un arbre qui tourne à vide).
U
Réseau
Charge
•
I
CS
•
•
jX I
E
d
q
•
I
U
•
I
•
I
U
•
E
•
U=U
cs
Fig. II.9. Interaction Compensateur Synchrone avec réseau
E
: f e m du compensateur synchrone.
q
X
U
: Réactance longitudinale du
d
: Tension du compensateur synchrone.
CS
Le branchement du compensateur synchrone au réseau met en interaction la F e m
avec la tension du réseau. Leur différence définit le sens du courant et sa valeur dans
la réactance ( X ).
d
•
•
•
I = I −I
E
U
(II.12)
Autrement :
I=
E −U
X
q
d
118
cs
(II.13)
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Du fait que la tension du réseau est constante, le courant résultant du compensateur
synchrone varie avec la variation de la (f.e.m) est obtenue par la variation du courant
•
d’excitation rotorique ( I ex ).
Si le courant d’excitation est tel que :
i
i
i
E = U → I = 0.
q
(II.14)
cs
En désignant pour ce cas ;
•
•
I ex = I 0,ex
(II.15)
On peut définir :
•
•
•
•
•
Iex ≠ I0,ex ⇒ E q ≠ U c. s⇒ I≠0.
•
•
•
•
•
Iex < I0,ex ⇒ E q < U c. s⇒ I< 0
•
•
•
(II.16)
•
(Sous excitation).
•
Iex > I0,ex ⇒ E q > U c. s⇒ I>0
(Sur excitation).
La puissance réactive du compensateur synchrone est définie par :
Q = 3U I =
cs
Le courant
I
q
−U )
U
X
(II.17)
cs
cs
d
•
•
Cas 1 :
(E
cs
E q < U c. s
circule du nœud du réseau vers le compensateur, c’est un régime de
consommation du réactif. Dans ce régime la valeur maximale consommée peut être
atteinte.
si : t = 0 → E = 0
ex
q
→Q =
cs
E
2
cs
(II.18)
d
•
•
Cas 2 :
U
X
q
=
U c. s
Q =0
cs
119
(II.19)
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
•
•
Cas 3 :
E q > U c. s
Le courant I circule du compensateur vers le nœud du réseau. Dans ce régime le
compensateur injecte la puissance réactive dans le nœud. La puissance réactive
produite augmente avec l’augmentation du courant d’excitation mais cette
augmentation ne doit pas dépasser la valeur nominale.
i
i
Eq
U
i
I
i
jI x
i
Eq
i
cs
jI x
i
U
d
i
Eq
i
d
I
i
U
cs
i
U− U
i
i
U− U
cs
i
U
cs
i
cs
cs
i
U− U
cs
I
I
Cs
Cs
(a)
Sous excitation
(b)
Cs
(c)
Sur excitation
Fig. II.10. Modes de fonctionnement du compensateur synchrone [11]
D’après les régimes de fonctionnement du compensateur synchrone, il peut être utilisé
aux points du réseau de transport ou il peut être encore nécessaire dans quelque cas
exceptionnels, pour résoudre des problèmes techniques particuliers tels que celui de la
stabilité dynamique du réseau ou celui des variations rapides de tensions provoquées
par certaines charges fluctuantes [11].
Il faut noter que ce compensateur présente des avantages et des inconvénients
Avantages :
Ce moyen de compensation est avantageux puisqu’il :
•
Excellent rendement (un facteur de puissance voisin de 1).
•
Peut être placé prés des consommateurs.
120
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
•
Facile à régler comme producteur ou consommateur de puissance réactive.
•
Effet autorégulateur.
Inconvénients :
Il a été délaissé de son application comme compensateur malgré leurs mérites
pour les inconvénients:
•
Coût initial élevé.
•
Machine tournante qui demande des entretiens.
•
Pertes actives relativement importantes.
•
la force motrice, n’est pas toujours compatible avec la demande instantanée de
puissance réactive.
•
il peut décrocher dans le cas d'une surcharge brusque ou d'une chute de
tension importante du réseau. Ceci
nécessite une surveillance
particulière avec l'utilisation de dispositifs de sécurité, encombrants.
•
il
a besoin d'un générateur à courant continu pour assurer son
excitation. Cet organe supplémentaire augmente le prix du moteur.
•
il ne peut démarrer qu'à très faible charge en exigeant soit un moteur
auxiliaire de lancement, soit le démarrage en asynchrone avec un
réducteur de tension au démarrage en asynchrone avec un réducteur de
tension au démarrage.
II.4.2.2. Batteries de condensateurs
Les condensateurs sont connus depuis longtemps (bouteille de leyde en 174 S) ils sont
commencés à utiliser sur les réseaux vers les années 1920[13], les premiers appareils
étaient
réalisé
avec
des couches de papier placées entre les électrodes en
feuilles métallique : étain, Clinquant, Aluminium. L'ensemble était imprégné
d'huile minérale.
En 1932 [13], un important progrès juste obtenu
en remplacent l'huile minérale
par un imprégnant chloré cette technique se développe aux ETATS-UNIS et
apparut en FRANCE vers 1950[13]. De nombreux perfectionnement conduit au
condensateur normalisé de 20 KVAR dont plus de 100.000 unités sont actuellement
en service sur le réseau d'électricité de France. Les progrès accomplis dans la
production des matières
121
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Les progrès accomplis dans la production des matières des matières premières et
dans leur mise en oeuvre permettent de mettre au point des unités de 50 / 100KVAR[
13] au moment ou les progrès dans cette technologie Paraissaient, un nouveau pas
important à été franchi avec l'introduction de matières plastique.
On réalise actuellement des condensateurs dont les puissances unitaires atteintes
plusieurs centaines de KVAR. Ces batteries sont très utilisées dans les réseaux de
distribution pour le réglage de la puissance réactive et la tension.
En générale une batterie de condensateurs est constituée par un système de
condensateurs branchés en combinaison : série- parallèle, selon la disposition des
condensateurs sur le réseau électrique, on peut distinguer deux types de
compensation : Compensation shunt, série.
II.4.2.2.1. Compensation Shunt
La chute de tension d’un réseau de distribution avant le branchement de BC
s’exprime :
∆U 12 =
Pch r + Q ch X
U2
(II.20)
S = P + jQ
ch
1
2
i
U
S = P + jQ
2
ch
jQ
i
BC
2
1
i
BC
i
I+ I
U
ch
∆U
∆U
i
i
U
2
∆U U
BC
2a
Fig. II.11. Compensation Shunt
122
ad
ch
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Pour obtenir une tension admissible ( U
) aux bornes de la charge en branche la
2, ad
(BC).
Ce qui donne :
∆U =
ad
P r + (Q − Q )
U
ch
ch
bc
(II.21)
2 , ad
La tension
U
2
est augmentée d’un écart :
∆ U BC = U 2 , ad − U 2 = ( U 1 − ∆ U ad ) − ( U 1 − ∆ U ) = ∆ U − ∆ U ad
=
P r + Q X P r + (Q − Q ) X
−
U
U
ch
ch
ch
ch
2
=
BC
2 , ad
P r+Q X P r+Q X Q
−
+
U
U
U
ch
ch
ch
ch
2
2 , ad
BC
X
(II.22)
2 , ad
Du fait que :
Q X
1
1
≈
⇔ ∆U =
U
U
U
BC
BC
2
2 ,ad
2 ,ad
Autrement :
Q = U .b = U .ω.c
2
BC
2 ,ad
2 ,ad
On obtient :
∆U = ω.c.x.U
BC
Ou bien en % de
2 ,ad
(II.23)
UN :
∆U
0
BC
=
0
ω.c.X.U
U
2 ,ad
.100
(II.24)
N
D’où la valeur de C pour assurer l’écart voulu est :
C=
∆U .U
ω.X.U .100
0
BC
0
2 ,ad
123
N
(II.25)
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Le diagramme vectorielle suivant présente l’amélioration de cosφ de la ligne (au point
2)
J
S
S
Q
ch
Q
BC
R
ϕ ϕch P
2
Fig. II.12. Diagramme Vectoriel
Il y a une amélioration de cosφ de la ligne dans le point 2.
Les (BC) shunts statiques, sont montées au voisinage des consommateurs du réactif et
fournissent une puissance réactive inférieur (celle qui est demandée).
Mais dans des cas particuliers et si seuls la tenue de toutes les tensions dans les limites
étroites est importante ; on peut amené à les installer, pour obtenir plus de puissance
réactive qu’il
N’en est consommé sur place. Les dimensionnements des condensateurs shunts
dépend étroitement du niveau de tension.
Les avantages et les inconvénients qui porte ce moyen de compensation sont :
Avantages :
•
Simplicité, peut être installé au voisinage des utilisateurs.
•
Moins de pertes, moins des chutes de tension, augmentation de la capacité de
transport.
Inconvénient :
•
Réglage discontinu, coût élevé.
•
Très cher si l’on veut annuler la chute de tension (sur compensation).
•
Effet diminuer lorsque la tension baisse.
124
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
II.4.2.2.2. Compensation Série
Avant le branchement de BC
•
•
•
•
U = U − ∆ U = U − 3I(r + jx )
2
1
1
•
= U − 3Ir − j 3Ix.
1
(II.26)
Après branchement :
U
•
2 , ad
•
•
•
1
c
1
•
•
1
c
r
ad
•
= U − 3I(r + jx )+ j 3 I X
1
•
= U − 3I(r + j( x − x )) = U − ∆ U
X
Xc
(II.27)
c
2
I
U
Fig. II.13. Compensation Série.
On a :
•
•
∆ U = 3I(r + jx )
•
•
•
∆ U = 3I(r + jx )− j 3 IX
ad
La tension
U
c
est augmentée d’un écart :
2
•
∆U
•
BC
•
= ∆U − ∆ U
1
•
ad
•
•
= 3I(r + jx )− ( 3 I( r + jx ) + j 3 I X )
c
•
∆U
•
•
BC
•
= j 3 IX = j 3(I + j I )X = 3I X + j 3I X
c
a
c
r
⇒ ∆U =
BC
QX
U
2
2 ,ad
125
r
c
c
a
(II.28)
c
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Ou bien :
X =
C
∆U =
BC
Ou bien en % de
U
1
ωc
Q
ωcU
(II.29)
2
2 ,ad
N
Q
100
∆U 0 =
0 ωcU .U
2
BC
2 , ad
(II.30)
N
On peut alors donnée la valeur nécessaire de la capacité pour assurer l’écart voulu.
C=
100
Q
0
ω
U
U
∆U
0
(II.31)
2
BC
N
2 ,ad
Il faut noter qu’en :
•
Régime de court circuit le courant à travers (BC) devient très grand et la
tension du condensateur risque de dépasser la valeur de charge, c’est pour ça
que le système de compensation est équipé de moyens automatiques de
protection.
•
Court circuit le courant à travers (BC) devient très grand et la tension du
condensateur risque de dépasser la valeur de charge, c’est pour ça que le
système de compensation est équipé de moyens automatiques de protection
•
court circuit le courant à travers (BC) devient très grand et la tension du
condensateur risque de dépasser la valeur de charge, c’est pour ça que le
système de compensation est équipé de moyens automatiques de protection.
•
les compensateurs séries sont peut utilisés sur les réseaux à moyenne et haute
tension, par contre sur les réseaux de transport à grande distance sous des
tensions supérieurs À 220 KV ; leur utilisation est fréquente avec une
puissance unitaire importante. Ils sont utilisés pour le but :
•
De réduire ou d’annuler les chutes de tensions.
•
D’améliorer la stabilité du système énergétique dans certains cas.
•
L’absence d’usure mécanique et un entretien réduit.
•
De faibles pertes.
•
Un faible volume et une installation facile
126
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Ces condensateurs peuvent avoir des effets négatifs, les plus importantes sont :
•
Nécessité des systèmes de protection coûteux.
•
Ne compense qu’une faible partie de la puissance demandée.
En générale les batteries de condensateurs sont actuellement le moyen le plus
économique et le plus simple de production d’énergie réactive, pour les avantages
précédentes.
