Memoire Online - Amélioration du transit de puissance par les facts et simulation sur Matlab/Simulink d'un réseau électrique.

Sommaire .....................................................................................................................v
Résumé........................................................................................................................vii
Abstract ...........................................................................................................................viii
Cahier des charges ............................................................................................................ix
Remerciements ......................................................................................................... x
Avant propos............................................................................................................xi
Liste des figures ...............................................................................................................xii
Liste des tableaux ............................................................................................................xiii
Abréviations ..........................................................................................................................xiv
INTRODUCTION GENERALE ...............................................................................................................................	1
*CHAPITRE 1 : APPROCHE MATHEMATIQUES SUR LES ELEMENTS D'UNE LIGNE DE TRANSPORT HAUTE TENSION...................................................................................................*	3
**1-1 INTRODUCTION...........................................................................................................**	3
*1-2 LES ETAPES DE LA METHODE DE CALCUL.....................................................................*	3
*1-3 METHODE GENERALE DE CALCUL................................................................................*	4
*1-4 LES RESEAUX SYMETRIQUES..............................................................................*	4
*1-5 MATRICE DES RESISTANCES ET DES INDUCTANCES LOGITUDINALES LINEIQUES...*	4
*1-6 NOTION DE MATRICE D'IMPEDANCE EFFECTIVE .............................................................*	5
*1-7 LE SYSTEME PER UNIT, PUISSANCE, TENSION, PUISSANCE ET COURANT DE BASE.............................*	6
*1-8 CHUTE DE TENSION SUR UNE LIGNE .............................................................................................*	7
*1-9 MODELISATION DE LIGNES...........................................................................................................*	7
*1-10 MODELISATION DES TRANSFORMATEURS.....................................................................*	8
*1-11 MODELISATION DES MACHINES SYNCHRONES...............................................................*	8
*1-12 CONCLUSION...............................................................................................................*	9
*CHAPITRE 2 : ANALYSE DES CHARGES ET DES PUISSANCES SUR UN RESEAU...................*	10
*2-1/ INTRODUCTION..........................................................................................................*	10
*2-2 / FORMULATION DU PROBLEME DE (LOAD FLOW)............................................................*	10
**2-3/ CONSTITION D'UN RESEAU..........................................................................................**	10
**2-3-1/ LES GENERATEURS......................................................................................................**	10
**2-3-2/ LES CHARGES..............................................................................................................**	10
*2-4/ BILAN DE PUISSANCE ET BALANCIER...........................................................................*	11
**2-4-1/ BILAN DE PUISSANCES.................................................................................................**	11
**2-4-2/ LE GENERATEUR BALANCIER.......................................................................................**	11
*2-5/ FORMULATION A L'AIDE DE LA MATRICE D'ADMITTANCE...............................................*	12
*2-6/ DIRECTION DE L'ENERGIE ENTRE DEUX BARRES OMNIBUS.............................................*	14
**2-7/ CONCLUSION .........................................................................................................................................**	15
CHAPITRE 3 : AMELIORATION DU TRANSIT DE PUISSANCE PAR LES DISPOSITIFS FACTS...................................................................................................................................	16
*3-1/ INTRODUCTION ..........................................................................................................*	16
*3-2 / GENERALITE SUR LES DISPOSITIF FACTS...................................................................*	17
*3-2-1 / FONCTIONNEMENT DES FACTS....................................................................................*	18
*3-2-2/ PROBLEMES DE CONGESTION ET DE DECONGESTION.....................................................*	18
*3-2-3/ MODE D'EMPLOI POUR LE TRAITEMENT DES DEFAUTS...................................................*	19
*3-2-1 / COMMENT OPTIMISER L'EXISTANT..............................................................................*	20
*3-2-1/ LES COMPENSATEURS STATIQUES D'ENERGIE REACTIVE................................................*	20
*3-2-1-1/ COMPENSATEURS PARALLELES....................................................................................*	21
*3-2-1-1-1/ Compensateurs parallèle traditionnelle................................................................................*	21
*3-2-1-1-2/ Compensateurs parallèles à base de thyristors........................................................................*	22
*3-2-1-1-3/ Compensateurs parallèles à base de GTO thyristors................................................................*	24
*3-2-2/ LES COMPENSATEURS SERIE REGLABLES......................................................................*	25
*3-2-2-1 / COMPENSATEURS SERIES.............................................................................................*	25
*3-2-2-1-1 / Compensateurs séries à base de thyristor............................................................................*	25
*3-2-2-1-2 / Compensateurs séries à base de GTO thyristors...................................................................*	26
*3-2-3/ LES COMPENSATEURS MODERNES...............................................................................*	26
*3-2-3-1/ COMPENSATEURS HYBRIDES SERIE/PARALLELE...........................................................*	26
*3-2-3-1-1/Compensateurs hybrides à base de thyristors........................................................................*	26
*3-2-3-2 /LES DEPHASEURS STATIQUES.....................................................................................*	27
*3-2-3-3/ LE DEPHASEUR-REGULATEUR UNIVERSEL....................................................................*
*3-3 / SYSTEMES FLEXIBLES DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE CAS DE L'UPFC...*	28
*3 -3- 1 / PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE l'UPFC.................................................................*	28
*3- 3-2 / PRESENTATION DE STRUCTURE....................................................................................*	29
*3-4/ SYNTHESE DANS LE CHOIX DES FACTS..........................................................................*	30
Chapitre 1 3-5/ PRESENTATION ET ANALYSE DE L'UPFC SUR UN RESEAU............................................	31
*3-8/ CONCLUSION.................................................................................................................*	32
CHAPITRE 4 : CAS DE SIMULATION SUR MATLAB/SIMULINK D'UNE LIGNE AVEC UPFC.......................	33
*4-1/ INTRODUCTION...........................................................................................................*	33
*4.2 MODELISATION DE LA LIGNE DE L'OUEST DU RESEAU AES SONEL SANS UPFC*	33
*4.3 MODELISATION DE LA LIGNE DE L'OUEST DU RESEAU AES SONEL SANS UPFC*	33
*ANNEXE...............................................................................*	34
*CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES D'AVENIR*	37

L'expansion continuelle des réseaux de transport d'énergie montre les limites des capacités de transit des systèmes existants. Les gestionnaires de réseaux sont contraints d'exploiter le système au plus prés de ses limites thermiques et dynamiques, alors que les consommateurs sont de plus en plus exigeants quant à la qualité de l'énergie et la continuité de service. L'amélioration de la qualité de l'énergie, l'augmentation de la capacité de l'énergie, transitée et le contrôle des réseaux existants peuvent être obtenu grâce à la mise en place de nouvelles technologies. Les FACTS à base d'électronique de puissance apportent des solutions dynamiques, efficaces et prouvées à la conduite des réseaux. Certaines lignes situées sur des chemins privilégiés peuvent être surchargées. Dés lors, il est intéressant pour le gestionnaire du réseau de contrôler ces transits de puissance afin d'exploiter le réseau de manière plus efficace et plus sûre. La technologie FACTS est un moyen permettant de remplir cette fonction. Avec leur aptitude a modifier l'impédance apparente des lignes, les dispositifs FACTS peuvent être utilisés aussi bien pour le contrôle de la puissance active que pour celui de la puissance réactive ou de la tension. Plusieurs types de FACTS existent et le choix du dispositif approprié dépend des objectifs à atteindre.

L'objectif de ce travail était de montrer une stratégie de contrôle pour les tensions ainsi que pour les flux de puissances réactives transitant dans un réseau. L'UPFC qui est un FACTS est un dispositif de type shunt et série à savoir deux SVC (Static Var Compensator) donc l'un est connecté) à un transformateur série et l'autre parallèle. Puis de simuler sur Power World un réseau de transport d'énergie électrique et puis d'effectuer une analyse de ce réseau.

The focus of this memory is a FACTS device known as the Unified Power Flow Controller (UPFC). With its unique capability to control simultaneously real and reactive power flows on a transmission line as well as to regulate voltage at the bus where it is connected, this device creates a tremendous quality impact on power system stability. These features become even more significant knowing that the UPFC can allow loading of the transmission lines close to their thermal limits, forcing the power to flow through the desired paths. This will give the power system operators much needed flexibility in order to satisfy the demands that the deregulated power system will impose. The most cost-effective way to estimate the effect the UPFC has on a specific ower system operation is to simulate that system together with the UPFC by using one of the existing simulations packages. Therefore it is advisable for the transmission system operator to have another way of controlling power flows in order to permit a more efficient and secure use of transmission lines. The FACTS devices (Flexible AC Transmission Systems) could be a mean to carry out this function without the drawbacks of the electromechanical devices (slowness and wear). With their ability to change the apparent impedance of a transmission line, FACTS devices may be used for active and power control, as well as reactive power or voltage control. To arrive to this objective, work has been decomposed in four chapter After we have develop one network electrical system in that we have do an analysis in Power World and have looking how UPFC can help us to resolve the problem we have see in this eslectrical system.

