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Analyse du comportement dynamique du FACTS STACOM face à  la variation de la tension et de la puissance réactive, application au poste ht 220 kv du poste Bandundu ville en RDCongo


par Samuel Garcia Tuka Biaba
ISTA/KINSHASA  - Génie Électrique option Électrotechnique  2016
  

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REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE

INSTITUT SUPERIEUR DE TECHNIQUES APPLIQUEES
« ISTA- KINSHASA »

 
 

B.P 6593 KIN 31

DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE
DEUXIEME CYCLE

ANALYSE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DU DISPOSITIF FACTS DU TYPE

« STATCOM FACE AUX VARIATIONS DE LA TENSION ET DE LA PUISSANCE REACTIVE » APPLIQUE AU POSTE HT 220 kV DE BANDUNDU VILLE

DANS LA PROVINCE DE KWILU EN RD-Congo

Mémoire de fin d'études pour l'obtention du diplôme d'Ingénieur en Génie électrique

« Option: Electrotechnique »

« Présenté et défendu publiquement le 12/03/2018 par »
TUKA SAMUEL Garcia

« Ingénieur Technicien en Electricité Industrielle »

Jury d'évaluation composé de:

y' BASSESUKA SANDOKA NZAO Antoine Professeur, promoteur

y' MATHANGILA KIMEYA Julien CT, Copromoteur

y' NDAYE NKANKA Bernard Professeur, membre

y' KABASELE MUKENGE Gustave CT, Secrétaire

y' MWANAMPUTU MBWANZO clément CT, Président

y' MOKE MPORAM Rémy CT, membre

y' BABINGI Gaston CT, membre

Année Académique 2016-2017

I

EPIGRAPHE

« Le plus fort n'est jamais assez fort pour être toujours le maître, s'il ne transforme sa force en droit et l'obéissance en devoir »

Jean-Jacques ROUSSEAU

II

Dédicace

A ma famille, ami(e)s et connaissances

TUKA SAMUEL Garcia

iii

Remerciements

Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Département d'Electricité Second Cycle option : Electrotechnique de l'Institut Supérieur de Techniques Appliquées en sigle ISTA/Kinshasa.

Nos remerciements vont tout premièrement à Dieu Tout Puissant pour la volonté, la santé et la patience, qu'il nous a donnée durant toutes ces longues années.

Ainsi, nous tenons également à exprimer nos vifs remerciements aux Directeur et codirecteur de ce mémoire respectivement le Professeur Docteur Ingénieur Antoine BASSESUKA et le Chef de Travaux Julien MATHANGILA KIMEYA pour avoir d'abord proposé ce thème, poursuivi continuel tout le long de la réalisation de ce travail de mémoire et qui n'ont pas cessé de nous donner ses conseils et remarques.

Sans oublié le Chef de travaux Jean-Pierre TSASA MBENZA ancêtre pour ses soutiens tant moral- que matériel.

Nos sincères remerciements aux membres du jury pour l'honneur qu'ils nous font en participants au jugement de ce travail.

Nous tenons à remercier vivement toutes personnes qui nous ont aidés à élaborer et réaliser ce mémoire, ainsi à tous ceux qui nous ont aidés de près ou de loin à accomplir ce travail.

Nos remerciements vont aussi à tous les enseignants de la section Electricité en général et ceux de l'Electrotechnique en particulier qui ont contribué à notre formation.

Enfin nous tenons à exprimer notre reconnaissance à tous nos amis et collègues pour le soutient tant moral et matériel.

TUKA SAMUEL G arcia

Liste des Symboles et Abréviations

FACTS : Flexible Alternatif Curant Transmission Systems

IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors

SPS : S t a t i c P h a s e Shifter

IGCT : Insulated Gate Commutated Thyristors

STATCOM : Static Synchronous Compensator

SSSC : Static Synchronous Series Compensator

TCSR : Thyristor Switched Serie Reactor

TCSC : Thyristor-Controlled Series Capacitor.

