WOW !! MUCH LOVE ! SO WORLD PEACE !
Fond bitcoin pour l'amélioration du site: 1memzGeKS7CB3ECNkzSn2qHwxU6NZoJ8o
  Dogecoin (tips/pourboires): DCLoo9Dd4qECqpMLurdgGnaoqbftj16Nvp


Home | Publier un mémoire | Une page au hasard

 > 

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

( Télécharger le fichier original )
par Alain Innocent LEKA
ENSET de Douala - DIPET 2: Diplôme de Professeur d'Enseignement Technique Deuxiéme Grade 2008
  

précédent sommaire suivant

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

3-1 INTRODUCTION

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 exigeant quant à la qualité de l'énergie et à la continuité de service. L'amélioration de la qualité de l'énergie, l'augmentation de la capacité transitée et le contrôle des réseaux existants peuvent être obtenus grâce à la mise en place de nouvelles technologies : les FACTS système de transmission flexible en courant alternatif, c'est un équipement d' électronique de puissance utilisé pour améliorer la contrôlabilité et les capacités de transfert des réseaux de transmission d' électricité à base d'électronique de puissance qui apportent des solutions dynamiques, efficaces et éprouvées à la gestion des réseaux.

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 :

· lève les limitations sur les capacités du système de transport

· coût élevé et temps de réalisation important

· difficultés ou impossibilité de construire de nouvelles lignes

· importance du respect de l'environnement.

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] :

1. les compensateurs parallèles

2. les compensateurs séries

3. les compensateurs hybrides (série - parallèle)

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.

3-2 GENERALITE SUR LES DISPOSITIFS FACTS

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 :

(3-1)

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 :

(3-2)

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

· l'angle de transmission, (è1 - è2), par un système décaleur de phase

· la réactance de la ligne par compensation.

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°.

3-2-1 FONCTIONNEMENT DES FACTS

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:

· Grand réseaux de transmission

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)

· Réseaux Industriels

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.

3-2-2 PROBLEMES DE CONGESTION ET DE DECONGESTION

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].

3-2-3 MODE D'EMPLOI POUR LE TRAITEMENT DES DEFAUTS

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.

3-2-4 COMMENT OPTIMISER L'EXISTANT

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].

3-2-5 LES COMPENSATEURS STATIQUES D'ENERGIE REACTIVE

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.

3-2-5-1/ COMPENSATEURS PARALLELES

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 :

3-2-5-1-1 Compensateurs parallèle traditionnelle

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.

I

E R

ES

R

XL

2XC

2XC

QC/2

QC/2

Ligne de transmission

L

QL

PJ

P

Figure 3.1 : Représentation du système [1]

Une ligne haute tension peut être modélisée par un schéma en ð constitué d'une inductance XL et d'une réactance R (négligeable) en série et deux capacités parallèles 2XC également reparties au niveau de la source ES 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.

3-2-5-1-2 Compensateurs parallèles à base de thyristors

Il s'agit de :

v TCR (Thyristor Controlled Reactor )

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

v TSC (Thyristor Switched Capacitor)

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

v TCBR (Thyristor Control Breaking Resistor)

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

v SVC (Static Var Compensator)

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].

Figure 3.2 : Schéma du SVC [3]

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.

400kV

150Mvar 85 20 0 75Mvar

TCR+Filtre

+2TSC

TCR+Filtre

+1TSC

TCR+Filtre

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.

Figure 3.3 : La caractéristique statique tension-courant du SVC [1]

3-2-5-1-3/ Compensateurs parallèles à base de GTO thyristors

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

§ ?ASVC (Advanced Static Var Compensator)

§ ?STATCON (STATic CONdenser)

§ ?SVG (Static Var Generator)

§ ?SVClight

§ ?SVCplus

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].

Le STATCOM présente plusieurs avantages :

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

Ø 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 (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].

Figure 3.4 : Montage d'une cellule STATCOM [19]

3-2-6 LES COMPENSATEURS SERIE REGLABLES

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.

3-2-6-1 COMPENSATEURS SERIES

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.

3-2-6-1-1 Compensateurs séries à base de thyristor

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 XC. Artificiellement l'impédance de la ligne est est donc réduite de XL à (XL-XC) 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 (ER-ES plus petit) et l'angle de transport ä est réduit d'où une amélioration de la stabilité dynamique de la liaison.

XC

ER

ER

R

XL

I

Ligne de transmission

ä

I

ES

XLI

XCI

RI

ER

Figure 3.5 : Compensation série : diagramme de Fresnel

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.

3-2-6-1-2 Compensateurs séries à base de GTO thyristors

· SSSC (Static Synchronous Series Compensator)

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).

Figure 3.6 : Montage d'une cellule SSSC [19]

3-2-7 LES COMPENSATEURS MODERNES

3-2-7-1 COMPENSATEURS HYBRIDES SERIE/PARALLELE

3-2-7-1-1 Compensateurs hybrides à base de thyristors

· TCPAR (Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)

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].

3-2-7-2 LES DEPHASEURS STATIQUES

SPS (Static Phase Shifters)

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.

3-2-7-3 LE DEPHASEUR-REGULATEUR UNIVERSEL

UPFC (Unified Power Flow Controler)

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 :

1. la tension,

2. l'impédance de la ligne,

3. le déphasage des tensions aux extrémités de la ligne.

Figure 3.7 : Montage d'une cellule l'UPFC [19]

IPFC (Interline Power Flow Controller)

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].

3 -3- 1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE l'UPFC

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.

3- 3-2 / PRESENTATION DE LA STRUCTURE D'UN UPFC SUR UN RESEAU

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.

3-4/ SYNTHESE DANS LE CHOIX DES FACTS

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

/

+++

+++

/

/

/

/

+++

Tableau 3.1: Bénéfices techniques des dispositifs FACTS [1]

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]

Légende :

SVC : Static Var Compensator

TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor

TSSC : Thyristor Switched Series Capacitor

SVG : Static Var Generator

UPFC : Unified Power Flow Controller

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

précédent sommaire suivant