Leur limitation est liée à certains problèmes technique comme :
•
la puissance réactive fournie n’est réglable simplement
•
la puissance réactive fournie varie avec la tension d’alimentation
•
la mise sous tension provoque un violent appel de courant
•
si la fréquence de résonance avec l’inductance de la source est proche
de celle d’un harmonique existant, cet harmonique est amplifié et peut
devenir gênant ou dangereux.
II.4.2.3. Compensateurs Statiques
Grâce au développement de l’électronique de puissance, la compensation d’énergie
réactive par des moyens statiques est devenue possible par des compensateurs
statiques de puissance réactive (SVC). Ces dispositifs constitués d’éléments
électriques (batteries de condensateur, bobine…est) et d’éléments d’électronique pour
commutation (thyristors) permettant des variations rapides et continue de puissance
réactive pour éliminer les fluctuations de la puissance réactive absorbée par certains
appareils provoquent des fluctuations de tension qui peuvent être gênantes pour tous
les usagers [12].
Les compensateurs statiques, constitués d’une batterie de condensateurs et d’un
absorbeur à réactances avec réglage de courants avec des valves à thyristors, sont
capables d’atténuer cette fluctuation, même lorsqu’elles sont rapides comme dans le
cas des fours à arc [12].Il existe différente configuration de compensateurs tels que :
II.4.2.3.1.Compensateur Statique à Capacité Variable (TS.C)
Les compensateurs à capacité variable TSC (Thyristors Switched Capacitors)
Sont composés d'unités de condensateurs commutés par thyristors, la figure
(II.14) montres un exemple de compensateur statique à capacité variable.
127
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
T
G
C
Fig. II.14. Compensateur TSC.
La batterie de condensateur et fractionné en gradins appropriés qui sont
individuellement commutés par des thyristors bidirectionnels. Pour ce type de
compensation des règles importantes doivent être respecté. Les compensateurs
doivent être pré chargé à la valeur crête du réseau et enclenchés lorsque cette tension
devient égale à celle du pré charge [12]. Ce système nécessite pour obtenir une
compensation fixe. D’utiliser un nombre important de condensateurs et la mise en
œuvre d'une commande complexe.
II.4.2.3.2. Compensateur Statique à réactance contrôlé (TS.R)
Les compensateurs statiques (TSR) (Thyristor Switched Reador) sont fréquents utilisé
pour améliorer la stabilité des réseaux d'énergie électrique. Ils sont le plus souvent
composés d'unités de réactances réglées par thyristors absorbant de la puissance
réactive. La figure (II.15.) montre une inductance brancher en parallèle avec un
condensateur non réglable (fixe).
Ce principe est plus avantageux que le premier (TSC) ou la compensation est du type
discontinue car la régulation de la puissance réactive ce fait par échelons. Il existe
donc toujours une différence entre la puissance réactive fournie (Q c ) et celle consommée
(Q v), Cette différence Qv - Qc = Qr
Constitue une charge pour le réseau.
128
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Charge
variable
Fig. II.15. Compensateur TSR
II.4.2.3.3. Mode de Control et Réglage des Compensateurs Statiques
Le but de l’utilisation des thyristors pour la commande des gradins au lieu des
anciens contacteurs électromécanique, c’est d’introduire une avance de phase pour en
anticiper les fluctuations, ainsi l’augmentation du temps de réponse en boucle fermée
[12]. La figure II.16. Présente le principe de la régulation phase par phase,
la
référence de la régulation est l’opposé de la variation mesurée par rapport à une
puissance de consigne [12]
Charge
&Filtres
V
C
+
Consigne
Régulateur
+
Absorbeur
i
-
a
Mesures
Fig. II.16. Schéma de régulation en boucle fermée.
129
i
ch
Courant
De
ligne
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
La puissance réactive est mesurée par la formule :
Q = VIsin ϕ
(II.32)
*Le courant étant en retard par rapport a la tension par un angle (φ)
La tension instantanée à la fréquence
(f1) est de la forme :
V(t) = V cos ωt
(II.33)
*Avec : ω=2 п f1
Le courant en ligne est en retard d’un angle (φ) par rapport à la tension :
i(t) = Isin(ωt − ϕ)
(II.34)
De (II.33) et (II.34) on obtient :
Q (t) = VIcos ωt sin(ωt − ϕ)
1
(II.35)
Pour un déphasage de (+п/2 ou – п/2) :
Q (t) = VIsin ωt cos(ωt − ϕ)
(II.36)
2
De (II.35) et (II.36) on obtient :
Q(t) = VIsin [ ωt − (ωt − ϕ)] = VIsin ϕ
(II.37)
Cette dernière valeur donne la mesure de la puissance réactive en l’absence des
harmoniques et d’autres perturbations [12]. Cette puissance réactive calculée nous
donne la puissance de référence pour un facteur de puissance désirée (cosφ=0.9).
La nouvelle puissance réactive calculée sera comparée par un comparateur, la figure
II.17 nous montre le principe de réglage de la puissance réactive (
fournit au réseau [14].
130
Q K ) qu’on doit
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Réseau
Q
Q
C
Impuls
Lα
(α)
+
Q
-
rref
Q
Inductances
Commande
Par thyristors
Avec
batteries
fixes
Commande
Des
thyristors
K
-
Q
Q = 0.4P
ref
+
r
Q
Q
K
ϕ
r
V
Calculateur
P
I
Fig. II.17. Système de Régulation de la puissance réactive
Le signal de sortie représente la puissance réactive qu’on doit fournir au réseau, qui
est :
Q = Q −Q
Lα
c
(II.38)
K
A partir de la dernière équation on obtient la valeur de l’angle d’amorçage (α)
Les avantages et les inconvénients qui porte ce moyen de compensation sont :
Avantages :
•
Une amélioration de la stabilité statique et dynamique du réseau.
•
Une régulation de la tension ; avec limitation selon la puissance
réactive échangée avec le réseau.
•
Une atténuation considérable de phénomène du FLICKER, provoqué
par des charges fortement perturbatrices.
131
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Inconvénient :
L’inconvénient majeur de ces compensateurs, c’est les limites (tension et courant)
d’utilisation en basse tension, parfois nous somme obligé de compenser en haute
tension pour équilibrer un réseau de transport. Les nouvelles recherches en électriques
de puissance ont abouti à des thyristors (GTO, IGBT) avec des tensions et courants
très élevés.
Actuellement la compensation en haute tension s’effectue par des convertisseurs a
base des thyristors GTO.
II.4.2.4. Convertisseurs Statiques
Devant les problèmes de transit de puissance, la compagnie américaine EPRI (Electric
Power Research Institue) a lancé, en 1988, un projet d’étude des systèmes FACTS
afin de mieux maîtriser le transit de puissance dans les lignes électriques [15].
Le concept FACTS regroupe tous les dispositifs à base d’électronique de puissance
qui Permettent de compenser l’énergie réactive et améliorer l’exploitation du réseau
électrique.
La technologie de ces systèmes (Interrupteur statique) leur assure une vitesse
supérieure à celle des systèmes électromécaniques classiques. De plus, elles peuvent
contrôler le transit de puissance dans les réseaux et augmenter la capacité efficace de
transport tout en maintenant voir en améliorant, la stabilité des réseaux. Les systèmes
FACTS peuvent être classés en trois catégories [16] :
•
Les compensateurs parallèles à base de GTO thyristors.
•
Les compensateurs séries à base de GTO thyristors.
•
Les compensateurs hybrides (série - parallèle) à base de GTO thyristors.
II.4.2.4.Compensateurs Parallèles
Le principe de ce type de compensateur est connu depuis la fin des années 70 mais ce
n’est que dans les années 90 que ce type de compensateur a connu un essor important
grâce aux développements des interrupteurs GTO de forte puissance [15].Le
STATCOM présente plusieurs avantages :
•
bonne réponse à faible tension : le STATCOM est capable de fournir son
courant nominal, même lorsque la tension est presque nulle.
132
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
•
bonne réponse dynamique : Le système répond instantanément.
Cependant, le STATCOM de base engendre de nombreux harmoniques. Il faut donc
utiliser, Pour résoudre ce problème, des compensateurs multi niveaux à commande
MLI ou encore Installer des filtres [17].
La figure II.18 représente le schéma fonctionnel d’un STATCOM, les cellules de
commutation sont bidirectionnelles, formées de GTO et de diode parallèle [18]. Le
rôle du STATCOM est d’échanger de l’énergie réactive avec le réseau. L’onduleur
est couplé au réseau par l’intermédiaire d’un transformateur shunt de couplage.
Réseau
Iac
Transformateur
Shunt
Vsortie = KVdc ∠α
I dc
V
dc
Fig. II.18. Schéma fonctionnel d’un STATCOM.
133
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
L’échange d’énergie réactive se fait par le contrôle de la tension de sortie de
l’onduleur Vsh, Laquelle est en phase avec la tension du réseau V Le fonctionnement
peur être décrit de la façon suivante [17] :
•
Si la tension Vsh est inférieure à V, le courant circulant dans l’inductance est
déphasé de (–п/2 ) par rapport à la tension V ce qui donne un courant inductif
(Fig. II.19-a).
•
Si la tension Vsh est supérieur à V, le courant circulant dans l’inductance est
déphasé de (+п/2) par rapport à la tension V ce qui donne un courant capacitif
(Fig. II.19-b).
•
Si la tension Vsh est égale à V, le courant circulant dans l’inductance est nul et
par conséquent il n’y a pas d’échange d’énergie.
Ish
Vsh
V
V
Ish
a) Courant inductif
b) Courant capacitif
Fig. II.19. Diagramme vectoriel de STATCOM.
Les avantages et les inconvénients qui porte ce moyen de compensation sont :
Avantages :
•
Vsh
Pouvoir échanger de l’énergie de nature inductive ou capacitive uniquement a
l’aide d’une seul inductance. Contrairement au compensateur statique, de
pouvoir fournir un courant constant important même lorsque la tension V
diminue [17].
134
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Inconvénient :
•
Une seule fonction qui est l’échange d’énergie réactive (absorber/fournir) avec
le jeu de barre.
II.4.2.4.Compensateurs Parallèles
Ce type de compensateur série SSSC (Compensateur Synchrone Statique Série) est le
plus important dispositif de cette famille. Il est constitué d’un onduleur triphasé
couplé en série avec la ligne électrique à l'aide d'un transformateur [17].
La figure II.19 représente le schéma fonctionnel d’un SSSC, Son rôle est d’introduire
une tension triphasée, à la fréquence du réseau, en série avec la ligne de transport.
Cette tension est en quadrature avec le courant de ligne [18].
I ligne
Réseau
Iac
I
dc
Transformateur
Shunt
V
dc
Energie
Stockée
Fig. II.19. Schéma fonctionnel d’un SSSC.
135
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
Par l’injection d’une tension série avec la ligne de transmission, nous pouvons régler
la valeur apparente de l’inductance ou de la capacité ainsi introduite dans la ligne ;
V = − jKXI
B
(II.39)
Les avantages et les inconvénients qui porte ce moyen de compensation sont :
Avantages :
•
Echange de la puissance active avec le système par l’utilisation du système de
stockage d’énergie [17].
•
Evite l’apparition des oscillations de résonance avec le réseau.
Inconvénient :
•
Il s’intéresse uniquement a la ligne de transmission, parfois on est obligé de
contrôler le bus envoyeur pour plus de stabilité dans le réseau.
.4.2.5.Compensateurs Hybride Parallèle série
GYUGYI a présenté le concept de l’ UPFC en 1990. L’originalité de ce compensateur
est de Pouvoir contrôler les trois paramètres associés au transit de puissance dans une
ligne électrique :
•
la tension,
•
l’impédance de la ligne,
•
le déphasage des tensions aux extrémités de la ligne.
La description de ce équipement fera l’objet du prochain chapitre, son utilisation
dans les réseaux électrique est l‘objet de ce travail.
136
CHAPITRE II. Analyse des méthodes de l’amélioration du facteur de puissance
II.5. Conclusion :
Le facteur de puissance est l’un des plus importants indices de la qualité d’énergie
électriques dans les réseaux électriques. Un mauvais facteur de puissance à des
influences pour tous les acteurs : producteur, fournisseur et exploitant de l’énergie.