L'étude et la réalisation d'un réseau électrique haute tension sur lequel est. axé ce mémoire doit satisfaire aux fonctions de service suivantes:

L'étude a été menée conformément à la norme NFC 64-200 Relative à la stabilité des réseaux haute tension.

Il doit être utilise sur les systèmes d'exploitation WINDOWS XP où MATLAB/SIMULINK^TM est. Installé

Nous voudrions remercier toutes les personnes qui par leur franche et précieuse contribution, nous ont aidés d'une manière ou d'une autre à l'élaboration de ce travail. Elles méritent bien plus que nos simple remerciement que nous leurs adressons. Il s'agit de:

Ø Ph.D Nneme Nneme Léandre mon Directeur de mémoire qui malgré ses multiples sollicitations à bien voulu m'accepté à poursuivre ce travail selon le cahier de charge qui s'était fixé et à me guider dans le domaine de la recherche scientifique ;

Ø Mes encadreurs : Mr KENFACK Pierre et EKEMB Gabriel (Professeur de Lycées Technique, doctorant)

Ø Mr EKE Samuel (Professeur de Lycées Technique, doctorant) pour sa grande disponibilité et donc mes remerciements ne pourront être sans fin.

Ø Mr MBEY Camille (Professeur de Lycées Technique, doctorant) pour ses conseils

Ø Tous mes enseignants de l'ENSET qui ont assurés notre formation, nous pensons particulièrement au :

Ø Tous ceux qui en ce monde nous ont apporté un soutien aussi modeste soit-il tout au long de notre cursus scolaire

L'école normale supérieure d'enseignement technique (ENSET) est une institution qui a la vocation de former les enseignants des Lycées d'enseignement technique du Cameroun. Conformément à l'arrêté Ministériel N⁰ 02/BI du 26/11/1995, tout étudiant en fin de cycle doit présenter un travail un travail de recherche qui se rapporte soit à sa spécialité, soit aux problèmes d'ordre pédagogique. Ce travail peut être un projet de mémoire, pour les étudiants du premier cycle (3^éme année) ou, un mémoire pour les étudiants du second cycle (5^éme année).

C'est dans ce contexte que nous étudiants de cinquième année génie électrique option électrotechnique avons choisi le thème : « AMELIORATION DU TRANSIT DE PUISSANCE PAR LES FACTS (l'UPFC) ET SIMULATION SUR POWER WORLD D'UN RESEAU ELECTRIQUE ».

Nous avons mené cette étude dans le but de permettre aux concepteurs et spécialistes de gestion des réseaux électriques de retrouver ici un ensemble d'informations permettant d'assimiler le transit de puissance dans les réseaux à travers l'usage des dispositifs fabriqués à base des composants d'électronique de puissance.

Ce travail a été élaboré sous la direction de : Dr Nneme Nneme Léandre et

Pour demeurer fidèle aux objectifs généraux visés par l'enseignement supérieur, ce document doit pouvoir :

· Permettre à l'étudiant d'approfondir un ou plusieurs domaines de sa spécialité.

Loin de paraître une exemption à toute critique, nous osons néanmoins espérer que cette oeuvre saura être une source d'inspiration à même d'aider plus d'un technicien dans leurs futurs travaux.

Figure 1.3 : Variation de la tension dû au passage de courant à travers une ligne impédance

Figure 2.2 : Représentation d'une des phases avec un neutre de système balancé.

Figure 3.7: Schéma unifilaire de l'UPFC et son diagramme vectoriel des tensions et courants

Figure. 3.3 : Modèle mathématique de l'UPFC et le système de transmission

Tableau 3.2: inventaire des systèmes en service de l'heure actuel dans les réseaux et leurs fonctions [5]

Tableau 4.1 : paramètres du réseau au niveau des puissances des barres.

PLL (Phase Locked Loop ou Boucle à Verrouillage de Phase) Le principe de la PLL est basé sur l'emploi d'un régulateur RST spécifique

VHDL-AMS (Very high speed integrated circuits Hardware Description Language Analog-Mixed Signal)

l'UPFC (Unified Power Flow Controller) appelé aussi Déphaseur Régulateur Universel (DRU) ou variateur de charge universel

INTRODUCTION GENERALE

Depuis de nombreuses années, le fournisseur d'énergie électrique s'efforce de garantir la qualité de l'énergie électrique, les premiers efforts se sont portés sur la continuité de service afin de rendre toujours disponible l'accès à l'énergie chez l'utilisateur. Aujourd'hui, les critères de qualité ont évolué avec le développement des équipements où l'électronique prend une place prépondérante dans les systèmes de commande et de contrôle et qui entraîne de plus en plus de problèmes de perturbations au niveau des réseaux électriques. Ces dispositifs sensibles, mais qui dégradent également la qualité de la tension, existent dans toutes les catégories d'utilisateurs tels que le domaine industriel par l'emploi de convertisseurs de l'électronique de puissance, le domaine tertiaire avec le développement de l'informatique et le domaine domestique par l'utilisation en grand nombre des téléviseurs, magnétoscopes, lampes à économie d'énergie, ...

Ainsi, on assiste à une augmentation régulière, de la part des utilisateurs, des taux de déséquilibre des courants et d'harmonique, ainsi qu'à une importante consommation de la puissance réactive. La circulation de ces mêmes courants perturbés va également provoquer des déséquilibres (non symétrie) de tension et des harmoniques, lesquels vont se superposer à la tension nominale du réseau électrique. De plus, des incidents du type coups de foudre, court-circuit ou un brusque démarrage d'une machine tournante à forte puissance peuvent causer une chute soudaine et importante de tension. On nommera ce type d'incident: creux de tension. Ces perturbations ont bien entendu des conséquences néfastes sur les équipements électriques, lesquelles peuvent aller d'un fort échauffement ou d'un arrêt soudain des machines tournantes jusqu'à la destruction totale de ces équipements. Plusieurs solutions de dépollution des réseaux électriques ont été déjà proposées pour améliorer la qualité de la puissance écoulée dans le réseau en d'autres mots améliorer le transit de puissance. Celles qui répondent le mieux aux contraintes industrielles en matière de l'amélioration du transit de puissance et qui feront l'objet de notre étude sont les FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems). Progressivement, et de manière à endiguer l'augmentation des problèmes de transit de puissance sur les réseaux électriques, des normes de qualité d'énergie électrique de plus en plus contraignantes seront imposées aux fournisseurs et aux consommateurs industriels.

La technologie de la compensation par des FACTS s'est avéré une solution fiable et rentable aux problèmes de qualité de l'onde reliés à la puissance réactive et active. Ainsi, de nombreux travaux de recherche publiés dans ce domaine, publiés dans ce domaine ont attirés notre

intérêt afin de connaître comment dans le contexte actuel où le monde cours vers la croissance dans tous les domaines, on peut exploiter un réseau électrique au plus profond de ses limites en exploitant les dispositifs de compensation faits à base d'électronique de puissance.

Dans le cadre de cette problématique, un travail de recherche nous à été soumis dans l'optique de montrer comment à travers des nouveaux dispositifs développés à base des composants d'électronique de puissance on peut arriver à résoudre les différents effets (l'effet de court-circuit, l'effet de déséquilibre de la charge et l'effet de déséquilibre de la source) et augmenter le nombre de ligne électrique sur un réseau afin d'assurer une meilleur continuité de service. Pour y parvenir nous présenterons les FACTS comme étant une solution aux problèmes associés à l'amélioration du transit de puissance à travers l'UPFC une des composante du FACTS. Puis étudierons un réseau à six noeuds sur Power World.

Pour atteindre ces objectifs de recherche, ce mémoire sera organisé en quatre chapitres avec une introduction générale et une conclusion générale présentant des suggestions:

Le premier chapitre fait une approche mathématique sur les éléments d'une ligne de transport haute tension. Dans cette partie seront abordée techniques de calcul de R, L, C, le système « Per Unit » qui est un système de grandeurs réduites permettant à l'ingénieur électricien d'avoir constamment à l'esprit des ordres de grandeurs lors des calculs.

Le deuxième chapitre abordera le problème de l'écoulement de puissance, les méthodes de calcul.

Le troisième chapitre portera sur la présentation des différents dispositifs d'électroniques de puissance à grande vitesse de réponse récemment développés et connus sous l'appellation FACTS pour le contrôle du réseau électrique. Puis une étude de l'UPFC sera effectuée.

Le quatrième chapitre traitera un cas de simulation sur le réseau AES SONEL avec ou sans l'UPFC

Une conclusion générale où nous présenterons les FACTS dans le transit de puissance et en termes de suggestion à ce travail comment il serait important de simuler sur Matlab/Simulink un réseau disposant l'UPFC.