DVR : Dynamic Voltage Restorer

UPFC : Unified Power Flow Controller

VSC : Voltage Source Converter

PI : Proportionnel Intégral (régulateur)

Vs : Tension du jeu de barre de génération (sending voltage).

Vr : Tension du jeu de barre de charge (receiving voltage).

Ps : Puissance active fournie par la source

Qs : Puissance réactive fournie par la source

Pr : Puissance active demandée par la charge

Q : Puissance réactive demandée par la charge

Pl : Puissance active transportée par la ligne

Ql : Puissance réactive transportée par la ligne

ä : Angle de charge entre Vs et Vr

R : Résistance de la ligne de transport

X : Réactance de la ligne de transport

è : Déphasage du courant de la ligne

Vsh : Tension (shunt) injectée par le STATCOM

Ish : Courant (shunt) injecté par le STATCOM

Rsh : Résistance du transformateur de couplage shunt du STATCOM

Xsh : Réactance du transformateur de couplage shunt du STATCOM

Psh : Puissance active délivrée par le STATCOM

Qsh : Puissance réactive délivrée par le STATCOM

Vse : Tension (série) injecté par le SSSC

Ise : Courant (série) injecté par le STATCOM

Udc : Tension continu aux bornes du condensateur

Idc : Courant dans le circuit continu

d : (indice) la composante sur l'axe d du repère d-q

q : (indice) la composante sur l'axe q du repère d-q

pu : (indice) la grandeur en unité relative (grandeur réduite)

1

Introduction générale

1. Motivation

C'est après l'assistance à plusieurs conférences organisées sur le thème « gestion et conduite des réseaux électriques », aussi à la lecture de plusieurs articles scientifiques sur la commande et le contrôle des réseaux électriques par l'introduction de dispositifs de contrôle à base des composants d'électronique de puissance très avancés (GTO, IGBT) connus sous l'acronyme FACTS: Flexible Alternatif Currant Transmission System, associés au problème de la surtension qui déséquilibre le fonctionnement de la ligne HT KINSHASA-BANDUNDU que ce questionnement a émergé et continue à se construire à travers cette application.

Par ailleurs, le développement rapide de l'électronique de puissance a eu un effet considérable dans l'amélioration des conditions de fonctionnement des réseaux électriques en performant le contrôle de leurs paramètres par l'introduction de dispositifs de contrôle à base des composants d'électronique de puissance très avancés (GTO, IGBT) connus sous l'acronyme FACTS.

La nouvelle génération des systèmes FACTS est constituée principalement par des convertisseurs de tension (ou courant), à base des interrupteurs statiques modernes (GTO ou IGBT) commandés en ouverture et en fermeture, liés à des condensateurs comme source de tension continue. Ces systèmes selon leur connexion au réseau sont distingués en compensateurs shunt, série et hybride tels que: STATCOM, SSSC, UPFC.

2. Problématique

Plus le réseau est grand, plus il devient complexe et difficile à contrôler. Ce système qui doit conduire de grandes quantités d'énergie électrique en l'absence de dispositifs de contrôle sophistiqués et adéquats, subit plusieurs problèmes tels que: le transit de puissance réactive excessif dans les lignes, les creux de tension entre différentes parties du réseau,

2

surtensions ...etc. L'exemple le plus frappant est celui de la ligne HT KINSHASA -BANDUNDU au bout de laquelle règne une surtension de l'ordre de 250 à 265 kV et qui par ailleurs entraine de pertes des équipements électromécaniques (TI, TP, disjoncteurs, isolateurs, etc...).

Pour contourner cette difficulté, la SNEL a fait recours aux inductances shunts de 18 MVAr placées au poste de BANDUNDU et qui ne réalisent qu'un apport de 7,5 kV de chute de tension et ces inductances sont jusqu'à ce jours contrôlées mécaniquement , malgré l'utilisation de la microélectronique, des ordinateurs et des moyens rapides de télécommunication, la dernière action dans ces systèmes de commande est prise avec des dispositifs mécaniques ayant un temps de réponse plus au moins long et avec lesquels l'action d'amorçage et de réamorçage ne peut être répétitivement exécutée à une fréquence faible par rapport aux dispositifs à base d'interrupteurs statiques (semiconducteurs).