L’amélioration de ce facteur demeure le souci majeur surtout pour le fournisseur
(réseau de transport), la compensation d énergie réactive est l’unique solution pour
l’améliorer. Pour ce faire plusieurs méthodes sont a distinguées :
•
Compensateur Synchrone.
•
Compensation par batteries de condensateurs.
•
Compensateurs Statiques.
•
Convertisseurs Statiques.
Les deux premières méthodes ont démontrées leurs limites, par leurs modes de
contrôles classiques, elles ne répondent pas en temps réel face aux perturbations dont
fait l’objet le réseau électrique.
La troisième méthodes est l’une des plus performantes, par son mode de control et
réponse en temps réel. Mais tous simplement son domaine d’utilisation est limités par
le courant et la tension qu’ils supportent les thyristors, ce qui rend la compensation en
haute tension pratiquement impossible.
La dernière méthodes est la plus récente (FACTS), elle offre la possibilité de
compenser en haute tension avec des thyristors GTO qui supportent des courants et
tensions très grandes en plus leur avantage de suivre l’évolution de la puissance active
et réactive dans deux plans différents.
L’ UPFC est un compensateur qui est plus complet que les autre, en pratique elle
utilisé pour la gestion de l’énergie dans les réseaux électriques.
137
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Introduction
Les réseaux de transport à courant alternatif existants ne sont pas été conçu pour une
commande facile des flux d’énergie, il en résulte des problèmes de réglage du régime
dynamique (instabilité) et permanent (surcharge) [19].
Par le passé, les réseaux de transport ont été conçus pour être indépendant, l’échange
de puissance active était rare, mais en cas de nécessité les systèmes de transmission
ne pouvaient pas être contrôlé assez rapidement en cas de changement dynamique.
Ces problèmes ont été résolus (anticipé) habituellement en ayant les marges de la
stabilité.
Actuellement, le problème d’augmentation de la charge du système ne se pose plus,
avec la possibilité d’augmenter en sécurité la charge par plusieurs approches:
•
Installation des condensateurs en parallèle (shunt) pour supporter les tensions
des systèmes a un niveau très satisfaisant.
•
Installation des condensateurs en série pour réduire la réactance de ligne de
transmission par l’augmentation de la capacité de ligne (transfert optimal de
la puissance).
•
Installation des transformateurs déphaseurs (phase Shifting transformer), qui
sont appliqués pour contrôler le flux de puissance en introduisant un
changement dans la phase entre les deux bus
de transmission
(envoyeur/récepteur).
L’inconvénient majeur de ces techniques, c’est qu’elles utilisent des appareils dont
le contrôle est lents de point de vue mécanique, ils sont très utiles dans un état stable
du système mais de point de vue dynamique, leurs réponse en temps réel est trop lente
[19]. Si ces systèmes de contrôle mécanique ont été faits pour répondre plus vite (en
temps réel),
l’exploitation des systèmes de transmission serait améliorée
considérablement. En autorisant l’utilisation de toute la capacité du système et en
maintenant des niveaux adéquats de stabilité. Ce concept a été mené à une nouvelle
approche introduite par l’institut de recherche dans l’électronique de puissance (EPRI)
dans la fin des années 1980. Appelé FACTS (Flexible Alternative Current Sytem),
c’était une réponse à un appel pour plus d’usage effectif des ressources déjà existantes
dans les systèmes de transmission [20]. Et on comprend mieux
138
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
L’importance cruciale que revêt la maîtrise des flux d’énergie sur les réseaux, en
exploitant les nouvelles possibilités offertes par l’électronique de puissance il est
maintenant possible de remédier à ces problèmes [19].
III.1. Flux de puissance dans une ligne de transmission
La puissance active et réactive (Flux de Puissance) dans une ligne de transmission
dépend de l’amplitude de la tension et l’angle de phase dans les deux extrémités (bus
d’envoi et de réception) ainsi que l’impédance de la ligne. Donc par une simple
combinaison on peut contrôler la puissance active, aussi bien que la puissance réactive
dans une ligne de transmission (Fig. III.1).
Bus S
Bus R
I ligne
VS
R
X
PS + jQ S
PS + jQ S
PR + jQ R
VR
Figure (III.1). Ligne de transmission.
La valeur efficace de la tension/phase au point (S) d’envoi est :
V =V δ
S
S
S
La valeur efficace de la tension/phase au point (R) de réception est :
V =V δ
R
R
R
La puissance complexe injectée au point S est obtenu par :
S = P + jQ = V I
s
S
S
139
S
*
line
(III.1)
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Ou :
I
: La valeur conjuguée du courant/phase de la ligne.
*
line
P ,Q
S
: Respectivement la puissance active et réactive
S
En utilisons la loi d’ohm le courant da la ligne peut être écrit comme suit :
I
line
=
V −V
= (V − V )(G + jB)
R + jX
S
R
S
(III.2)
R
Ou :
R, X : Respectivement la résistance et la réactance de la ligne.
G, B : Respectivement la conductance et la Susceptance de la ligne:
R
X ⎞
⎛
,B = −
⎜G =
⎟
R +X
X +R ⎠
⎝
2
2
2
2
La valeur conjuguée de l’équation (III.1) s’écrit :
S = P − jQ
*
S
En utilisant l’équation (III.2) :
(
S
*
S = V −V V
*
S
2
S
S
*
V V = V − δ V δ =V V
S
R
S
S
R
R
S
R
R
(III.3)
S
)(G + jB)
(III.4)
⎛ cos (δ − δ ) − ⎞
⎟
⎝ j sin (δ − δ ) ⎠
(− (δ − δ )) = V V ⎜
S
R
S
R
S
R
S
(III.5)
R
L’équation (III.5) est obtenue par l’application de l’identité d’Euler
V − δ = V(cos δ − j sin δ )
En séparant la partie réel et imaginaire de l’équation (III.5) l’expression de la
puissance active et réactive injectée au bus (S) s’écrit comme suit :
P = V G − V V G cos(δ − δ ) − V V B sin (δ − δ
)
Q = −V B − V V G sin (δ − δ ) + V V B cos(δ − δ )
2
S
s
S
R
S
R
S
R
S
R
2
S
s
S
R
S
140
R
S
R
S
R
(III.6)
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
La puissance active et réactive au bus de réception (R) :
P = −P = −V G + V V G cos(δ − δ ) − V V B sin (δ − δ
)
Q = −Q = V B − V V G sin (δ − δ ) − V V B cos(δ − δ )
2
0
R
R
S
R
S
R
S
R
S
R
2
0
R
R
S
R
S
R
S
R
S
R
P , Q : Représente respectivement la puissance active et réactive injectée au bus (R).
R
R
Les pertes en puissance dans la ligne sont obtenus par :
P = P −(− P ) = (V + V )G − 2 V V G cos (δ − δ
2
L
S
R
Q = Q −( − Q
L
S
R
)
2
S
R
S
R
S
R
) = −(V + V )B + 2V V B cos(δ − δ )
2
2
S
R
S
R
S
(III.8)
R
En utilisant l’approximation :
X>>R (une transmission typique).
G est négligée,
La susceptance est remplacé par B=-1/X.
L’expression de la puissance active transmise du bus (S) au bus (R) devienne :
P = −P = −V V B sin (δ − δ
S
P =
S
(δ = δ − δ )
S
R
R
s
R
S
R
VV
B sin (δ − δ
X
)=
S
R
S
R
)
(III.9)
VV
B sin δ = P (δ )
X
S
R
0
: est appelé l’angle de puissance.
La puissance réactive transmise par la ligne du point (S) au point (R) est :
V − V V cos(δ − δ )
X
− V + V V cos(δ − δ
− Q = V B − V V B cos(δ − δ ) =
X
− Q = Q (δ)
Q = −V B + V V B cos(δ − δ
2
S
s
S
R
S
R
)=
2
S
S
R
S
R
2
2
R
R
R
0
R
S
R
S
S
R
S
R
)
(III.10)
R
Il est clair d’après l’équation (III. 8) que la valeur de la puissance active transmise sur
la ligne peut être augmenté par :
•
Augmentation de l’amplitude de la tension.
•
Réduire la réactance de line (exemple ; compensation de la ligne).
•
Augmentation de l’angle de puissance (exemple ; changement de la phase).
141
(III.7)
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Le flux de puissance peut être modifié par un changement de signe de l’angle de
puissance, par exemple une angle de puissance positive correspond a un flux de
puissance du bus d’envoi vers le bus de réception, par contre une angle de puissance
négative correspond a un flux de puissance du bus de réception vers le bus d’envoi.
Donc les quatre paramètres qui affectent le flux de la puissance active et réactive
sont :
VS , VR , X , δ .
Pour mieux comprendre le flux de puissance, il faut combiner entre l’équation (III. 8)
et (III. 9) comme suit :
2
VV ⎞
V
(P (δ )) + ⎜⎛ Q(δ ) + ⎞⎟ = ⎜⎛
⎟
2
2
S
R
⎝
0
X⎠
2
R
(III.11)
⎝ X ⎠
L’équation représente un cercle centré au point :
V ⎞
⎛
⎜ 0,− ⎟
X⎠
⎝
2
R
Et un rayon qui égale :
Vs VR
X
Finalement, la relation entre la puissance active et réactive envoyer a la ligne a partir
du point de l’envoi (S) peut exprimer par :
2
V
VV ⎞
(P (δ )) + ⎜⎛ Q (δ ) − ⎟⎞ = ⎜⎛
⎟
2
2
S
⎝
S
S
X⎠
S
2
(III.12)
R
⎝ X ⎠
La moyenne du flux de la puissance réactive est définie par :
Q −Q
V −V
V −V
=−
Q =
B=
2
2
2X
S
R
2
2
2
2
S
R
S
R
(III.13)
SR
Il
est
clair
d’après
l’équation
(III.13)
l’amplitudes
des
deux
tensions
(envoyée/recevais) et la réactance de la ligne affectent le flux de puissance réactive.
142
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
C’est dans ce concept que vient la naissance des FACTS (Flexible alternative current
system); ces équipements permettent le control des ces paramètres en temps réel [19],
ainsi la variation de la puissance transmise en tenant compte des conditions du
système de transmission.
La capacité du contrôle rapide, dans des limites convenablement définies, peut
augmenter la stabilité transitoire et dynamique aussi bien qu’éliminer
les
perturbations dans le système Causées dans la majorité des cas par les défauts de
courts-circuits. Par exemple augmenter ou abaisser la valeur de la réactance de la
ligne de transmission X, peut être constatée dans les équations (III.10) et (III.11). Le
réglage des amplitudes des tensions d’envoi VS et de réception VR peut aussi
permettre de contrôler le flux de puissance dans la ligne de transmission [19].
Donc ces éléments permettent de modifier d’une façon ou d’une autre les flux
d’énergie (puissance active et réactive), mais il faut noter aussi que ces contrôleurs
rapides ont un impact positif en état dynamique transitoire dans un réseau électrique,
par augmentation da la stabilité du système.
Parmi ces contrôleurs on distingue :
•
Compensateur statique de puissance réactive SVC (Static Var Compensateur)
•
Variateur de charge universel UPFC (Universel Power Flow Controller)
•
Condensateur série fixe et commandé par thyristor TCSC (ThyristorControlled Serie Capacitor).
•
Transformateur déphaseur PST (Phase-Shifiting Transformer)
•
Compensateur synchrone statique STATCOM (Synchrone Static
Compensator)
•
Compensateur série synchrone statique SSSC (Synchronous Static Serie
Compensator)
III.2. Systèmes de Transmission à Courant Flexible (FACTS)
La naissance voila plus de dix ans FACTS, pour répondre aux difficultés croissantes
dans les réseaux et notamment avec l’augmentation de la demande (beaucoup de jeu
générateurs, jeux de barres) [21]. Donc l’exploitation de ces derniers, la maîtrise des
flux de puissances peut être considérablement améliorée en termes de performances et
143
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
De souplesse par l’adjonction d’éléments de types FACTS (Flexible Alternative
Current Transmission Systems). Ces systèmes électroniques permettent d’améliorer la
stabilité du système, de contrôler les transits de puissance et de gérer les échanges de
puissance réactive sur une partie d’un réseau maillé [8].