CHAPITRE 1 : APPROCHE MATHEMATIQUES SUR LES ELEMENTS D'UNE LIGNE DE TRANSPORT HAUTE TENSION

Les réseaux électriques sont depuis longtemps l'objet d'études dans le but de maîtriser leur bon usage pour les processus qu'ils alimentent : les principaux aspects abordés sont la conception, l'exploitation et l'évolution. A noter que, dans ce document, le vocable « processus » est utilisé avec son sens général « d'application » pour l'utilisateur d'électricité (tertiaire, infrastructure, industrie, gestionnaire de réseau). L'importance donnée à ces études est cependant croissante dans le contexte mondial récent. L'objectif des calculs est d'analyser et prévoir les réactions du système aux diverses sollicitations ; leur portée touche l'élaboration de l'architecture, les choix des caractéristiques des matériels et les règles d'exploitation.

Le processus global de mise en oeuvre des calculs portant sur ces différents aspects suit une démarche scientifique classique, donc simple sur le principe mais précise et rigoureuse dans son exécution. Dans ce paragraphe seront successivement abordés les étapes de la méthode de calcul des éléments R, L, C d'une ligne haute tension.

Les différentes étapes du calcul des systèmes électriques sont décrites tel qu'il suit :

La finalité du calcul est de prévoir le comportement quantitatif d'un système réel afin de le dimensionner ou de connaître son fonctionnement ou de maîtriser son exploitation.

L'analyse a priori du système par l'expérience et le savoir-faire, permet d'établir une liste qualitative des phénomènes importants pour l'application.

Cette étape consiste à sélectionner, à partir de l'analyse précédente, les phénomènes sur lesquels seront faits les calculs.

Modéliser un réseau électrique, c'est représenter chaque élément et toutes les interconnections entre ces éléments, par les équations traduisant les comportements électrique, magnétique et mécanique ; cette formalisation doit être adaptée aux phénomènes qui sont étudiés.

Simuler un réseau électrique, c'est résoudre simultanément toutes les équations du modèle. La mise en oeuvre de la simulation sur ordinateur se fait par l'exécution d'un programme de calcul. Ainsi dans notre étude nous avons choisit comme outil de simulation le logiciel MATLAB/SIMULINK^TM.

v L'impédance effective longitudinale (composée de la résistance linéique R'=R₁ et de la réactance linéique X' = jùL₁) :

Tous les réseaux électriques peuvent être représentés à l'aide d'une matrice d'impédance `Z' telle que :

Ainsi on peut définir la matrice d'une ligne en la matérialisant sous la forme matricielle ci-dessous.

En considérant la tension induite entre conducteurs définie par l'expression ci-dessous :

Dans l'hypothèse d'un réseau triphasé parfaitement équilibré nous avons trois phases variant sinusoïdalement, d'où la relation matricielle:

« R3' » et « Rn' » sont les résistances linéiques des conducteurs `3' et `n',

Ceci revient donc à étudier séparément chaque phase, chacune ayant une impédance dite

« Effective ». A présent, considérons que la géométrie des trois phases est également symétrique.

L'étude d'un seul circuit donne directement la solution globale du système triphasé par la matrice.

S'il n'y a pas de transposition et que la ligne est courte, nous pouvons suggérer, à titre de simplification, de moyenner les impédances effectives des trois phases comme suit :

De ces transformations, nous obtenons trois relations identiques. Au lieu d'analyser tout le système, nous pouvons n'étudier que le comportement d'une phase.

Le système « Per Unit » est un système de grandeurs réduites qui permet aux spécialistes en électricien d'avoir constamment à l'esprit des ordres de grandeurs relatifs de certains paramètres indépendamment des niveaux de tension et de puissance.

La puissance apparente,

s'exprime en Volts Ampères ; le déphasage entre

est représenté par l'angle `?' dont le cosinus est appelé « facteur de puissance ». La tension (?-N) et le courant sont liés entre eux par la loi d'Ohm :

Nous définissons le système de grandeurs réduites « Per Unit » de la manière suivante :

Dans le système lié aux grandeurs de base (qui sont, de préférence, réelles !), nous avons :

Considérons une impédance de ligne `Z' dans un système triphasé (figure 2.3). En désignant par `V' la tension phase/neutre (comme il est d'usage), nous avons directement (Kirchhoff) :

[V] (1.28)

Généralement, les valeurs d'impédances des générateurs et transformateurs fournies par les constructeurs sont donnée dans un système PER Unit dont les grandeurs de base correspondent aux tensions et puissance nominales (par construction) de l'appareil. Nous pouvons écrire, pour deux systèmes de base différents les expressions :

(1.31)

Le modèle mathématique d'une ligne aérienne ou souterraine peut, pour des longueurs de lignes pas trop élevées (l = 100 km) et à la fréquence du réseau, être représenté sous la forme d'un schéma `ð' (figure 1.4). Ce schéma en `ð' possède une impédance longitudinale comprenant la résistance linéique et la réactance linéique de la ligne et deux admittances transversales d'extrémité reprenant chacune la moitié de la susceptance totale. Ce schéma se met donc sous la forme :

Soit un transformateur monophasé possédant N₁ et N₂ spires respectivement au primaire et au secondaire (n = N₁/ N₂). En transposant la branche magnétisante en tête du circuit, son schéma équivalent peut se représenter comme ci-dessous :

Du point de vue des réseaux d'énergie, la machine synchrone ou `alternateur', est un convertisseur électromécanique qui, à partir de l'énergie mécanique fournie par un moteur, renvoie dans le réseau de l'énergie électrique sous forme triphasée. Les puissances ainsi mises en jeu varient considérablement : depuis quelques MW pour un alternateur d'une petite centrale, jusqu'à 1300MW pour un groupe de production d'une centrale nucléaire. Le schéma équivalent d'une phase de la machine synchrone est :

« XS » est la réactance synchrone. Son ordre de grandeur est de 2 pu dans la base qui correspond aux paramètres nominaux de la machine.

L'équation permettant de modéliser le comportement de la machine synchrone est :

Pour un calcul de répartition de charge (Load Flow), on considère la valeur nominale.

Pour un calcul simplifié de court-circuit, on considère la valeur transitoire ou sub transitoire.

Dans ce premier chapitre, notre intérêt était de résumer un certain nombre de calculs qui nous ont semblé être utiles pour la suite de notre travail de recherche. Pour cela nous avons constaté que pour des modélisations qui seront effectuées dans les chapitres avenir, la matérialisation des équations sous la forme matricielle semble plus malléable et aisé.

Une analyse des écoulements d'énergie et de charges dans un réseau est nécessaire pendant la conception et lors d'ajouts pour déterminer: les tensions des barres, les courants dans les lignes et les câbles, les valeurs des puissances actives et réactives partout dans le système et le facteur de puissance aux différentes charges, l'emplacement de groupes de condensateurs afin d'améliorer le profil de tension ou encore, pour diminuer la facturation. Cette analyse des écoulements d'énergie et de charges aussi importante soit elle car solution d'équilibre énergétique du réseau sera le point de départ pour effectuer une analyse de stabilité. Les équations de l'énergie ponctuelle (la puissance) sont des équations non linéaires en tension et ne sont solutionnables que par itération.

Nous avons une série de charges à alimenter à partir de générateurs. Tous sont dispersés et reliés entre eux par un réseau de liaison maillé. Les capacités de production des différents générateurs étant connues, comment calculer l'état électrique complet du réseau, c'est à dire les courants, tensions et puissances ? Ce problème général est connu sous le nom de calcul de répartition de charges. Ce calcul fait référence à des conditions « normales » de fonctionnement et à un régime établi.

Les générateurs peuvent fournir une puissance active et fournir ou absorber une puissance réactive dans certaines limites. Les groupes importants tentent de maintenir à leurs bornes un niveau de tension donné.

La consommation d'énergie électrique est le fait de tous les secteurs de la vie économique : industries, services, ménages. Elle se présente sous des formes très diverses : moteurs synchrones et asynchrones, appareils de chauffage, ... Au contraire des générateurs, nous ne pouvons individualiser chaque consommation. C'est l'agrégat de consommation en un noeud du réseau qui constitue la `charge' (Load) caractérisant ce noeud. La puissance appelée par la charge varie avec la tension et la fréquence qui règnent au droit de cette charge. Toutefois, une analyse en régime stationnaire suppose la constance de la fréquence [7]. Dans le cadre de cette étude, nous supposerons qu'une charge peut être vue comme consommatrice de puissances active et réactive (P_L, Q_L) constantes. Q_L peut être positive (cas d'une charge inductive) ou négative (cas d'une charge capacitive). Un noeud intermédiaire (poste d'aiguillage) qui n'est pas relié directement à une charge et/ou un générateur sera considéré comme un noeud « charge » dont les valeurs de P et Q sont nulles.