De ce qui précède, nous nous posons une question de savoir :

- quel est le mécanisme à mettre en place pour pouvoir résoudre le problème de surtension au bout de la ligne HT KINSHASA-BANDUNDU ?

- comment se comportent les équipements électromécaniques du poste Bandundu face à la surtension ?

Ce sont les éléments de réponse à ces préoccupations qui constitueront les lignes suivantes.

3. Hypothèses de travail

Pour répondre à la préoccupation posée ci-haut, les hypothèses sur les motivations pour s'investir dans de telles études sont :

? Se conformer à la matière (comment élaborer une telle étude ?, quelles sont les données nécessaires à la réalisation de l'étude ?, quels sont les calculs à faire ?) ;

? Echanger de nouveaux savoirs et grandir scientifiquement ;

? Concevoir autrement en respectant les règles de l'art ;

3

? Renforcer le learning by doing qui est plus efficace que des théories sans fin ;

? Temps de réflexion et de construction de notre pensée sur le futur rôle qui nous attend dans la société congolaise.

4. Positionnement personnel

C'est à partir du constat de la deuxième partie de la problématique que nous avons formulées les questions pour pouvoir cadrer notre positionnement d'Ingénieur électrotechnicien : quel est le rôle d'un Electrotechnicien dans la gestion et conduite de réseaux électriques ? Quelles sont les étapes qui constituent sa principale zone d'intervention ?

5. Objectif poursuivi

L'objectif de ce modeste travail est d'étudier les fonctions de contrôle offertes par le STATCOM dans la compensation de la puissance réactive et du maintien de la tension des lignes de transports électriques, qui seront appliquées sur la ligne HT KINSHASA-BANDUNDU afin d'éradiquer au problème de surtension qui entraine des pertes énormes des équipements électromécaniques dans le poste HT/MT BANDUNDU.

6. Méthodologie proposée

La base de la démarche est l'analyse systémique assise sur les écrits existants sur ce thème (Livres, cours, articles conférence documentaires films). L'interview sera aussi suffisamment exploitée pour recueillir les expériences des autres.

7. Subdivision du travail

Hormis l'introduction générale et la conclusion générale, cette étude est organisée en cinq chapitres :

Chapitre I : Notions sommaires sur la qualité d'énergie électrique

Chapitre II : Concept de base des systèmes FACTS Chapitre III : Étude et Modélisation d'un STATCOM

4

Chapitre IV : Etat actuel du réseau de transport HT 220kV MALUKU-BANDUNDU

Chapitre V : Dimensionnement et Simulation du dispositif
FACTS/STATCOM sur le réseau étudié

5

CHAPITRE I : QUALITE D'ENERGIE ÉLECTRIQUE

I.1 Introduction

La problématique de la qualité de l'électricité concerne tous les acteurs en présence, qu'ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs de ces réseaux (producteurs ou consommateurs d'électricité), ou intervenants divers (fournisseurs d'électricité ou de services, organismes de régulation...).

Depuis toujours, le fonctionnement de certains équipements électriques et électroniques est affecté par des «perturbations»

I.2 Types de perturbations qui peuvent dégrader la qualité de la tension:

· Les creux de tension:

Les creux de tension sont produits par des courts- circuits survenant dans le réseau

Général ou dans les installations de la clientèle.

· Interruption courte:

L'interruption courte est la perte complète ou la disparition de la tension d'alimentation pendant une période de temps de 1/2 cycle jusqu'à 3s. Elle se produit quand la tension d'alimentation ou le courant de charge diminue à moins de 0.1 pu.

· Chutes de tension:

Lorsque le transit dans une ligne électrique est assez important, la circulation du courant dans la ligne provoque une chute de la tension.

· Tension:

Les surtensions transitoires sont des phénomènes brefs, dans leur durée et aléatoires dans leur apparition. Elles sont considérées comme étant des dépassements d'amplitude du niveau normal de la tension fondamentale à la fréquence 50Hz ou 60Hz pendant une durée inférieure à une seconde.