III.2. 1. Constitution des FACTS
Durant les trois décennies passées, les développements de dispositifs à semiconducteurs de puissance ont abouti successivement à l’apparition des éléments
commandables à fermeture
tels que les thyristors, ainsi que les éléments
commandables à la fermeture et à l’ouverture tels que GTO et L’ IGBT l’un après
l’autre, ces déférentes technologies ont atteint des niveaux de puissances limites, en
relation avec les applications respectives [22].
L’histoire des GTO’ s a commencé en 1970s [18] par l’augmentation considérable du
courant se qui a rendre la possibilité de les utilisées en haute tension, tels que
compensateurs statique de puissance réactive (SVC), TCSCs, TCCAPRs
Les recherches ont aboutis en 1998 au plus grandes puissances de convertisseurs
statiques à pulsation [22], [23], [24]. En effet, le développement de transistors de
types IGBT pour une tension de blocage de près de 3 KV, permettant de déclencher
un courant de plus de 3.6 KA, a permis la réalisation d’une installation de
compensation statiques de 22 MV AR, basée sur la structures de l’onduleur à
pulsation à trois niveaux, et modulé en PWM.
Fig. III.2. Développement et limites de puissance
Des dispositifs conventionnels.
144
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Les générations futures de dispositifs à semi conducteurs de grande puissance verront
certainement apparaître un nouveau matériau semi-conducteur, le carbure de silicium
SiC, extrêmement
intéressant
par ses propriétés de conduction ainsi que ses
propriétés de résistance à la température élevée[22].
Fig. III.3. Transistor IGBT en boîtier pressé et a tension
De blocage élevée.
Dans la phase intermédiaire durant laquelle des activités intenses sont consacrées à la
fabrication de wafers de SiC de dimensions acceptables, des autres développements
de composants à base de silicium voient proposent des solutions alternatives à,
considérer sérieusement.
III.2. 2. Composants modernes pour convertisseurs de grandes puissances
Après la réalisation d’application de puissances extrême à l’échelle du GW, sur la
base de convertisseurs commutés naturellement et utilisant des thyristors
conventionnels, le développement
des technique de mise en série en série des
dispositifs d’enclenchements et de déclanchements a permis de réaliser des onduleurs
de tension à pulsation dans des gammes de puissance de plus en plus élevées. Un
premier développement est représenté par la technique de commande dure des GTO
qui abouti à un élément a commande intégrée appelé IGCT (Integrated Gate
Commutated Thyristor) [22]. Les excellentes propriétés à l’état passant, de même que
la possibilités de surcharge font de cet élément un candidat sur pour la réalisation des
grandes puissances. De plus, le principe de la commande dure qui fait circuler
145
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Par la gâchette un courant d’évacuation de porteurs très important et atteignant
momentanément une valeur supérieure au courant d’anode, permet la manœuvre
simultanée de plusieurs dispositifs connectés en série.
Fig. III.4. Thyristor IGCT a commande intégrée.
III.2. 3. Topologies Modernes des Convertisseurs pour l'interaction
avec le réseau:
la topologie des convertisseurs (a pulsation), peuvent influencer librement les formes
d'ondes des courants prélevés ou injectées dans un réseau de puissance [19].
le convertisseurs de tension triphasé representé sur la figure (III.5) est composé de:
•
Six semi-conducteurs controlés (06 thyristors de type GTO), pour
façonner la forme de la tension de sortie altenatif de l'onduleur a partir
d'une tension continue.
•
Six semi conducetur incontrolés (06 diodes) pour donner un chemin au
courant , toutes fois que le chemin sur thyristors est bloquée.
146
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
+V /2
DC
3’ 5
1’
1
5’
3
N
4
6’
4’
’2’
6
2
−V /2
DC
Fig. III.5. Convertisseur de tension triphasé
En s'assurons que le courant est positif s'il circule du système (réseau a courant
altenatif) au coté continue ( opération redresseur) , mais il devient négatif s'il circule
du coté continue vers le résaeu (opération onduleur). donc le contrôle de l'angle de la
tension de sortie produite par le convertisseur
au système de transmission de
courant alternatif (AC) c’est :
le contrôle de la puissance active échanger entre le convertisseur et le système de
transmission (AC), cette dernière circule comme suit :
1. Du coté continue (DC) vers le système de transmission (AC) (opération de
l’onduleur) si la tension produite du convertisseur est en arrière par rapport
a la tension du système (réseau).
2. du coté alternatif (système) vers le coté continue (opération redresseur) Si la
tension produite du convertisseur est en arrière par rapport a la tension du
système AC.(L'action de l’onduleur est emportée par les GTO' s pendant
que l'action du redresseur est emportée par les diodes).
3. Deux changements sur la même branche ne peuvent pas être en même
temps.
147
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Le control d'échange de la puissance réactive entre le système (réseau) et le
convertisseur c'est le control de l'amplitude de la tension produite par le
convertisseur et elle s'effectue comme suit:
1. Le convertisseur produit la puissance réactive pour le système (réseau) si
l'amplitude
de la tension produite
du convertisseur est plus grande que
l'amplitude de la tension de système.
2. le convertisseur absorbera la puissance réactive si l’amplitude de la tension
produite du convertisseur est moins que celle du système.
Notons ici que, La tension produite du convertisseur peut être contrôlées en utilisant
plusieurs techniques; tel que la modulation de largeur d’impulsion (PWM). Cette
technique peut être conçues pour le contenu le plus bas des harmoniques. Cependant,
il est attendu que le développements récents dans l’électronique de puissance
autoriseront usage pratique de contrôle P W M. Dû à leur simplicité beaucoup
d'auteurs, [25], [26], [27], [28], a utilisé PWM contrôlent des techniques dans leurs
études U P F C.
III.2. 4. Techniques MLI (Modulation de Largeur Impulsion)
Parmi les techniques (MLI), les plus répandue c’est la technique MLI sinusoïdale,
Cette dernière compare un signal de référence( Vr), avec une amplitude (Ar) par
rapport au signal (Vc), d'amplitude ( Ac ).
Il faut noter que :
•
Vr > Vc le signal résulte du thyristors 1 (turn-on) et le thyristors 4 (gate turn
off)
•
Vr < Vc le signal résulte du thyristors 1 (gate turn off) et le thyristors 4 (turnon)
148
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
+
V
V
2
r
DC
c
1
−
V
1
1
1
1
+
DC
V
2
DC
t
4
4
4
4
4
−
Fig. III.6. Convertisseur MLI
La fréquence fondamentale de la tension de sortie du convertisseur est déterminée par
la fréquence du signal de référence.
•
V
2
contrôler l'amplitude du signal de référence, c'est contrôler la largeur des
impulsions.
L’indice de modulation de l'amplitude est défini par le rapport:
m=
Ar
AC
(III.14)
* Pour m≤1, le pic de l'amplitude de la composante de la fréquence
fondamental du tension de sortie du convertisseur est exprimé par:
V=m
149
V
2
DC
(III.15)
V
2
DC
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Finalement Les redresseurs MLI sont des onduleurs utilisés "à l'envers" qui
permettent de Produire une tension continue à partir d'un réseau alternatif (un
redresseur), mais en absorbant sur le dit réseau des courants sinusoïdaux, à facteur de
puissance unitaire. Ils sont, comme nous l'avons déjà souligné, entièrement réversibles
[29].
La contrainte de commande sera donc d'imposer que Q et les harmoniques de courants
absorbées par l’onduleur soient nulles [29].
Donc cette combinaison des convertisseurs (technique MLI) donnera lieu a des
utilisations dans le secteur de la gestion flexible des flux de puissance, ou dans le
secteur de la compensation, secteur que l'on regroupe aussi dans un domaine appelé
"Power Quality", c'est-à-dire la qualité de la puissance, qui sous entend les formes des
courants ainsi que les formes de tensions.
Parmi ces topologies modernes qui permettent l'injection ou la compensation série on
cite le régulateur de charge universel "U P F C", ce dernier permet la compensation
série de la tension et peut étre utilisé comme stabilisateur de tension pour des
utilisateurs sensibles.
III.3. Le régulateur de charge universel
UPFC (Unified Power Flow Controler)
Nous avons étudié dans le chapitre II, les trois composants du système FACTS :
parallèle, série et hybride ‘série parallèle’. L’ UPFC appelé aussi déphaseur
Régulateur Universel [17], est l’un des appareils les plus prometteurs a proposé dans
le concept des FACT’s, il est capable de contrôler, simultanément et
indépendamment, la puissance active et la puissance réactive de la ligne.
L'UPFC qui a été proposé par L. Gyugyi en 1991 [20],[31], [32], [33], équipements
FACTS ; Aujourd'hui, il est utilisé à l'origine pour contrôle indépendant de la
puissance active
et
réactive dans une transmission réglée
pour une opération
flexible, fiable et économique et charger du système de puissance. Il peut contrôler les
trois paramètres associés au transit de puissance ; la tension, l’impédance et l’angle de
transport de la ligne (angle de puissance).
150
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Il est constitué de deux onduleurs à pulsations connectés dos à dos et partagent le
même lien a courant continue (condensateur tampon).
Cependant on peut faire varier la puissance active et réactive circulant sur une ligne à
haute tension. La figure III.7. Représente un UPFC qui est composé de :
•
un premier onduleur (1) appelé onduleur parallèle, est connecté à la ligne au
travers d’un transformateurs (2) et fonctionne comme un redresseur afin de
maintenir la tension fixe sur le condensateur tampon (3) et par conséquent
contrôler la puissance réactive.
•
Un deuxième onduleur (4), appelé onduleur série est alimenté par la tension
(Uc) et permit d’injecter une tension en série avec la ligne au travers du
transformateur (5). Cette tension additionnelle (Ua) étant variable en module
et en phase, il est possible dans une certaine mesure de varier la tension Un’.
Ainsi on peut modifier statiquement le flux des puissances active et réactive
transmise par la ligne [24].
Un
Ua
2
5
3
Uc
1
4
Fig. III.7. UPFC.
La première installation a été réalisée par l’institut American Electric Power (AEP),
ensuite il a installé un UPFC de 160MVA à Inez Substation in eastern Kentucky,
cette implantation est la première dans le monde [35].
151
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Très récemment ce même institut (AEP) a réalisé un UPFC de ±320MVA, 138KV.
D’autres projet en cours de réalisation pour la construction d’un UPFC de ±200MVA,
345KV [34].
III. 3.1. Opération de Base et Caractéristiques de L’ UPFC
L’ UPFC combine plusieurs opérations des équipements FACT’ s, il est capable de la
réglage de la tension, compensation série et réglage de la phase en même temps. Ainsi
il a l’avantage de contrôler séparément la puissance active et réactive transmise dans
une ligne de transmission.
La configuration de L’ UPFC est représentée sur la figure
V
−V +
SO
V
C
Onduleur 1
S
VR
Onduleur 2
Fig. III.8. Configuration U P F C
La configuration de L’ UPFC est représentée sur la figure III.8. Consiste deux
onduleurs pour source de tension, l’onduleur 1 est en parallèle avec la ligne de
transmission par contre l’onduleur 2 est en série.
III. 3.1. a. L’onduleur (2) série : assure la fonction principale de l’ UPFC par
l’injection d’une tension V à travers un transformateur. Cette tension
C
1. En amplitude :
V (0 ≤ V ≤ V
C
C
C max
2. En angle :
δ(0 ≤ δ ≤ 360° )
152
)
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Il est considéré comme source de tension synchrone, parce que le courant de la ligne
de transmission coule à travers cette source de tension. Il est obligé d’échanger la
puissance active et réactive avec la ligne de transmission à travers le transformateur
série.
La puissance réactive demandée est générée indépendamment par lui-même, la
puissance active échangée avec le système est produite ou absorber en actualité par
l’onduleur (1) a travers le lien commun (DC).
Les quatre opérations de l’onduleur série sont illustrées sur le diagramme de phase
suivant :
− V 2 max
+ V 1 max
+ V1
V2
− V2
- V 3 max - V 3
+ V3
+ V 3 max
V1
+ V2
V S + V1
V3
VSE
- V1
+ V 2 max
V S − V1
- V 1 max
VS
V S + VSE
VS
VS
(a) V S − V 2
θ
−θ
I ligne
VS + V2
V 2 max
(b)
(c)
(d)
Fig. III.9. Diagramme de phase.