La somme des puissances actives injectées par les générateurs est égale à la somme des puissances actives absorbées par les charges, augmentée des pertes actives du réseau (résistance des lignes, des câbles, etc.). L'ordre de grandeur des pertes est de 5 %. Le bilan de puissance réactive du réseau s'écrit :

ÓQ_G = ÓQ_L + générations ou consommations réactives du réseau (2.2).

Les sommes des puissances réactives injectées ou absorbées par les générateurs est égales à la somme des puissances réactives consommées/produites par les charges augmentées de la somme des consommations/productions réactives du réseau (réactance des lignes, des câbles, transformateurs, banc de condensateurs etc.). L'ordre de grandeur des consommations/productions réactives du réseau est très variable et peut être relativement élevé. Le problème qui survient à ce niveau est qu'il n'est pas possible de prédire les termes qui viennent du réseau de manière directe. En effet, ceux-ci dépendent des niveaux réels de tension et de la répartition du transit de puissance dans les lignes et les transformateurs. Or, c'est précisément ce transit que nous cherchons à déterminer.

Ne connaissant pas les pertes actives en ligne, nous ne pourrons pas imposer P en tous les noeuds (générateurs et charges). Pour résoudre notre problème de « Load Flow », il faut donc un noeud particulier (dont le rôle est assuré en pratique par un groupe important ou un accès à un réseau important) auquel la puissance active ne pourra être imposée, mais résultera de notre calcul. Nous avons vu qu'à chaque noeud d'un réseau il faut imposer deux des quatre valeurs P, Q, V et ä (phase de V). Vu sa nature, ce noeud particulier se verra également imposé comme référence de tension et de phase

(ä pris, assez naturellement, à 0) [8]. Nous introduisons donc, dans le schéma équivalent du système étudié, un générateur particulier, dit « générateur balancier » ou « slack bus ». Celui-ci permettra de faire intervenir dans les calculs les pertes actives du réseau tout en respectant les bilans de puissances décrits au paragraphe précédent. Considérons le problème élémentaire d'un générateur (V_G, P_G) alimentant une charge (P_L, Q_L) à travers une ligne triphasée. Celle-ci sera modélisée par son schéma équivalent en ð. Ce schéma doit répondre à la contrainte (en pu) :

Les expressions des puissances actives et réactives injectées aux noeuds G et L sont données par les formules (3.4). Elles font intervenir les tensions et phases de chaque noeud. La connaissance des tensions et phases en chaque noeud nous permet de déterminer toutes les puissances complexes injectées ainsi que les transits (S et I complexes) entre chaque noeud. Selon les conventions de la figure 3.5 et notant Z_Line=

, nous avons : [6]

En résumé, le problème de la répartition de charge d'un réseau donné est correctement posé si nous considérons, en chaque noeud du réseau, un des types de contraintes ci-dessous :

Noeud où est connecté une charge (avec le cas particulier P et Q = 0), représentent environ 80% des noeuds.

Noeud où est connecté un générateur destiné à soutenir la tension, (environ 20% des noeuds).

Noeud où est connecté un générateur qui joue le rôle de balancier. Il n'y en a qu'un seul.

Pour la résolution d'un problème de répartition de charges, il est plus commode de travailler avec les admittances plutôt qu'avec les impédances. Nous commencerons par un bref rappel des formules relatives à l'application de la méthode dite « de la matrice d'admittance » pour le calcul d'un réseau électrique quelconque. Supposons que les éléments de liaison du réseau soient représentés par leur schéma équivalent en ð. Le circuit ainsi obtenu peut être vu par chacun des noeuds qui correspondent aux jeux de barres du réseau. Vu la facilité avec laquelle les termes de la matrice d'admittance peuvent être calculés, elle constitue le point de départ de la plupart des méthodes de calcul de la répartition des charges. Cette méthode nous amène à la résolution d'équations non linéaires. Supposons que le réseau soit composé d'éléments linéaires. Le circuit obéit alors à la loi :

Où `

' est la tension phase/terre et `

' le courant injecté en un noeud. La matrice `

' est appelée « matrice d'admittance aux noeuds ».

La valeur des composantes de la matrice d'admittance est établie par inspection de la manière suivante :

· L'admittance propre « Y_ii », associée au noeud `i', est égale à la somme des admittances des branches incidentes à ce noeud.

· L'admittance de transfert « Y_ki », associée aux noeuds `k' et `i', est égale à l'admittance de la branche qui joint ces deux noeuds, changée de signe.

et nous pouvons exprimer les composantes réelles et imaginaires de la puissance injectée en chaque noeud de la manière suivante [4]:

A ce stade, il existe plusieurs façons de résoudre le système. En exprimant les équations relatives aux P_i et Q_i connus (P_i pour les noeuds `P_V' des générateur ; P_i et Q_i pour les noeuds `P_Q' des charges et aucune pour le noeud P_V), nous obtenons un système d'équation dont la résolution est généralement plus complexe au fur et à mesure que le nombre de noeuds croît. La résolution manuelle d'un tel problème n'est envisageable que pour un nombre de noeuds très réduit. Les systèmes plus complexes nécessiteront un soutien numérique à la résolution.

Les résolutions, basées sur les méthodes itératives de Gauss-Seidel et Newton-Raphson sont envisageables souvent lorsque l'on ne dispose pas de logiciels. La méthode de Newton-Raphson est basée sur les équations (2.10) tandis que Gauss-Seidel s'appuie sur l'équation (2.11) qui est une variante de (2.8) pour l'itération [6].

Les deux méthodes utilisent des estimations des variables inconnues comme valeurs initiales pour les itérations. Il existe une méthode plus simple pour faire l'estimation du « load flow». Elle peut également servir pour l'estimation des valeurs de départ des méthodes décrites précédemment. C'est la méthode des courants continus. Cette méthode est acceptable pour les réseaux aériens à haute tension car nous négligeons la résistance et la réactance transversale de la ligne devant la réactance longitudinale R >> XL >> XC. Elle consiste à admettre que toutes les tensions sont, en module, égales à 1 pu (les écarts dans un réseau sain sont de l'ordre de quelques %) et que les déphasages aux extrémités des lignes sont faibles (quelques degrés).

A partir de la formule (3.9), la puissance active circulant dans la ligne du noeud m vers le noeud n (en tenant compte des simplifications décrites) peut se réécrire :

(2.12) où X_ik est la réactance de la ligne située entre les noeuds i et k. En écrivant le système associé à l'expression (2.12), nous pouvons dès lors estimer les Pi et äi inconnus.

Il est écrit dans les textes traitant de la direction de l'écoulement de l'énergie que cet écoulement se fait à partir de la barre qui est en avance de phase vers celle qui est en retard. Le problème se présente sous forme générale tel qu'illustré à la figure 3.2 Noter la distinction entre le neutre et le sol.

Figure 2.2 est la représentation d'une des phases avec un neutre de système balancé.

La figure 3.3 illustre les relations de phase pour le cas de transfert d'énergie de la barre #1 à la barre #2 en négligeant Réel (Z) de la ligne de transmission ce qui facilite la compréhension des principes à illustrer. Si l'on remplace |I|sin et |I|cos : [6]

Chaque expression d'un schéma unifilaire utilise une notation à deux indices suivant la règle: pour les variables d'écoulement i.e. les S et les I,

Pour les variables d'états i.e. les V on donne l'état de la barre "premier indice" par rapport au "deuxième indice". Pour les paramètres physiques i.e. les Z, on indique que le raccordement est entre le "premier indice" et le "deuxième indice".

Les relations suivantes sont donc vraies et on pourrait en écrire plusieurs autres similaires mais peut-être non nécessaires [6]. En réalité, S = 0 à chaque barre donne les équations pour déterminer le profil de tension et les autres inconnues si un choix judicieux des données se fait dès le départ.

L'analyse des charges sur un réseau réseau électrique est une étape très importante dans l'étude du transit de puissance et cela permet de mieux maîtrise le niveau de puissance à chaque point du réseau c'est-à-dire à chaque charge. Pour mieux le montrer, nous avons essayés de ressortir les équations mathématiques essentielles et les étapes importantes dans le calcul de l'écoulement de puissance.

CHAPITRE 3 : AMELIORATION DU TRANSIT DE PUISSANCE PAR LES DISPOSITIFS FACTS

Face à ces problèmes de transit de puissance, la compagnie américaine EPRI (Electric Power Research Institue) a lancé, en 1988, un projet d'étude des systèmes FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System) afin de mieux maîtriser le transit de puissance à base d'électronique de puissance plus particulièrement de thyristors et thyristors GTO qui permettent d'améliorer l'exploitation du réseau électrique on les retrouves[12]. Pour cerner notre intérêt au FACTS nous devons présenter les limites du système existant.