6

· Déséquilibre de tension:

Un récepteur électrique triphasé, qui n'est pas équilibré et que l'on alimente par un réseau triphasé équilibré conduit à des déséquilibres de tension dus à la circulation des courants non équilibrés dans les impédances du réseau.

· Perturbations harmoniques:

Les harmoniques sont des composantes dont la fréquence est un multiple de la fréquence fondamentale, qui provoquent une distorsion de l'onde sinusoïdale. Ils sont principalement dus à des installations non linéaires telles que les convertisseurs d'électroniques, les fours à arc, etc. [02]

I.3 Puissance transmise par une ligne électrique

L'énergie électrique est transportée par des lignes électriques de capacités limitées à cause des limites thermiques des câbles, des tensions appliquées aux bornes et de l'angle de charge (P+JQ) :

Figure I.1 Réseau électrique alimentant une charge, (a) schéma unifilaire, (b) diagramme

des tensions

En prenant la tension aux bornes de la charge comme référence des phases (figureI.1.b) et en négligeant la résistance Rs, La puissance apparente demandée par la charge sera donnée par l'équation (I.1):

Sr = P + jQ = Vr.j* (I.1)

V5-Vr

j = (I.2)

z5

Dans ce cas, on ne peut transporter qu'une puissance maximale pour un angle

7

????????.????????

????

=

????????????????

???? =

???????????????? -

???????? -

(????????2

????????

(I.3)

(I.4)

????????

Avec

????????.????????

???? =

????????

???????? )

La relation entre la tension au jeu de barres de charge et le courant de charge I est décrite par la droite de la figure (I.1) appelée ligne de charge du système qui est définie par l'équation d'une droite qui passe par Vs et de pente (-????????) :

????????-???????? =-????????????????????????? =-????????????????+???????? (I.5)

Figure (I.2) Perturbation d'énergie électrique transportée

On peut démontrer facilement le besoin du maintien de la tension aux bornes de la charge pour permettre un maximum de puissance à transmettre. Si la charge varie et aucune précaution n'est prise pour maintenir la tension???????? égale à Vs alors depuis le diagramme de phase de la figure (I.1 b) :

???????? = ????????.???????????????? (I.6)

En remplaçant (I.6) dans (I.3) en aura :

????????2.

???? = ????????

????????2.

????????????????. ???????????????? = 2????????

????????????2???? (I.7)

8

ä=45° égale à :

????????2.

???? ???????????? = 2????????

(I.8)

 

Dans le cas où on maintient la tension ???????? égale à Vs on peut avoir, depuis l'équation (1.2), unepuissance maximale : [01]

????????2.

???????????????? = ????????

I.4 Compensation d'énergie réactive

(I.9)

Les réseaux électriques ont pour but de véhiculer de la puissance depuis la source jusqu'aux centres de consommation dans un réseau à courant alternatif. La puissance apparente S a deux composantes la puissance active P et la puissance réactive Q :

???? = ???? + ???????? == U. I(Cosö + JSinö) (I.10)

En général, l'écart de tension entre deux extrémités d'une ligne est lié au transit de la puissance réactive consommée par la charge. Pour obtenir une tension identique (ou proche) aux deux bouts de la ligne, il faut donc pouvoir produire localement de la puissance réactive.

?????

????

????.????+????.????

= (I.11)

????2

La présence des moyens de production d'énergie réactive (alternateurs, bancs de

Condensateurs ou compensateurs statiques) à proximité des zones de consommation contribue donc à maintenir la tension constante sur le réseau (figure I.3). Il est à noter que les solutions peuvent reposer sur des moyens de compensation de puissance réactive statiques (bancs de condensateurs, bancs de bobines) ou dynamiques (alternateurs, FACTS) figure(I.3). [03]

D'après la figure (I.3), on voit que ces équipements permettent aussi d'augmenter la puissance active transitée. La puissance transitée peut

9

Figure I.3 : Intérêt de la compensation dans l'échange d'énergie électrique.

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La Quadrature du Net