(a) Opération de réglage de la tension : l’amplitude de la tension du bus d’envoi
VS est augmentée (ou bien abaisser) par l'injection d'une tension V1 , avec
une amplitude maximale
V
1max
en phase (ou bien or phase) avec V S .
(b) Opération de Compensation série réactive : la compensation est obtenue par
l’injection d’une tension
V2
, avec une amplitude maximale de
V2 max
orthogonale au courant de ligne I ligne . L’ajout de la tension effective à travers
l’impédance de la ligne
153
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
X, cette dernière est augmentée (ou abaisser) si la tension V2 est en arrière par
rapport au courant I ligne par 90° (ou V2 est en avance par rapport au courant
I ligne par 90°).
(c) Opération Changement de phase : le changement de phase désiré est achevé
par l’injection d’une tension
V
3
avec une angle (phase) (Ө), la tension V S
est changée par (± Ө) en gardant son amplitude constante.
(d) Opération global : c’est la somme des opérations précédente c à d control
simultanée du voltage V S (a), l’impédance (b) et la phase (c). en sommant
les trois opérations l’ UPFC assure des multifonctions pour le control des flux
de puissances
dans un système de transmission.
La tension injectée
V = V + V + V , Tel méthode c’est comme produire un courant de la
se
1
2
3
ligne qui résultera de la puissance active et réactive désirée sur la ligne de
transmission.
Par conséquent l’onduleur série peut opéré en quatre modes :
1. Mode d’injection direct d’une tension.
2. Mode de compensation de l’impédance de la ligne.
3. Mode de réglage de la phase.
4. Mode de control automatique du flux de puissance.
III. 3.1. b. L’onduleur (1) parallèle : la fonction de base c’est de produire ou
absorber la puissance active demandée par l’onduleur (2) série au lien commun
(DC). En plus l’onduleur (1) shunt peut produire ou absorber indépendamment la
puissance réactive.
Dans ce chapitre nous allons traiter les deux modes de control automatique et le
mode de compensation par l’injection d’un courant.
154
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
III. 3.1.1. Mode de Control automatique :
Le mode de control automatique de puissance par UPFC, est illustré sur la figure
(III.11) ;
L’ UPFC est placé à l’entrée de la ligne de transmission entre les deux bus (S) et (R),
la conductance de la ligne est négligée [19].
V
se
S
S1
I
V
ligne
X
P + jQ R
X
V
V
V =V +V
s
S1
S
SE
sh
Fig. (III.11). Ligne de transmission avec U P F C
V ( V ≠ 0)
X
ϕ
SE
se
V
V
V
S
δ
SE
V
R
V X ( VSE = 0)
S1
Fig. (III.12). Mode de control automatique.
155
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
La puissance complexe de la ligne recevait au bus (R) :
S=V I
R
*
⎛V +V −V ⎞
=V ⎜
⎟
jX
⎝
⎠
S
ligne
SE
*
R
(III.15)
R
Ou :
V = V (δ − ϕ )
SE
SE
S
SE
La valeur conjuguée de la puissance apparente (S) :
⎛V +V −V ⎞
S = P − jQ = V ⎜
⎟
jX
⎝
⎠
*
S
SE
*
R
(III.16)
R
En séparons la composante réelle et l’imaginaire de l’équation (III.16) l’expression de
la puissance active et réactive devienne :
V V
VV
sin δ +
sin (δ − ϕ ) = P (δ ) + P (δ, ϕ )
X
X
VV
V VV
Q=−
+
cos δ +
cos(δ − ϕ ) = Q (δ ) + Q (δ, ϕ
X
X
X
P=
SO
R
R
SE
SE
0
SE
SE
(III.17)
2
R
S
R
R
Se
SE
0
SE
Sachant que l’amplitude de la tension série est contrôlée entre 0 et
v
SE
)
SEmax
, sa phase
est contrôlée entre 0 et 360° et toute angle δ. Il est clair d’après l’équation (III.17) que
la puissance active et réactive recevais au point (R) dans système de transmission avec
un UPFC est contrôlée entre :
Pmin (δ ) ≤ P ≤ Pmax (δ )
Q
min
(δ ) ≤ Q ≤ Q (δ )
max
Ou :
VV
X
VV
P (δ ) = P (δ ) +
X
P
min
max
(δ) = P (δ ) −
R
SE max
R
SE max
0
0
156
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
VV
X
VV
Q (δ ) = Q (δ ) +
X
Q
min
(δ ) = Q (δ ) −
R
SE max
R
SE max
0
min
0
V avec une amplitude VSE qui tourne
la rotation du vecteur de la tension injectée
SE
avec une angle de 0 a 360° [19], cela permet de controller le flux de la puissance
active et réactive dans les limites d'un cercle avec un rayon de:
R=
VV
X
R
SE max
le centre de ce cercle est au point:
(P (δ ), Q (δ )).
0
0
ce cercle est définé par l'equation :
VR VSE max ⎞
⎟
⎝ X ⎠
(P(δ, ϕ ) − P (δ )) + (Q(δ, ϕ )) = ⎛⎜
2
SE
2
0
se
2
(III.18)
la figure ( ) montre la courbe de la puissance réactive demandée au bus de reception
(R) contre une puissance active transmise comme une fonction de l'amplitude la
tension
V et l'angle ϕse pour quatre valeur de l'angle δ, δ=0°,30°,60° et 90°,
SE
avec:
V2
VS = VR = V,
=1
X
et
VV
X
R
SE max
= 0.5
157
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
la capabilité de l'UPFC de contrôler indépendament le flux de la puissance active et
réactive en n'importe quel point est illustrés ci-dessous [19].
Fig.III .13. Relation P-Q pour différente valeur de δ
158
ChapitreIII. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
III. 3.1.2. Mode de Compensation de I’UPFC :
La configuration conventionnelle se résume comme suit [36]:
•
Chaque onduleur partage le même lien a courant continue (condensateur DC).
•
Chaque onduleur est obligé d’échanger la puissance active avec l’autre et avec
la ligne de transmission.
•
Le transformateur utilise une interface entre la ligne de transmission et chaque
onduleur.
VR
VS
VC
VSO
VC
IC − I
IC
Onduleur 1
Onduleur 2
Fig.III.14. Mode de Compensation.
Opération de Compensation :
•
L’onduleur (2) série, génère la tension désirée
V pour le control de la
C
puissance active et réactive, donc agir comme contrôleur de la tension de
source.
•
L’onduleur (1) shunt, produit ou absorber la puissance active pour l’onduleur
(2), injecter un courant pour la ligne pour garantie ici que la puissance active
qui coule vers les deux onduleurs soit nulle.
159
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
Le schéma équivalent représenté comme suit:
2I −I C
I
Vc
x
ond1
I
Vso
VR
IC
IC − I
ond 2
Fig. III.15. Schéma équivalent UPFC
•
L’onduleur (1) devrait contrôler le courant de l’onduleur (2) ( I C ) et le courant
de l’onduleur (1) ( I C - I ) perpendiculaire a leurs tensions respectives
( V SO
− V ).
C
Ou : I est le courant de ligne au point de réception.
V
VC
s
δ
VSO
I
VSO − VC
I −I
C
IC
Fig. III.16. Diagramme de phase.
160
V et
C
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
En sommaire ;
•
La commande de l’onduleur (2) série c’est la tension désirée V .
C
•
La commande de l’onduleur (1) shunt c’est le courant ( I C - I ).
•
V : est calculée facilement par la puissance demandée par le système.
C
•
( I C - I ) : après que la tension
est calculée le courant sera calculée comme
V
C
suit :
Etant donnée que δ est la phase du vecteur de tension
V
, la phase du vecteur de
C
courant I C devrait être:
I = δ + 90°
C
La puissance active transmise a l’onduleur (1) peut être écrite comme suit :
(
P = V −V
1
so
c
)( I − I )
c
(III.19)
P1 = VSO I Ccos(δ ± 90°) + VC Icos(δ − θ 2 ) − VSO Icosθ 2 = 0
(III.20)
De l’équation (III.20) l’amplitude du vecteur de courant I C est :
VSO Icosθ 2 − VC Icos(δ − θ2 )
VSO cos(δ ± 90°)
(III.21)
VSO Icosθ 2 − VC Icos(δ − θ 2 )
δ ± 90°
VSO cos(δ ± 90°)
(III.22)
IC =
IC =
Après que I C est calculée, ( I C - I ) sera calculée facilement.
I ; est détecter par le capteur du courant dans le système de transmission..
161
Chapitre III. Amélioration du facteur de puissance Par U P F C
III. 4. Conclusion :
Le flux d’énergie sur les réseaux électrique, est une préoccupation majeure des
exploitants. La maîtrise de gestion de ces flux
à une importance cruciale, en
autorisant l’utilisation de toute la capacité du système et de la maintenir à des niveaux
adéquats de stabilité.
Les systèmes FACTS ont la capacité de gérer le flux d’énergie dans un réseau
électrique, grâce aux avancées récentes dans la technologie des GTO/IGBT, le temps
de réaction de ces dispositifs a diminué à quelque milli- secondes.
Les systèmes FACTS peuvent contrôler la puissance transmissible dans les lignes de
transports en utilisant trois méthodes : la compensation série, la compensation shunt et
la compensation hybride.
La compensation hybride (série parallèle) de la puissance réactive, l’ UPFC peut être
utilisé en plusieurs modes :
•
Mode d’injection direct d’une tension.
•
Mode de compensation de l’impédance de la ligne.
•
Mode de réglage de la phase.
•
Mode de control automatique du flux de puissance.
L’ UPFC est un compensateur qui est plus complet que les autres, grâces à ces
multiples fonctions. En pratique ce dernier peut être utilisé pour la gestion des flux de
l’énergie dans les réseaux électriques. il est important de remarquer que ce dispositif
peut avoir d’autre taches et fonctions en plus de sa mission de compensation d’énergie
réactive.
162
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Introduction
Nous avons étudié dans le chapitre (III), l’un des plus performants des composants
FACTS : L’UPFC (Unified Power Flow Controler), appelé aussi déphaseur régulateur
Universel (DRU) ou variateur de charge universel [17]. Il est capable de contrôler,
simultanément et indépendamment, la puissance active et la puissance réactive de la
ligne. Il peut contrôler les trois paramètres associés au transit de puissance ; la
tension, l’impédance et l’angle de transport de la ligne. Afin de pouvoir étudier le
comportement du système et la synthèse des lois de commande, il est nécessaire
d’établir un modèle adéquat du dispositif. Nous avons étudié un réseau 63 kV réel (EL
HADJAR) associé à un UPFC. Le modèle détaillé représente correctement les limites
de commande et de fonctionnement du contrôleur. Les résultats de simulations
obtenues par le logiciel MATLAB-PSAT.
IV.1. Principe de fonctionnement de l’ UPFC
Le régulateur de charge (UPFC) est constitué de deux convertisseurs, qui partagent la
même liaison en courant continue (condensateur), connecté au réseau à travers deux
transformateurs. La structure de base du régulateur avec la technique de commande
MLI est représentée sur la figure (IV.1) [18].
L’onduleur série injecte une tension à la même fréquence que celle du réseau et dont
l’amplitude et la phase sont ajustables. Ce réglage d’amplitude et de phase permet
d’obtenir trois modes de fonctionnement de la partie série :
•
Contrôle de tension : la tension injectée est en phase avec celle du coté S.
•
Contrôle de l’impédance de ligne : la tension injectée est en quadrature avec le
courant de ligne. Ce mode permet de faire varier l’impédance de la ligne
comme un compensateur série.
•
Contrôle de phase : l’amplitude et la phase de la tension injectée sont calculées
de manière à obtenir le même module de la tension avant et après l’ UPFC.