La continuité des réseaux de transmission HT (Haute Tension) perd de son efficacité quand les flux de puissance sont limités par les caractéristiques du réseau existant, c'est-à-dire l'augmentation de la capacité de transmission ou de la génération qui :

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 [3]. Les systèmes FACTS peuvent être classés en trois catégories [10] :

Bien qu'il existe de nombreux types de systèmes FACTS. Nous allons faire ici une description sommaire de ces dispositifs et mettre un accent sur l'un des dispositifs FACTS en particulier l'UPFC.

Le compensateur statique est le premier né de la famille des dispositifs FACTS conçus dans le but de pouvoir rediriger des flux de puissance, de réguler la tension, ou d'améliorer la stabilité des systèmes d'énergie électrique. Le compensateur statique de puissance réactive, de même que la compensation série variable, font partie d'une première génération de dispositifs FACTS, recourant à des thyristors « conventionnels » pouvant être commandés à l'allumage mais pas à l'extinction. La seconde génération utilise des thyristors GTO ou IGBT pouvant être commandés à l'allumage et à l'extinction. Placés dans des convertisseurs à sources de tension, ces composants permettent, le cas échéant, un échange de puissance active entre le dispositif FACTS et le réseau. Les FACTS offrent des potentialités intéressantes mais les coûts d'investissement restent encore assez élevés. Ils se justifient dans des applications où la rapidité d'action est primordiale [12].

La puissance active P transité entre deux réseaux de tension V₁ et V₂ présentant un angle de transport ä (déphasage entre V₁ et V₂) et connectés par une liaison d'impédance X est donnée par l'équation suivante :

Cette équation montre qu'il est possible d'augmenter la puissance transitée entre deux réseaux soit en maintenant la tension des systèmes, soit en augmentant l'angle de transport entre les deux systèmes, soit en réduisant artificiellement l'impédance de la liaison. En jouant sur un ou plusieurs de ses paramètres, les FACTS permettent un contrôle précis des transits de puissance réactive, une optimisation des transit de puissance active sur les installations existantes et une amélioration de la stabilité dynamique du réseau. Ils permettent aussi aux consommateurs industriels de réduire les déséquilibres de charges et de contrôler les fluctuations de tensions créées par des variations rapides de la demande de puissance réactive et ainsi d'augmenter les productions, de réduire les coûts et d'allonger la durée de vie des équipements.

La puissance active échangée en triphasé entre les points 1 et 2 aux bornes d'une ligne courte pour laquelle on peut négliger la résistance s'exprime par la relation classique :

Il importe de savoir que le transit de puissance s'effectue du point où la tension est en avance de phase sur le point où la tension est en retard de phase (è1 > è₂ et le transfert s'effectue donc de 1 vers 2). L'expression (3-2) mérite de montrer les paramètres sur lesquels il est possible d'agir pour contrôler le transfert.

· les tensions V₁ et V₂, faible marge en raison de la nécessité de maintenir le plan de tension pour limiter les pertes en lignes

Cette expression montre aussi qu'à tensions et réactance constantes, la limite de puissance active transmissible est atteinte pour un angle de transmission de 90°. Cet angle correspond à la limite de stabilité statique, en exploitation normale l'angle ne dépasse pas 30 à 40°.

Un FACTS agit généralement en fournissant ou en consommant dynamiquement de la puissance réactive sur le réseau. Ceci a pour effet de modifier l' amplitude de la tension à son point de connexion, et par conséquent la puissance active maximale transmissible.

Les FACTS sont utilisés aussi pour le filtrage des courants harmoniques et la stabilisation de la tension. L'ordre de grandeur de la puissance d'un FACTS va de quelques MVA (Méga Volts Ampères) à quelques centaines de MVA. Ils s'appliquent dans deux secteurs principaux:

Pour améliorer le contrôle, augmenter les capacités de transfert de puissance et assister la récupération du réseau consécutive à un défaut dans les systèmes de transmission AC (Alternative Current)

Pour améliorer la qualité de la puissance fournie en un point précis du réseau AC en présence de fluctuations de charge, e.g. compensation du flicker pour les fours à arc. Gamme de puissance inférieure à celle d'un réseau de transmission.

La notion de « congestion » du transport électrique oppose deux critères ambivalents : d'un côté, la limitation des quantités d'énergie transportable, de l'autre, l'ambition de faire transiter davantage de puissance sur un même couloir de passage. Cette dernière s'appuie souvent sur un facteur indissociable de la récente ouverture des marchés : les écarts de coûts de production de part et d'autre d'une interconnexion. En clair, le consommateur

a tout intérêt à se fournir chez le voisin si l'électricité produite y est moins chère ! Encore faut-il que l'infrastructure en place soit à la hauteur de ces échanges transfrontaliers.

Renforcer le système électrique en dopant sa puissance de transfert (notamment par l'ajout de lignes aériennes) a toujours été le premier remède au manque de capacité de transport.

Or cette démarche, toujours réalisable, complique de plus en plus la tâche des transporteurs d'électricité, souvent en butte à la vindicte publique ; l'obtention des permis de construire, droits de passage ou autorisations d'extension des couloirs d'énergie tient désormais du parcours du combattant. Pour différer ou éviter ces investissements, il est possible d'utiliser au mieux l'existant en lui conférant plus de souplesse d'exploitation, de disponibilité et de commande : c'est le rôle des dispositifs FACTS (Flexible AC Transmission Systems), éventuellement secondés par des systèmes évolués de collecte de l'information. Pourtant, même si cette technologie fait l'unanimité, sa mise en oeuvre pose un certain nombre de défis.

Si plusieurs solutions sont envisageables pour supprimer les congestions, selon la nature des contraintes physiques, l'environnement d'exploitation dans lequel elles interviennent est commun à toutes les situations ; les stratégies de commande correspondantes peuvent donc, dans une certaine mesure, être génériques [8].

Le système de conduite d'un réseau électrique passe 99 % du temps à minimiser les pertes et à réguler l'écoulement de puissance au regard des réseaux voisins. Après un incident, il a pour mission de contrôler les limites physiques du réseau, puis, le défaut éliminé, de gérer les phénomènes transitoires (stabilité dès la première oscillation, amortissement des oscillations de puissance, stabilité et rétablissement de la tension, réglage de la fréquence), dans un temps de réaction ad-hoc. Renforcer le système électrique en dopant sa puissance de transfert (notamment par l'ajout de lignes aériennes) a toujours été le premier remède au manque de capacité de transport. Or cette démarche, toujours réalisable, complique de plus en plus la tâche des transporteurs d'électricité, souvent en butte à la vindicte publique. Les 10 à 20 secondes qui suivent ce régime transitoire débouchent sur une période de post-défaut durant laquelle la conduite est confrontée à des phénomènes plus lents : limites thermiques, soutien de la tension (pour éviter un lent écroulement de la tension) et soutien de la fréquence. 20 à 30 minutes plus tard, l'opérateur doit avoir pris toute la mesure de la situation et engagé les actions indispensables pour sécuriser le système et lui permettre d'encaisser des défaillances d'équipements sans sombrer dans la panne généralisée. Les mesures correctives relevant des

FACTS constituent donc une stratégie de commande générale fournissant les moyens d'une exploitation efficace, en amont de la perturbation, tout en préservant la sécurité et la robustesse du système. Ce qui revient à donner à l'exploitant du réseau le plus de temps possible pour réagir à des incidents graves. Les dispositifs FACTS ont deux grandes façons de remplir ces objectifs : la compensation parallèle (shunt) et la compensation série.

Il n'est pas rare que les lignes de transport soient exploitées bien en dessous de leur capacité thermique en raison des contraintes de tension, de stabilité ou d'exploitation du système électrique. Plusieurs technologies peuvent alors améliorer le transit de puissance.

Le transformateur déphaseur est le dispositif le plus utilisé pour repousser les limites thermiques liées aux flux de bouclage ou à la mise en parallèle des lignes. La compensation série est une autre technique couramment employée sur les liaisons longues distances. Mieux, les progrès de l'électronique de puissance ont donné naissance aux dispositifs FACTS qui permettent de mieux maîtriser le transfert d'énergie dans les lignes et matériels électriques, tels que les transformateurs [9]. Les plus simples de ces composants sont le condensateur à thyristors et le compensateur statique d'énergie réactive SVC (Static Var Compensator), qui équipent en grand nombre des points stratégiques du réseau de transport. De même, le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) conjugue compensation de puissance réactive et amortissement des oscillations de puissance. Le fleuron des FACTS est le compensateur statique synchrone STATCOM (STATic COMpensator), qui injecte et absorbe de la puissance réactive sur le réseau, en fonction des fluctuations de tension du système électrique.

Enfin, le nec plus ultra de la technologie est le régulateur universel UPFC (Unified Power Flow Controller), qui peut agir sur la puissance active et la puissance réactive de la ligne indépendamment l'une de l'autre, soutenir rapidement la tension et gérer le flux d'énergie. Toutes variantes confondues, les FACTS sont susceptibles d'augmenter de 20 % à 40 % la capacité de transit des lignes jusqu'ici bridées par des contraintes de tension ou de stabilité, [9].

Les compensateurs statiques d'énergie réactive ou « SVC » (de l'anglais Static Var Compensators), et les compensateurs statiques synchrones « STATCOM » sont connectés en parallèle, en des points sensibles du réseau de transport. Les deux dispositifs, à base d'électronique de puissance, règlent en dynamique la production ou la consommation de puissance réactive. L'échange de réactif avec le réseau permet de contrôler la tension du système. Outre ce soutien dynamique de la tension, à court ou long terme, ces compensateurs parallèles sont capables d'amortir les oscillations de puissance en régime transitoire. Le STATCOM est un convertisseur à source de tension, Son appellation SVC Light vient du faite qu'il utilise des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Très performant, ce dispositif se caractérise par : un soutien robuste de la tension en présence de fortes perturbations ; l'équilibrage des charges asymétriques et fluctuantes ; l'amortissement des oscillations de puissance ; le filtrage actif des harmoniques de courant. Le SVC Light est utilisé pour certaines applications exigeant de hauts niveaux de performance. Il peut s'enrichir d'une fonction de stockage d'énergie à l'aide de batteries en série. Grâce à sa capacité de dosage des puissances active et réactive, STATCOM améliore considérablement l'amortissement des oscillations de puissance, ce qui se traduit par une augmentation des transits d'énergie et une diminution des risques de congestion. En principe, le stockage d'énergie est en mesure de modifier l'instant d'apparition d'un flux de puissance donné sur une connexion en situation de congestion (si la solution est installée sur le côté récepteur du couloir de transfert). L'énergie est stockée en l'absence de congestion et restituée en présence de congestion. Certes, à l'échelle d'un réseau maillé, l'opération demande une énorme capacité mais, au niveau du consommateur particulier, elle peut s'avérer économiquement viable, notamment quand il faut résoudre des problèmes de qualité de la fourniture. Le couplage du STATCOM et du stockage d'énergie trouve aussi son emploi dans la constitution d'une réserve active commandée en fréquence, surtout si cette solution intervient sur le côté récepteur d'une interconnexion fréquemment saturée. Une installation de ce type pourrait en outre réconcilier capacité de transit et demande d'énergie.

Ici la compensation de type shunt réalisent le soutient local de la tension en absorbant ou fournissant de la puissance réactive à l'endroit où ils sont connectés. Ils sont également utilisés pour améliorer la stabilité dynamique du système, en leur ajoutant une boucle de régulation supplémentaire pour l'amortissement des oscillations de puissance basse fréquence.

Vers la fin des années 60 plusieurs équipements utilisant l'électronique de puissance ont fait leurs apparitions. Ces derniers avaient l'avantage d'éliminer les parties mécaniques et d'avoir un temps de réponse très court. Ces équipements étaient constitués essentiellement d'une inductance en série avec un gradateur. Le retard à l'amorçage des thyristors permettait de régler l'énergie réactive absorbée par le dispositif. En effet tous les compensateurs parallèles injectent du courant au réseau via le point de raccordement. Quand une impédance variable est connectée en parallèle sur un réseau, elle consomme (ou injecte) un courant variable. Cette injection de courant modifie les puissances actives et réactive qui transitent dans la ligne [5]. Les compensateurs parallèles les plus utilisés sont :

La parallèle consiste en l'installation de réactances ou bancs de condensateurs connectés entre les phases du réseau et la terre en général par le biais de disjoncteurs. Ces éléments permettent de compenser les réseaux en puissance réactive et de maintenir la tension dans les limites contractuelles.

Une ligne haute tension peut être modélisée par un schéma en ð constitué d'une inductance X_Let d'une réactance R (négligeable) en série et deux capacités parallèles 2X_C également reparties au niveau de la source E_S et de la charge L (Figure 3.1). Lorsque le réseau n'est pas ou peu chargé, la tension en bout de ligne est supérieure à la tension du générateur (effet Ferranti). Cette augmentation de tension est d'autant plus importante que le réseau est exploité à tension élevée et que les lignes sont longues. Pour réduire la tension en bout de ligne, on peu connecter une ou plusieurs réactances en parallèles. Cependant lorsque le réseau est fortement chargé, les réactances parallèles deviennent inutiles. Pour maintenir la tension dans les limites contractuelles, le gestionnaire du réseau doit donc connecter ou déconnecter les réactances selon la charge du réseau. Ces opérations sont généralement assurées par des disjoncteurs. Cependant du fait du nombre limité du nombre limité d'opérations et des délais d'ouverture/fermeture des disjoncteurs, ces réactances et condensateurs parallèles ne doivent pas s'être commutés trop souvent et ne peuvent pas être utilisés pour une compensation dynamique des réseaux. Dans le cas ou le contrôle du réseau nécessite des commutations nombreuses et/ou rapides, on fera appel à des équipements contrôlés par thyristors.

Dans le TCR (ou RCT : Réactances Commandées par Thyristors), la valeur de l'inductance est continuellement changée par l'amorçage des thyristors [6].

Dans le TSC (ou CCT : Condensateurs Commandés par Thyristor), les thyristors fonctionnent en pleine conduction [6].

Ce type de compensateur connecté en parallèle est utilisé pour améliorer la stabilité du réseau pendent la présence des perturbations.

L'association des dispositifs TCR, TSC, bancs de capacités fixes et filtres d'harmoniques constitue le compensateur hybride, plus connu sous le nom de SVC (compensateur statique d'énergie réactive) dont le premier exemple a été installé en 1979 en Afrique du Sud. C'est un équipement à base d'électronique de puissance capable de réagir en quelques cycles aux modifications du réseau. Il permet entre autres la connexion de charges éloignées des centres de production et la diminution des effets des défauts ou des fluctuations de charges. Le SVC est généralement constitué d'un ou de plusieurs bancs de condensateurs fixes ou commutables soit par disjoncteurs soit par thyristors (TSC) et d'une réactance réglable (TCR) (Figure 3.2). Le courant traversant la réactance est contrôlé par des valves à thyristors. Il peut donc varier entre zéro et sa valeur maximale grâce au réglage de l'angle d'amorçage des thyristors. Le système de contrôle qui génère les impulsions de gâchette des thyristors mesure soit la tension au point de connexion soit la puissance réactive dans la charge associée et calcul l'instant auquel il faut amorcer les valves [2].

Si le SVC fonctionne en réglage de tension, le système de contrôle ajuste le courant dans le SVC de façon à ce que courant et la tension suivent la courbe caractéristique représentée Figure 3.3. La courbe caractéristique est une droite donc la pente et la tension de référence peuvent être ajustée par le système de contrôle. Lorsque la tension du réseau diminue, le courant du SVC devient plus capacitif (en avance par rapport à la tension) ce qui tend à réduire la chute de tension.

De même lorsque la tension augmente, le courant du SVC devient plus inductif (en retard par rapport à la tension) ce qui contribue à maintenir la tension.

Il s'agit du STATCOM (STATic COMpensator) qui a connu jusqu'à présent différentes appellations:

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 [14].

Ø bonne réponse à faible tension : le STATCOM est capable de fournir son courant nominal, même lorsque la tension est presque nulle.

Cependant, le STATCOM de base engendre de nombreux harmoniques. Il faut donc utiliser, pour résoudre ce problème, des compensateurs multi niveaux à commande MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) ou encore installer des filtres.

La figure 4.3. Représente le schéma de base d'un STATCOM. Les cellules de commutation sont bidirectionnelles, formées de GTO et de diode en antiparallèle. Le rôle du STATCOM est d'échanger de l'énergie réactive avec le réseau. Pour ce faire, l'onduleur est couplé au réseau par l'intermédiaire d'une inductance, qui est en général l'inductance de fuite du transformateur de couplage [16].

Ils permettent de modifier l'impédance apparente des lignes en insérant des éléments en série avec celles-ci, de modifier de même la puissance transmise ainsi que d'amortir les oscillations de puissance basse fréquence.

Ces compensateurs sont connectés en série avec le réseau et peuvent être utilisés comme une impédance variable (inductive, capacitive) ou une source de tension variable.

L'équation (3.1) montre que la puissance active échangée entre deux systèmes peut être augmentée si l'on réduit l'impédance de la liaison dont le comportement est essentiellement inductif. C'est ce que réalise la compensation la compensation série (Series Capacitor System) par l'adjonction en série avec la ligne d'un banc de condensateurs d'impédance X_C. Artificiellement l'impédance de la ligne est est donc réduite de X_L à (X_L-X_C) et le transit de puissance est augmenté. De plus comme montre le diagramme de Fresnel Figure 3.4, le profil de tension est

amélioré tout au long de la ligne (E_R-E_S plus petit) et l'angle de transport ä est réduit d'où une amélioration de la stabilité dynamique de la liaison.