163
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Vs ∠δs
I ∠θ
s
I ∠θ
s
l
V ∠δ
l
m
V ∠δ
m
r
V ∠δ
I ∠θ
sh
a :1
sh
se
a sh :1
V ∠α
ish
V ∠β
+
V
−
C
ise
dc
Commutati
-on logique
Commutati
-on logique
α
β
m sh
mse
CONTROLEUR U P F C
p
l ref
Q
l ref
v
dc ref
v
s ref
v ∠δ v ∠δ
s
s
r
r
v dc
Fig.IV.1. Modèle Fonctionnel (UPFC)
Le but principal de ces trois modes de fonctionnement est le contrôle des puissances
active et réactive qui transitent dans la ligne. De plus, l’ UPFC est capable de
combiner les différentes compensations et de basculer d’un mode de fonctionnement à
un autre [15]. La partie shunt peut être utilisée afin de compenser la puissance réactive
pour le maintien du plan de la tension au nœud S et éventuellement fournir de la
puissance active injectée dans le réseau par la partie série.
L’étude du comportement des systèmes et la synthèse des lois de commande
nécessitent la construction de modèles adéquats
164
r
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV. 2. Modélisation du régulateur de charge (UPFC)
Pour simuler un système de puissance qui contient un UPFC, ce dernier doit être
modélisé en plusieurs modèles :
•
•
•
Model Permanent (steady state).
Model Dynamique Transitoire (transient Stability).
Model Linéaire (linearized Model).
IV.2.1. Le modèle Permanent
Ce modèle se reporté comme un modèle injection est décrit dans [19], [38]. L’UPFC
est modelé comme une réactance série avec les charges dépendantes injectées à
chaque fin de la réactance série. Le modèle est simple et utile pour comprendre
l’impact du régulateur de charge (U P F C) sur le système de puissance (réseau).
Cependant la modulation de l'amplitude et le contrôle de la
phase (angle) du
convertisseur série doivent être ajusté manuellement pour trouver la solution du flux
charge désirée.
Si le régulateur est opéré en mode de control automatique (maintien le flux de
puissance a une valeur pré spécifié entre deux point (bus) d’envoi et de réception et
régler la tension d’envoi a une valeur spécifique), ce dernier travail comme :
•
générateur (PV bus) au jeu de barre d’envoi (Sending bus).
•
Charge (PQ bus) au jeu de barre de réception (Receveiving bus).
Cette méthode est un outil simple et facile mais il faut toujours travailler en
contrôlons simultanément le flux de la puissance (active, réactive) et l’amplitude de la
tension envoyée.
.2.2. Le modèle linéaire IV
Le modèle linéaire d’un réseau de puissance qui contient un régulateur de charge
(UPFC) est utile pour les analyses et le control des petits signaux, le modèle linéaire
de l’ UPFC est présenté dans [26], [19] et [39]. En dérivant ce model quelque
simplification ont été faite (par exemple l’échange dynamique de la liaison a courant
continue est négligée).
165
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV.2.3. Le modèle de l’état dynamique
Ce modèle est connu comme le model de la fréquence fondamentale, est décrit dans
[19], [25], [39], [27] et [28]. Ce modèle consiste de deux sources de tension, une
connectée en série et l’autre en parallèle avec le réseau pour représenter les deux
sources de convertisseurs (série, shunt). Chaque source de tension est modélisée pour
injecter deux tensions de même fréquence du réseau. Le model présenté dans [16]
néglige l’effet dynamique du liaison de courant continue (capacité) lesquels peuvent
faire des résultats non exact, les models présentées dans [25], [27], [28] et [18]
introduit l’effet dynamique du liaison de courant continue (capacité), elle peut être
utilisée pour l’étude de l’effet du régulateur (UPFC) sur le comportement de la
puissance (P) active du système de transmission mais il sont pas introduit les pertes
due au commutation des semi-conducteurs
.
Donc
dans notre travail, on a utilisé le modèle de stabilité transitoire mais on a introduit les
pertes en commutation et on a les modéliser par deux résistances l’une en série et
l’autre en parallèle.
IV.3. Modèle de Stabilité Transitoire
IV.3.1. Etat dynamique
Dans la condition d’équilibre, la tension produite (sortie) des deux convertisseurs
cela implique que les deux convertisseurs (Shunt et Série) dans le régulateur de
charge (UPFC) peuvent être modeler en source de tension shunt et série, Connectés au
système de transmission a travers deux transformateurs shunt et série respectivement.
La condition d’équilibre du système est exprimé par :
(IV.1)
Pac = Pdc + Ppertes
En remplaçons
P
par leur valeur dans (4.1) on obtient :
ac
p =p +p
sh
dc
pertes
+p
se
166
.2) IV(
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
V δ
S
S
P + jQ
S
I
θ
liigne
V δ
m
ligne
SR
I θ
s
km v
s
se
α
r
Rse + jX se
Pdc
km v δ − α
sh
V δ
Pse + jQse
Rsh + jX sh
m
r
a se : 1
I sh θ sh
dc
r
SR
a sh : 1
s
Psh + jQsh
sh
P + jQ
m
+V δ −
S
+
Vdc
-
c
m
β
Rc
dc
δ ±
s
π
−β
2
se
REGULATEUR DE CHARGE U P F C
Pref
Q ref V
V
S , ref
P
dc ref
mesur
Q
mesur
V
rS
V
dc
Fig.IV.2. Modèle Stabilité Transitoire.
Ainsi la puissance triphasé instantanée qui circule du réseau vers le convertisseur
parallèle (Shunt) peut être représenté par :
(En négligeons les pertes dans le transformateur shunt, en supposons qu’en est à la
fréquence fondamental et la condition de balance (IV.1).
P = 3V I cos( δ − θ )
sh
p =3
sh
s
sh
k
a v v
sin α
x
sh
sh
sh
167
s
.3) IV(
sh
.4) IV(
r
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Ou:
: La valeur efficace du phaseur de la tension envoyé
V S δS
: La valeur efficace du phaseur de la tension de l’onduleur Shunt
V sh δ S − α
a
: Le rapport de transmission du transformateur Shunt.
sh
X
: La réactance équivalente
sh
: L’angle de control
α
Dans l’autre coté la puissance instantanée de l’onduleur série échangé avec la ligne de
transmission (en négligeant les pertes dans le transformateurs) est égale :
P = 3V I
se
sr
Ou:
I
line
ligne
cos ( δ − θ
sr
line
)
.5) IV(
: La valeur efficace du phaseur de la tension série produite par l’onduleur série
θ
VSR δ SR
: La valeur efficace du phaseur du courant de la ligne de transmission
line
La référence de la tension envoyée du jeu de barre est choisie
v = 2V sin ( ωt + δ
s
s
s
)
v = 2V sin ( ωt + δ − α )
sh
v =
se
sh
s
2V sin ( ω t + δ − β )
se
s
.6) IV(
.7) IV(
.8) IV(
Où :
La valeur efficace de la tension produite par les deux onduleurs (Shunt, Série
respectivement) est égale :
v sh = kmsh v dc
v = km v
se
se
168
.9) IV(
dc
.10) IV(
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Avec :
k=
: Pou r les convertisseurs a technique MLI
1
2 2
V
: La tension de la liaison a courant continue (capacité)
m sh , m se
dc
: L’indice de la modulation d’amplitude du convertisseur Shunt et Série.
La relation entre la tension de l’onduleur série et la line de transmission est obtenue
Par :
v = a v ± jx i .
sr
se
se
.11) IV(
line line
La dernière équation indique que la tension à travers les réactances du transformateur
série dépend du courant de transmission.
.
En estimons les pertes dans le système, qui sont dues généralement au pertes des
commutation dans les deux convertisseurs série et shunt. ces pertes seront modéliser
approximativement en utilisons deux résistances, l’une (Rse) en série et l’autre (Rsh)
en parallèle. Les pertes dans la liaison a courant continue (condensateur) peuvent être
représenté par une résistance (Rc=1 /Gc) connecté en parallèle avec le condensateur.
.1) peut représenté comme suit :
p sh − p se = Vdc (c
IV L’équation (
dv dc
2
2
2
) + v dc
G C + 3(a sh I sh ) R sh + 3(a se I se ) R se
dt
.12) IV(
I dc
3
a vv
⎛ dv ⎞
sin α = v ⎜ c
⎟ + v G + 3v i cos (δ − θ
x
⎝ dt ⎠
sh
s
sh
dc
dc
2
dc
c
sr
line
sr
)3(a I ) R + 3(a I ) R
2
line
sh
sh
2
sh
se
se
se
.13) IV(
sh
dV
VI
VI
G
a I
a I
=3
cos(δ − θ ) − 3
cos ( δ − θ ) −
V −3
R −3
R
dt
CV
CV
C
CV
CV
dc
s
sh
l
s
sh
dc
L’équation dynamique
l
dc
.14) IV(
des Convertisseurs shunt et série
2
sh
C
2
sh
dc
2
se
2
l
sh
dc
se
.14) IV(
dc
peut être utilisé pour déterminer la tension de sortie
.
169
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
.10), IV.9) et (IV.14), (IV à partir des équations (
Le modèle de la stabilité transitoire peut être représenté par :
⎡x
⎢
⎢•x
⎢⎣
•
x
x
c1
c1
c2
⎤
⎥=f
⎥
⎥⎦
⎛ x , α, β, m , m , v , v , ⎞
⎟
⎜
⎝ v , v , v ,δ ,δ ,u ⎠
c1
c
dc
dc ,ref
se
sh
s ,ref
s
s
r
(IV.15)
r
: représente les variables de control de position des
convertisseurs
shunt et Série (par exemple l’angle (α) dans la figure (IV.2)
: représente les variables du système définis intérieurement et affecté
c2
par le control (par exemple la tension Vs dans la figure IV.2).
Il faut noter que tous changement de ces variables dépend du type de control utilisé
dans les convertisseurs.
Finalement l’équation du control du système est représentée par :
1. Le convertisseur Shunt
:
⎡P − V I cos ( δ − θ )
⎤
⎢
⎥
⎢Q − V I sin(δ − θ )
⎥
⎢
⎥
⎢⎣P − V G + k V V G cos ( δ − α ) + k V V G sin ( δ − α ) ⎥⎦
sh
sh
sh
s
sh
2
s
2
s
sh
sh
s
sh
s
sh
sh
dc
s
g
sh
sh
s
( α ,ksh ,Vs ,Vdc ,δs ,Ish ,θsh ,Psh ,Qsh )
170
sh
dc
s
sh
s
= 0 (IV.16)
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
2. Le convertisseur Série :
⎡ P − P − V I cos ( δ − θ )
⎤
⎢
⎥
⎢ Q − Q − V I sin ( δ − θ )
⎥
⎢
⎥
⎢ P − V I cos ( δ − θ )
⎥
⎢
⎥
⎢ Q − V I sin ( δ − θ )
⎥
⎢
⎥
⎢P − P − P − P
⎥
⎢
⎥
⎢Q − Q − Q − Q
⎥
⎢
⎥
⎢ P − V G + k V VG cos ( δ − β ) ⎥
⎢+
⎥
⎢ k V VB sin ( δ − β )
⎥
⎢
⎥
⎢ Q + V B − k V VB cos(δ − β) ⎥
⎢+
⎥
⎢ k V VG sin ( δ − β )
⎥
⎢
⎥
⎢
⎥
⎣
⎦
s
sh
s
s
sh
r
m
r
se
=0
(IV.17)
ligne
se
se
se
dc
ligne
ligne
m
sh
2
ligne
s
m
ligne
r
se
dc
se
se
2
se
se
ligne
sh
se
s
ligne
r
s
s
s
m
s
s
ligne
se
dc
se
dc
se
se
gse ( β ,k se ,Vdc ,Vs ,Vr ,Vsr ,δs ,δr ,δsr ,Il ,θl ,Ps ,Pr ,Psh ,Pse ,Qs ,Qr ,Qsh ,Qse )
⎡ I cos(θ ) − I cos(θ ) − I cos(θ ) ⎤
⎢
⎥
⎢ I sin(θ ) − I sin(θ ) − I sin(θ ) ⎥
⎢
⎥
⎢ P − V I cos(δ − θ )
⎥
⎢
⎥
⎣Q − V I sin(δ − θ )
⎦
s
s
s
sh
s
s
s
s
sh
sh
s
s
sh
s
s
ligne
ligne
ligne
s
s
ligne
=0
s
g con ( Vs ,δs ,Is ,Ish ,Iligne ,θs ,θsh ,θligne ,Ps ,Qs )
L’admittance de chaque convertisseur est définie par
G + jB =
( R + jX )
171
−1
(IV.19)
(IV.18)
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV .3.2. Etat stable
Pour le modèle Stable, la tension continue du condensateur doit être constante, fixe à
sa valeur pré spécifié. A ce stade il faut s’assurer que les pertes dans le lien a
condensateur n’influe pas sur
la puissance active supplémentaire satisfera la
puissance active demandée par le convertisseur série au convertisseur shunt.