Il est toujours possible de lever les limitations en transit de puissance d'un réseau en créant de nouvelles lignes et/ou en plaçant des unités de production plus prés des centres de consommation [ 1]. Cependant la création de nouvelles lignes et/ou de générateurs est très coûteuse et demande des délais de réalisation longs. De plus l'obtention de nouveaux droits de passage peut être difficile voire impossible à obtenir et l'aspect environnemental limite toujours plus la construction d'ouvrages nouveaux. Avec des délais de réalisation courts et un investissement limité, la compensation série propose donc une alternative à la construction de nouvelles lignes.

Ce type de compensateur série (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 (Figure 3.6).

TCPAR (déphaseur statique) est un transformateur déphaseur à base de thyristors. Ce dispositif a été créé pour remplacer les déphaseurs à transformateurs à régleur en charge

(LTC ; Load Tap Changer) qui sont commandés mécaniquement. Il est constitué de deux transformateurs, l'un est branché en série avec la ligne et l'autre en parallèle. Ce dernier possède différents rapports de transformation (n1, n2, n3). Ces deux transformateurs sont reliés par l'intermédiaire des thyristors. Son principe de fonctionnement est d'injecter, sur les trois phases de la ligne de transmission, une tension en quadrature avec la tension à déphaser. Ce type de compensateur n'est pas couramment utilisé, mais a l'avantage de ne pas générer d'harmoniques car les thyristors sont commandés en interrupteurs en pleine conduction. Par contre comme le déphasage n'a pas une variation continue, il est nécessaire d'y adjoindre un compensateur shunt, ce qui entraîne des surcoûts d'installation [16]. L'équation (3.1) montre qu'il est possible de réguler le transit de puissance entre deux systèmes en ajustant l'angle de transport entre les réseaux. C'est ce que réalise le transformateur déphaseur (PST : Phase Shifting Transformer). L'une des principales applications du transformateur déphaseur se trouve lorsque deux réseaux sont connectés par des lignes parallèles d'impédances différentes [17].

Ce sont des transformateurs à rapport de transformation complexe dont le réglage est effectué par des thyristors. Ils assurent alors un contrôle de l'angle de transmission sur les lignes où ils sont implantés, et donc un contrôle de la puissance qui transite par ces lignes.

Il englobe les caractéristiques des compensations shunt et série, ainsi que des déphaseurs. Il est donc capable d'agir sur les trois paramètres (tension, impédance, déphasage) qui permettent de contrôler le transit de puissance sur une ligne de transport, [18]. 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 :

L'IPFC a été proposé par Gyugyi, Sen et Schuder en 1998 afin de compenser un certain nombre de lignes de transmission d'une sous-station. Sous sa forme générale, l'IPFC utilise des convertisseurs DC-DC placés en série avec la ligne à compenser. En d'autres termes, l'IPFC comporte un certain nombre de SSSC [10].

3-3 SYSTEMES FLEXIBLES DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE CAS DE L'UPFC

UPFC (Unified power flow controller ) est une combinaison du STATCOM (static synchronous compensator) et du SSSC (static synchronous series compensator).

Les STATCOM absorbent ou fournissent de la puissance réactive au réseau de manière parallèle, indirectement, ils ont une influence sur l'angle interne, donc sur la puissance active.

Les TCSC et autres SSSC introduisent une compensation des réactances de ligne, ils ont une influence directe sur l'angle interne, donc sur la puissance active. Le transformateur déphaseur, s'il règle également les amplitudes, il règle tout à la fois la puissance active et la puissance réactive. La prise en compte de ces trois composants permet d'arriver au concept de l 'UPFC. En absence de stockage d'énergie, STATCOM et SSSC sont limités dans leurs degrés de liberté pour agir sur l'angle interne... Dans la structure UPFC la puissance active a pour origine soit la topologie shunt, soit la topologie série... [13].

En effet, l'UPFC permet à la fois le contrôle de la puissance active et celui de la tension de ligne (Fig.4.9). En principe, l'UPFC est capable d'accomplir les fonctions des autres dispositifs FACTS à savoir le réglage de la tension, la répartition de flux d'énergie, l'amélioration de la stabilité et l'atténuation des oscillations de puissance. Dans la figure 4.9, l'onduleur no.1 est utilisé à travers la liaison continue pour fournir la puissance active nécessaire à l'onduleur no. 2. Il réalise aussi la fonction de compensation d'énergie réactive puisqu'il peut fournir ou absorber de la puissance réactive, indépendamment de la puissance active, au réseau. L'onduleur no.2 injecte la tension Vb

et fournit les puissances active et réactive nécessaires à la compensation série. L'énorme avantage de l'UPFC est bien sûr la flexibilité qu'il offre en permettant le contrôle de la tension, de l'angle de transport et de l'impédance de la ligne en un seul dispositif comprenant seulement deux onduleurs de tension triphasés. De plus, il peut basculer de l'une à l'autre de ces fonctions instantanément, en changeant la commande de ses onduleurs, ce qui permet de pouvoir faire face à des défauts ou à des modifications du réseau en privilégiant temporairement l'une des fonctions. Il pourra alterner différentes fonctions : par exemple, la fonction shunt pourra être utilisée pour soutenir la tension alors que la partie série pourra être utilisée afin d'amortir les oscillations de puissances [14]. La figure 4.8 montre l'influence des différents systèmes FACTS (à base de GTO) sur la courbe de puissance active transitée dans la ligne de transmission. Cette dernière est un facteur important pour l'amélioration de la stabilité transitoire,[ 15].

Le dispositif UPFC est constitué de deux onduleurs triphasés de tension à thyristors GTO, l'un connecté en parallèle au réseau par l'intermédiaire d'un transformateur triphasé et l'autre connecté en série avec le réseau via trois transformateurs monophasés dont les primaires sont reliés, entre eux, en étoile. Les deux onduleurs sont interconnectés par un bus continu et par un condensateur de filtrage comme indiqué sur la figure 4.9 et la figure 4.10.

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 Série.

· 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.

Le but principal de ces trois modes de fonctionnement est le contrôle des puissances actives 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 [12].

La partie shunt peut être utilisée afin de compenser la puissance réactive pour le maintien du plan de la tension au noeud 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 que nous ne ferons pas l'étude ici.

Figure 3.7: Schéma unifilaire de l'UPFC et son diagramme vectoriel des tensions et courants [11]

La topologie (Figure 3.7) permettant l'injection ou la compensation série utilise un schéma appelé régulateur de charge universel, UPFC (Unified Power Flow Controller). Il comprend un système d'injection série, constitué d'un onduleur à pulsation et d'un transformateur. Cette partie de compensation série est alimentée du côté du circuit continu par un autre convertisseur à pulsation, connecté en parallèle du réseau d'alimentation primaire à l'aide d'inductances de couplage. Une des premières applications du régulateur de charge universel est décrite dans la littérature sous le nom de FACTS (Flexible AC Transmission System) et permet, comme son nom l'indique, la gestion flexible des flux de puissance entre deux noeuds distincts d'un réseau d'énergie.

Les différents dispositifs FACTS présentés dans ce chapitre possèdent tous leurs propres caractéristiques tant en régime permanent qu'en régime transitoire. Chaque type de dispositif sera donc utilisé pour répondre à des objectifs bien définis. Des considérations économiques entreront également dans le choix du type d'installation à utiliser. Le tableau (3.1) synthétise les principaux bénéfices techniques des différentes technologies de FACTS. Le nombre "+" est proportionnel à l'efficacité du dispositif. Puis nous avons essayés de recenser les différents dispositifs FACTS installé dans le monde afin de mieux faire connaissance sur leur champ d'action.