La commande MLI du régulateur (UPFC) pour le modèle stable peut être dérivé
aisément d'équation (IV.15) à (IV.18). Les variables de l’équation du contrôle de l'état
stables sont réduites à :
⎡V − V
⎢
⎢V − V
⎢P − P
⎢
⎢Q − Q (V − V )
⎢P − P − G V − R I − R I
⎢
⎢g (α,k ,V ,V ,δ ,I ,θ ,P ,Q )
⎢g (β,k ,V ,V ,V ,V ,δ ,δ ,δ ,I ,θ ,P ,P ,P
⎢
⎢ P ,Q ,Q ,Q ,Q )
⎢g (V ,δ ,I ,I ,I ,θ ,θ ,θ ,P ,Q )
⎣
s
s ref
dc
dcref
r
rref
r
rref
sh
se
sh
C
sh
se
se
r
se
s
conv
r
s
rref
2
dc
s
dc
s
dc
s
r
sh
s
sh
s
2
sh
sh
sh
sr
2
r
se
sh
s
sh
r
sr
r
se
sh
r
s
sh
r
s
s
r
s
r
sh
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
,⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
=0
(IV.20)
Les équations (IV.16), (IV.17) et (IV.18) aussi font partie du model stable et restent
inchangées.
IV .3.3. Limites de control
Les limites du régulateur, son aptitude ainsi que sa fiabilité ont été discutés dans [34]
et [42]. Donc pour que la simulation soit fiable, il très important de prendre en
considération :
1. Les limites des courants pour les deux convertisseurs (Shunt, Série).
2. Les limites de transfert des puissances par les semi-conducteurs (limites des
paramètres physique).
3. Il faut estimer la tension série a injecter.
172
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Le control du convertisseur shunt et série sera découplé, quand une limite est atteinte
dans une variable en un du convertisseur, un autre variable correspond au même
convertisseur doit s'être rendu compte pour consistance de l’ensemble d'équation non
linéaire.
IV .3.3.1. Limites de Control du Convertisseur shunt :
Le convertisseur shunt assure le control de la tension du bus d’envoi (Vs) et la tension
continue (VDc).
•
Si la limite du courant est atteinte, seulement une variable (Vs) ou (VDc) sera obtenu
après résolution de l’équation (IV.20).
En admettons que les pertes résistive sont trop petit, les équations qui
détermine la puissance et le courant du convertisseur peuvent être écrite
comme suit :
P ≈−
sh
k VV
sin ( α )
X
sh
dc
k
sh
(IV.21)
I sh ≈
K sh2 Vdc2 − Vk2
2
+
Qsh
2
X sh
X sh
Si la tension alternative est autour de sa valeur nominale (par exemple 1.p.u),
P ≈−
sh
sin ( α )
X
sh
,
(IV.22)
Ish ≈
2Qsh
X sh
D’après (IV.22) ; le courant (Ish), est fortement lié avec la puissance réactive ainsi que
l’amplitude de la tension envoyée (Vs). Alors que le control de la puissance de
transfert de la tension (VDc) est directement influencée par le changement de la phase
(α) ; variable de base qui défini le flux de puissance (chargement et déchargement de
la capacité).
173
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
La stratégie de commande présentée sur la figure (IV.3) définie le mode de control du
convertisseur shunt tout en respectant ces limites
I =I
sh
I sh > I max
max
V >V
dc
dc ref
α=α
V >V
min
dc
Q sh < 0
VS = VSref
V <V
S
I sh > I max
Ish < I max
Qsh > 0
S
α
dc ref
min
<α<α
Sref
α>α max >0
α=α
0<V <
max
max
V =V
dc
0 < VS < VSref
V >V
Sref
α < α min < 0
I sh = I max
dc
dcref
Vdc < Vdcref
Vdc > Vdc ref
V
dcref
Fig. IV.3. Limites de control du convertisseur shunt
En état stable.
IV .3.3.2. Limites de Control du Convertisseur série :
Le convertisseur série règle le flux de puissance active ;
•
si l’un des variables (Ir) ou (Vsr) atteint ces limites, (Pr) est contrôlé pendant
que (Qr) a ces limites.
La stratégie de commande présentée sur la figure (IV.4) définie le mode de control du
convertisseur série tout en respectant ces limites
174
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
I >I
0<I <I
0<V <V
P =P
r
sr
r
r
sr
(V > V )
sr max
sr
max
rref
Q =Q
r
V >V
(I < I )
r max
rmax
r
I = I (V = V
V < V (I < I
P =P
r
Q r > Q r ref
(Q r < Q r ref )
rref
max
rmax
sr
r
sr max
sr max
r
rmax
)
)
I =I
V =V
r
r max
sr
sr max
Q * aucune * valeur
r
rref
Q <Q
l
sr
rmax
r
r r ref
(Q > Q )
r
r ref
P >P
r
rref
Fig. IV.4. Limites de control du convertisseur série
En état stable.
Finalement, l’indice de modulation (msh) et (mse) sont maintenu au dessous de
1 p.u
Pour éviter toute sur modulation qui peut générer des harmoniques [43].
Les limites des variables ainsi que (Ksh) et (Kse) de l’équation (IV.20) peuvent être
conduits comme suit :
•
pour le convertisseur shunt, si la limite de (Ksh) est atteinte, le control de la
tension est perdu et d’où la tension (Vr) est libre de changer. Donc il faut
contrôler la tension envoyer (Vs) afin d’éviter que (Ksh) arrive a ces limites.
•
Pour le convertisseur série, les limites de (Kse) peut être accommodé comme
limites sur la tension série a inséré (Vsr).
175
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV.3.4. Mode de Control du régulateur de charge (UPFC)
Le régulateur de charge UPFC peut varié significativement sa stratégie de contrôle
(control indépendant de la puissance active et réactive), il est
utilisé
vraisemblablement pour contrôler :
•
l’amplitude de ces bus ou il est connecté par la génération/absorption de la
puissance réactive.
•
le control de flux de puissance par le réglage de l’amplitude et la phase de la
tension injectée.
IV.3.4. 1. Mode de Control du convertisseur Shunt :
Le convertisseur shunt assure deux opérations de control :
•
Control de l’amplitude de la tension au bus d’envoi par la génération ou bien
l’absorbation de la puissance réactive,
•
Fournir ou bien absorbe de la puissance active demandée par le convertisseur
série au condensateur (DC link) ; donc il est possible de réaliser la balane de
puissance active entre les deux convertisseurs par le control de la tension
continue VDC. Tous excès ou bien déficit en puissance active augmente ou
bien baisse la tension continue.
Le convertisseur shunt (AC/DC) utilise deux contrôleurs (PI) séparés, le premier (PI)
control directement la tension du bus (S) a travers l’indice de modulation d’après
l’équation suivante [40] :
v =
sh
1
2 2
Ou :
msh : L’indice de modulation
0≤ msh ≤1.
176
m v
sh
(IV.23)
dc
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
max
+
K p ac +
V
sref
-
K lac
S
m sh
min
K M dc
1 + STM dc
Vsmesure
Fig.IV.5. Control de base de l’amplitude de la tension envoyée
Par le convertisseur Shunt.
Le deuxième régulateur (PI) contrôle la tension continue du condensateur en variant
directement l’angle (α) comme suit :
1. si (α<δs) ; la tension produite par le convertisseur shunt est en arrière par
rapport a la tension du bus d’envoi (S) et par conséquent le condensateur
charge.
2. si (α>δs) ; la tension du convertisseur est en avance par rapport a la tension du
bus d’envoi (S) et par conséquent le condensateur décharge.
Les limites de l’angle (α) représente les limites de transfert de puissance active,
théoriquement ; -90° ≤α<90°. Mais pratiquement les limites choisie pour un control
effective est : -25° ≤α<25° [27].
177
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
max
V
dc ref
-
K p ac +
K lac
∆α +
α
S
min
+
K M dc
δs
1 + STM dc
V
dc mesuree
Fig.IV.6. Control de base de l’angle (α) de la tension produite
Par le convertisseur Shunt.
IV.3.4. 2. Mode de Control du convertisseur Série :
Deux différentes schémas de control pour le convertisseur série :
•
Control de tension et de la puissance :
Le premier schémas de control est proposé dans [42] est présenté sur la figure
(IV.7) ; Ce schéma montre le control automatique du flux de puissance pour le
convertisseur série, la tension de sortie du convertisseur est variable pour le
control de la puissance active proposé (origine) dans la ligne et le control de la
tension au bus de réception (R).
178
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
max
P
+
K p ac +
rref
-
K lac
VQ
S
min
K M dc
1 + STM dc
Pr
max
Qlref
Q
-
K p ac +
lref
+
K lac
S
min
K M dc
1 + STM dc
QQl
l
Fig.IV.7. Mode de Control (PQ).
179
VP
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Il faut noter que :
•
La tension du bus de réception (R) est utilisée comme référence pour le
système, la tension du convertisseur et le courant de la ligne peuvent être
décomposé en deux composantes :
o L’une (P) est en phase avec la tension (Vr),
o L’autre (Q) est en décalage de 90° par rapport à (Vr).
Vse = Vp2 + VQ2
I θ = ( I − jI ) e
r
r
P
Q
(IV.24)
jδr
En négligeons l’impédance de la ligne :
Pr ≈ Vr I P
Q ≈ VI
r
•
r
(IV.25)
Q
Control de la puissance active et réactive en décomposition (d-q)
Le deuxième schéma de control proposé dans [45] ; pour la décomposition du
signal en (d-q). Tous les valeurs de control mesurées seront transformée en (p. u.)
tels que :
V , V , V etI
r
s
dc
ligne
Le convertisseur série contrôle le flux de puissance par le contrôle de la tension série
injectée en contrôlons les deux sortie ; l’indice de modulation (mse) et l’angle (β).
Le contrôle de ces deux paramètres s’effectué comme suit :
180
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Le contrôle de ces deux paramètres s’effectué comme suit :
R =R +R
se
X =X +X
se
T
r
T
r
K=
R T ωB
XT
V = 2V
rd
r
V = 2V cos ( δ − δ
Sd
s
V = 2V sin ( δ − δ
Sq
V =V −
seq
sq
X
x
ω
s
)
s
)
r
s
r
V = V −V −
T
2
sed
B
sd
rd
X
x
ω
T
B
1
V +V
2
V =
se
m =
se
2
2
sed
seq
8V
3V
ise
dc
β = − tan − (
1
V
seq
V
sed
181
)
1
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
Ou :
ωB : la fréquence fondamental du système en rad/s.
X1, X2 c’est les
deux sorties des contrôleurs PI.
225/63KV
Depuis que ce contrôle ne fait pas beaucoup de suppositions concernant le
comportement du système. Il choisi pratiquement dans tous les logiciels de simulations
dont notre outil de simulation MATLAB- PSAT.
IV. 4. Réseau étudié
Nous avons considéré pour notre étude le réseau HT/MT du complexe sidérurgique
D'ELHADJAR indiqué par la figure 4.4 [30]. Le réseau est constitué de trois postes HT/MT
(225KV/63KV) ; Poste N°l, 2&3 avec une PMD de l'ordre de 135 MW [37].
1. Le premier poste N°l ; est alimenté a partir de SONALGAZ d'une tension de l'ordre de
225KV, cette tension est abaisser a 63KV par l'intermédiaire d'un transfo de 70 MVA. Ce
poste alimente les unités suivantes : LAC, COX, SCE GENERAUX, ZONE NORD.
2. Le poste N°3 ; est alimenté a partir de SONALGAZ
d'une tension
de l'ordre de
225KV, cette tension est abaisser a 63KV par l'intermédiaire d'un transformateur de 70 MVA.
Ce poste alimente la zone MPF dont les unités suivantes : PMA, COK, HFX.
3. Le poste N°2 ; est alimenté a partir de SKIKDA d'une tension de 225 KV, cette tension est
abaisser
a
63KV
par
l'intermédiaire
d'un
transformateur
de
70MVA.
Ce poste est le plus solliciter dans le complexe par la complexité des clients qu'ils alimentent;
tels
que
l'aciérie
électrique,
Tandem
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
182
LAF
et
TSS
.
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
11 faut noter que le réseau du complexe travail en boucle fermée comme suit :
SONALGAZ
Poste 63 KV
N°2
Poste 63 KV
N°1
Poste 63 KV
N°3
Fig. IV.8. Synoptique du réseau bouclé MSA.
Actuellement le réseau du complexe fonctionne avec beaucoup plus de problèmes tels
que :
* instabilité de la tension du au chutes de tension, provoquent des F1ICKER.
* Courants asymétriques.
*Distorsions harmoniques.
Origine du problème :
L'aciérie électrique est le plus grand consommateur de l'énergie au sein du complexe,
il est alimenté à partir poste N°2 (63 KV) par ces deux fours à arcs ; EBT (48 MVA) et
LHF (12.5 MVA). Son rôle se détermine par la récupération de la ferraille, Après une
mise en forme l'acier obtenue serve les deux four a arc pour la fabrication des lingots
et
biellette.
Les
deux
183
fours
a
arcs
doivent fonctionner en fusion décharges solides, l'instabilité de l'arc formé entre les
électrodes et la charge provoque des variations rapides très importantes du courant
d'où les fluctuation de la puissance réactive absorbé au réseau En outre, les
fluctuations des puissances ne sont pas asymétrique et se produisent d'une façon
irrégulière sur chaque phase. Ces perturbations entraînent aussi des variations
de tension qui gênent les installations voisine, raccordées au même poste voir le
même réseau
Les figures (IV.9), (IV.10) et (IV.11) montrent l'impact de la mise en marche du grand four EBT
sur la charge du réseau :
30
25
20
15
10
5
0
32
9"
44
9"
5
10 2
"0
10 0
"3
10 0
"5
11 4
"0
11 6
"1
11 4
"2
11 8
"5
4
9"
9"
24
P(MW)
Q(MVAR)
Fig. IV.9. Puissance active& réactive four a l’arrêt.
25
20
15
P(MW)
Q(MVAR)
10
5
09"50
09"30
09"10
08"50
08"30
08"10
07"40
07"20
07"00
06"40
06"20
06"00
0
Fig. IV.10. Puissance active& réactive four en marche.
184
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
COSQ
COSQ
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
4
7
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40
Fig. IV.11 Comparaison Cos φ ;
a. Four a l’arret
b. Four en Marche.
Pour remédier a ces problèmes ; l’ex SNS a opté pour des dispositifs de compensation
tels que : compensateur synchrone, compensateur statique à gradin. Ces derniers sont
a l’arrêt aujourd’hui.
Dans ce travail, nous proposons une compensation plus flexible, efficace par rapport
aux méthodes utilisées auparavant dans le complexe. Une compensation par UPFC, ce
dernier est incorporée au niveau du poste N°2 63 KV, qui assure généralement
l’alimentation de l’aciérie électrique et parfois tous le complexe.
Nous avons utilisée logiciel MATLAB-PSAT, ce dernier est conçu pour l’analyse et
le control des réseaux électrique.
185
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV.5. Simulation :
Fig. IV.12. Incorporation d’un UPFC dans le réseau HT/MT
Du complexe MITTAL STEEL ANNABA.
Nous avons construis le modèle du réseau, en utilisant la librairie Simulink
MATLAB-PSAT. L’incorporation du convertisseur UPFC est choisie au niveau du
bus Y (poste 63 KV N°2), ce dernier qui assure aussi l’alimentation d’autre clients
perturbateurs tels que ; TENDEM LAF, TSS et parfois toute l’usine a travers le réseau
bouclé.
Donc il est indispensable de veiller sur la stabilité de tension au niveau de ce poste,
par un moyen adéquat qu’en propose dans ce travail.
186
Chapitre IV. Modélisation&simulations UPFC
IV.6. Conclusion
L'UPFC est un dispositif puissant parmi les systèmes FACTS. Dans ce chapitre nous
avons développé le modèle dynamique transitoire de l' UPFC et nous avons vérifié
ces caractéristiques.
La définition des limites de control pour la partie parallèle et la partie série. Nous a
permis de
choisir la méthode de décomposition en (d-q) comme méthode
d'identification des références. Nous avons également utilisé la méthode basée sur la
M L I pour contrôler les onduleurs de tension. Enfin, nous avons fait des simulations
avec le logiciel MATLAB-PSAT.
187
Chapitre V. Traitement des résultats
V.1. Résultats de simulation
La simulation par le logiciel MATLAB-PSAT. Passe tout d'abord par le choix des
Références :
•
Les tensions dans les bus S, Y, Y’ : V=1 p.u.
•
Les puissance dans le bus 4 (four a arc) : P=0.8 p.u. Q=0.6 p.u.
A l'instant t=2 s, nous avons changé les références de puissance au bus 04 pour
qu’elles deviennent : P=0.2 p.u et Q=1.2 p.u.
Ensuite, à l'instant t=5 s nous avons remis les références initiales.
La figure V.1., montre les variations de :
•
La charge demandée.
•
La tension au bus Y (poste 63 N°2).
•
La tension au bus Y’ (poste 63 N°2).
•
La tension générée par SONALGAZ ; bus S.
•
La puissance active dans la ligne UPFC.
•
La puissance réactive demandée.
La figure V.2., montre les variations de :
•
la tension aux bornes du condensateur.
•
L’angle alpha du convertisseur Shunt.
•
L’angle beta du convertisseur Série.
•
La tension injectée par la partie série.
•
l’indice de modulation shunt msh.
•
l’indice de modulation série mse.
Nous remarquons que
•
les tension au bus (Y), (Y’) et (S) suivent leurs consignes, tension fixe a (1
p.u.) malgré les perturbations au niveau du bus 04 de l’aciérie électrique. Cela
valide le bon fonctionnement de l’ U P F C.
188
Chapitre V. Traitement des résultats
•
La tension aux bornes du condensateur reste constante, grâce au convertisseur
Shunt. En effet, la variation de l’angle alpha ainsi que l’indice de modulation
shunt (msh) montre que
la partie parallèle injecte (ou consomme) de la
puissance réactive de manière à ce que la tension du réseau reste constante
(tension au bus S).
•
La tension au bus (Y’) reste constante, grâce au convertisseur série. en effet
l’injection d’une tension série, la variation de l’angle beta ainsi que l’indice
de modulation série (mse) montre que la partie série maintien la puissance
active dans la ligne de transmission ainsi que la tension fixe au bus de
réception.
•
malgré l’augmentation de la puissance réactive, la tension générée par le
système reste constante ce qui confirment que les deux convertisseurs (série,
shunt), injecte de la puissance réactive dans le système.
•
malgré l’augmentation de la charge du système , la tension générée par le
système reste constante ce qui confirment que les deux convertisseurs (série,
shunt), échange de la puissance active avec le système.
189
Chapitre V. Traitement des résultats
Fig V.1. Résultats de simulations du contrôle de variation de la charge
Par UPFC.
190
Chapitre V. Traitement des résultats
Fig.V.2. Fig V.1. Résultats de simulations du contrôle de variation de la charge
Par UPFC
191
Conclusion générale
La compensation de l’énergie réactive dans les réseaux électrique constitue un sujet
important pour les exploitants, comme nous avons pu le constater tout le long de ce
travail. Notre travail a été consacré a la compensation de l’énergie réactive par
convertisseur afin d’améliorer la qualité de l’énergie électrique et d’assurer une
stabilité d’un réseau électrique. Nous avons présenté les perturbations affectant la
qualité de l’énergie électrique (Q.E.E) dans un réseau électrique, cette dernière est
caractérisée par les indices suivants :
•
La fréquence.
•
L’amplitude des trois tensions.
•
La forme d’onde.
•
La symétrie.
Parmi les facteurs qui provoque des perturbations majeurs et déprécié la Q.E.E sont :
•
Variations de la fréquence.
•
Variations lentes&rapides de la tension.
•
Harmoniques (inter harmonique).
•
Dissymétrie du système triphasé (déséquilibre).
Nous avons présenté plusieurs solutions d’amélioration traditionnels et modernes tels
que :
•
Rééquilibrage des courants du réseau.
•
Filtrages des harmoniques.
•
Compensation d’énergie réactive.
L’amélioration du facteur de puissance constitue sans doute un paramètre très
important dans l’amélioration de la qualité de l’énergie du point de vue technique et
économique.
Le facteur de puissance est l’un des plus importants indices de la qualité d’énergie
électriques dans les réseaux électriques. Un mauvais facteur de puissance à des
influences pour tous les acteurs : producteur, fournisseur et exploitant de l’énergie.
192
Conclusion générale
L’amélioration de ce facteur demeure le souci majeur surtout pour le fournisseur
(réseau de transport), la compensation d énergie réactive est l’unique solution pour
l’améliorer. Pour ce faire plusieurs méthodes sont a distinguées :
•
Compensateur Synchrone.
•
Compensation par batteries de condensateurs.
•
Compensateurs Statiques.
•
Convertisseurs Statiques.
Les deux premières méthodes ont démontrées leurs limites, par leurs modes de
contrôles classiques, elles ne répondent pas en temps réel face aux perturbations dont
fait l’objet le réseau électrique.
La troisième méthodes est l’une des plus performantes, par son mode de control et
réponse en temps réel. Mais tous simplement son domaine d’utilisation est limités par
le courant et la tension qu’ils supportent les thyristors, ce qui rend la compensation en
haute tension pratiquement impossible.
La dernière méthodes est la plus récente (FACTS), elle offre la possibilité de
compenser en haute tension avec des thyristors GTO qui supportent des courants et
tensions très grandes en plus leur avantage de suivre l’évolution de la puissance active
et réactive dans deux plans différents.
L’ UPFC est un compensateur qui est plus complet que les autre, en pratique elle
utilisé pour la gestion de l’énergie dans les réseaux électriques.
Le flux d’énergie sur les réseaux électrique, est une préoccupation majeure des
exploitants. La maîtrise de gestion de ces flux
à une importance cruciale, en
autorisant l’utilisation de toute la capacité du système et de la maintenir à des
niveaux adéquats de stabilité.
Les systèmes FACTS ont la capacité de gérer le flux d’énergie dans un réseau
électrique, grâce aux avancées récentes dans la technologie des GTO/IGBT, le temps
de réaction de ces dispositifs a diminué à quelque milli- secondes.
Les systèmes FACTS peuvent contrôler la puissance transmissible dans les lignes de
transports en utilisant trois méthodes : la compensation série, la compensation shunt et
la compensation hybride.
193
Conclusion générale
La compensation hybride (série parallèle) de la puissance réactive, l’ UPFC peut être
utilisé en plusieurs modes :
•
Mode d’injection direct d’une tension.
•
Mode de compensation de l’impédance de la ligne.
•
Mode de réglage de la phase.
•
Mode de control automatique du flux de puissance.
L’ UPFC est un compensateur qui est plus complet que les autres, grâces à ces
multiples fonctions. En pratique ce dernier peut être utilisé pour la gestion des flux de
l’énergie dans les réseaux électriques. Il est important de remarquer que ce dispositif
peut avoir d’autres taches et fonctions en plus de sa mission de compensation
d’énergie réactive.
L'UPFC est un dispositif puissant parmi les systèmes FACTS. Dans ce chapitre nous
avons développé le modèle dynamique transitoire de l' UPFC et nous avons vérifié
ces caractéristiques.
La définition des limites de control pour la partie parallèle et la partie série. Nous a
permis de
choisir la méthode de décomposition en (d-q) comme méthode
d'identification des références. Nous avons également utilisé la méthode basée sur la
M L I pour contrôler les onduleurs de tension. Enfin, nous avons fait des simulations
avec le logiciel MATLAB-PSAT.
Les résultats de simulations ont validé notre méthode de compensation, avec une
stabilité des tensions au niveau des bus, malgré les perturbations causées par la mise
en marche des fours a arc de l’aciérie électrique.
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