	SC	SVC	STATCOM	SCS	TCSC	SSSC	PST	UPFC
*Transit de puissance* *active*	+	+	+	+++	+++	+++	+++	+++
*Contrôle de la puissance réactive*	+++	+++	+++	/	/	/	/	+++
*Contrôle de la tension (permanent)*	+++	+++	+++	+	+	+	/	+++
*Contrôle de l'angle de transport*	/	/	/	+++	+++	+++	+++	+++
*Contrôle dynamique de la tension*	/	++	+++	/	/	/	/	+++
*Stabilité*	/	++	+++	++	++	+++	+	+++
*Oscillations de puissance*	/	++	+++	/	+++	+++	/	+++
*Résonance* *Hyposhynchrone*	/	/	/	/	+++	+++	/	+++
*Déséquilibre de phases*	/	+++	+++	/	/	/	/	+++

TYPE DE FACTS	SVC	TCSC	TSSC	SVG	UPFC
NOMBRE EN APPLICATION	plus de 200 (partout dans le monde)	2 (USA)	1 (USA)	12 (11 Japon, 1 USA)	1 (USA)
FONCTIONS	- Compensation de variation rapide de la charge réactive - Amortissement de résonance subsynchrone - Contrôle de tension - Contrôle des oscillations de puissance	- contrôle transit de puissance - amortissement de résonance subsynchrone - contrôle des oscillations de puissance	-test de technologie	- contrôle de tension - compensation de variation rapide de la charge réactive - contrôle des oscillations de puissance	- utilisation optimale des moyens existants - démonstration de nouvelles technologie
NIVEAU DE PUISSANCE	- 300 à 800 Mvar			- 50 à 50 Mvar	2*160 MVA

Tableau 3.2: inventaire des systèmes en service de l'heure actuel dans les réseaux et leurs fonctions [8]

(+) indique le niveau d'importance et de résolution des problèmes sur les réseaux électriques

3-5/ PRESENTATION ET ANALYSE DE L'UPFC SUR UN RESEAU

Classiquement, la gestion des processus expérimentaux par la méthode des plans d'expériences est effectuée sur des installations réelles pour lesquelles il y a modification effective des conditions expérimentales.

L'avènement de l'ordinateur a favorisé l'usage des simulations numériques; qui sont considérées comme des expériences virtuelles (de calcul) car l'objet étudié n'existe pas, mais son comportement est renseigné informatiquement par des modèles numériques. Le domaine scientifique attaché à l'étude des réseaux électriques a considérablement bénéficié de cette révolution technique, à cause des contraintes pratiques et de coût qui rendent une expérimentation réelle impossible. On a ainsi cherché à reproduire numériquement le comportement de l'écoulement de puissance d'un réseau haute tension. Grâce à la méthode de NEWTON RAPHSON pour le calcul des tensions nodales, on a pu établir les relations existantes entre quelques grandeurs existantes dans le réseau. Notre illustration est consacrée principalement à l'étude des problèmes de réglage, de commande de la puissance réactive et de la tension dans le but de réduire les pertes de puissance et par conséquent améliorer le niveau de tension et la capacité de transport des lignes du réseau (amélioration des indices technico-économiques).

Le modèle mathématique de l'UPFC est établi dans le but d'étudier les relations entre le réseau électrique et l'UPFC en régime stationnaire. Le schéma de base est donné sur la

(Figure. 3.3). Cette figure représente un schéma unifilaire d'un réseau électrique et d'un UPFC installé dans une ligne de transport.

Figure. 3.3 : Modèle mathématique de l'UPFC et le système de transmission

Dans ce chapitre, nous avons essayés de montrer les opportunités d'améliorations du transit de puissance qu'offre les FACTS à travers l'UPFC malgré le coût d'investissement exorbitant et l'impact sur l'environnement qui est faible, puis les délais d'installation courts, le disposer sur un réseau électrique vaut la peine pour le bien de l'amélioration du transit de puissance.

CHAPITRE 4: CAS DE SIMULATION SUR MATLAB/SIMULINK D'UNE LIGNE AVEC UPFC.

4.1 INTRODUCTION

Le but de cette partie réservée à la simulation est de valider de manière générale la présentation théorique des FACTS décrite précédemment.

Chacun des dispositifs FACTS, cité dans le précédent chapitre, réalise une fonction particulière.

- les compensateurs parallèles : utilisés pour la compensation de la puissance réactive et éventuellement la compensation des harmoniques de courant ;

- les compensateurs séries : utilisés pour le contrôle de la puissance active et éventuellement la compensation des harmoniques de tension ;

- les compensateurs déphaseurs : utilisés en général, pour le contrôle de la puissance réactive et en particulier, pour le contrôle, à la fois de la puissance active et réactive.

A l'aide du logiciel MATLAB/SIMULINK/SIMPOWER SYSTEM, nous avons dans un premier temps, pour un réseau type donné, observé les performances d'un SVC et d'un STATCOM, tous deux assurant la compensation shunt, et ensuite avons fait une comparaison.

Dans un second temps, nous avons observé le comportement du même réseau, lorsqu'on y insère un UPFC. Les modèles de ces dispositifs sont développés dans SIMPOWER SYSTEM.

De manière générale, pour chaque dispositif, nous avons observé le transit de puissance et la tenue en tension dans le réseau.

C'est le corridor ouest du réseau sud d'AES-SONEL. Il est connu pour sa mauvaise tenue en tension. Ce réseau nous sert seulement de base d'étude. Nous y avons apporté quelques modifications au niveau des différentes charges.

C'est un réseau radial, structuré en différents tronçons de longueurs différentes avec des foyers de charges différentes. (annexe2)

Nous allons considérer ces charges résistives. Le tableau ci-après nous présente :

Cette simulation à pour but de montrer comment l'UPFC peut augmenter le transit de puissance dans un réseau.

Nous considérons toujours le même réseau avec une chute de tension considérable. Le modèle du UPFC utilisé est de type phaseur. Il est constitué de deux convertisseurs de 30MVA. Le convertisseur série injecte 10% de la tension nominale dans la ligne. (Réseau de simulation, voir annexe5).

Les courbes qui suivent présentent l'évolution des tensions et des puissances sur chaque noeud de mesure.

Variables Nkong : Violet ; Variables Bekoko : Jaune ; Variables Bafoussam : Bleu ; Variables Bamenda : Rouge

Ces courbes démontrent tout simplement que les valeurs ``mesurées'' au niveau de l'UPFC suivent exactement les grandeurs de références.

Les dispositifs FACTS permettent de résoudre des problèmes techniques dans des réseaux électriques de transport d'énergie :

- Surcharge de certaines lignes dans les réseaux maillés, surtout interconnectés,

Les simulations faites dans ce chapitre nous ont permis, en termes de tenue de tension et d'augmentation de puissance transmissible, de montrer l'apport du dispositif utilisé (UPFC) dans un réseau.

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES D'AVENIR

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution au problème de contrôle des puissances réactives et des tensions dans un réseau de transport d'énergie électrique.

L'approche proposée s'est concentrée en particulier sur la présentation des appareils exploités sur les réseaux afin d'éliminer du mieux que possible les facteurs responsables des perturbations et ne favorisant pas un bon contrôle des puissances réactives transmises sur le réseau à base des dispositifs d'électronique de puissance.

Dans ce contexte, plusieurs types de dispositifs FACTS ont été présentés tel que le compensateur statique de puissance réactive, le compensateur statique synchrone, le compensateur série à thyristors, les régulateurs de tension, les dispositifs déphaseurs et le contrôleur de transit de puissance unifié, ainsi d'autre dispositifs FACTS. Parmi ces outils de contrôle, on a choisi deux compensateurs statiques de puissance réactive (SVC) donc premier est relié à un transformateur en parallèle avec le réseau et l'autre connecté à un transformateur branché en série avec le réseau. Ce choix est du à sa simplicité de contrôle et ces composants regroupés dans un seul équipement appelé UPFC.

Puis nous avons analysé sur MATLAB/SIMULINK un cas de réseau où nous avons recensé ses problèmes.

Afin de compléter les travaux effectués dans ce mémoire, on peut envisager quelques sujets de recherche suivants:

Ø Le premier sujet consisterait en une intégration d'une stratégie de contrôle coordonnée des dispositifs FACTS dans le réseau électrique.

Ø Le deuxième sujet consisterait à la conception d'un système expert, basé sur les méthodes de l'intelligence artificielle pour l'optimisation des tensions et des puissances réactive dans un réseau d'énergie électrique, qui remplace les méthodes conventionnelles basées sur un modèle complet du réseau pour effectuer une optimisation globale. Cependant, la modélisation demandes des données complètes du réseau qui en réalité sont très difficiles à collecter. Donc il faut développer une technique basé sur l'optimisation locale. D'où le choix de l'approche système expert basé sur les algorithmes heuristiques composés d'une série de règles et qui prennent en considération les connaissances des opérateurs.

[1] Emmanuel CATZ, "Evolution technique du système de transport et distribution d'électricité"

[2] S. Tara Kalyani, G. Tulasiram Das (Associate professor, Department of Electrical Engineering), Jawaharlal Nehru Technological University, Hyderabad, India -500085, "simulation of real and reactive power flow control with UPFC c onnected to a transmission line "

[3] Eskandar GHOLIPOUR SHAHRAKI, "Thèse : Apport de l'UPFC à l'amélioration de la stabilité transitoire des réseaux électriques. Soutenue le 13 Octobre 2003"

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[7] Ph. Delarue, Ecole d'été Lille 2005 "Modélisation et commande des systèmes flexibles de transmission d'énergie en courant alternatif (FACTS) "

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[13] Sylvain Leirens " Thèse : Approche hybride pour la commande prédictive en tension d'un réseau d'énergie électrique"

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Amélioration du transit de puissance par les facts et simulation sur Matlab/Simulink d'un réseau électrique.