Les dispositifs HVDC pour l¶interconnexion des réseaux électriquesL.Ghomri* *Laboratoire « signaux et systèmes » Université de Mostaganem
[email protected] Résumé : Avec l¶évolution rapide du monde moderne, la demande en énergie électrique ne cesse de croître, et les installations existantes sont continuellement renforcées afin de faire face à ces exigences. La construction de nouvelles centrales et de nouvelles lignes est nécessaire à long terme. La consommation globale de l¶électricité étant en continuelle augmentation, la majorité des réseaux électriques de part le monde sont largement interconnectés impliquant des connections internes, régionales, et internationales, voire intercontinentales. Deux approches parallèles concurrentes et parfois complémentaires gèrent actuellement les interconnexions des réseaux électriques de part le monde : La transmission en courant alternatif : ce type de transmission a pris son essors grâce aux dispositifs FACTS qui, par leur efficacité prouvée pour résoudre les problèmes liés à la qualité de tension, l¶amortissement des oscillations, le contrôle des transit de puissance, ont un rôle primordial dans l¶interconnexion des réseaux électriques. La transmission en courant continu : La technologie HVDC est reconnue pour ses nombreux avantages lors des interconnexions asynchrones, et les interconnexions par câbles sous-marins. L¶avènement des convertisseurs modernes à base des éléments de l¶électronique de puissance a permis le développement de la transmission par HVDC ces dernières années. Une transmission HVDC (High Voltage Direct Curent) permet de relier deux réseaux voisins, qui possèdent des paramètres électriques incompatibles (fréquence, tension«). On se propose dans cet article de présenter les deux approches avec leurs différents avantages et inconvénients. Mots-clefs : interconnexionsréseaux électriques-dispositifs FACTS- HVDC I- INTRODUCTION L¶interconnexion des réseaux électriques a pour but des raisons économiques : réduction du prix de revient de l¶électricité car elle permet d¶éviter la construction de nouvelles installations électriques et de minimiser la production totale de l¶énergie et le prix du carburant, et des raisons techniques : à savoir, une meilleur qualité de la tension, une amélioration du transit des puissances, et une bonne stabilité des réseaux. Les contrôleurs FACTS sont des contrôleurs basés sur l¶électronique de puissance et peuvent influer sur les courants, tensions, impédances et la fréquence de transmission. En outre, les contrôleurs FACTS peuvent assurer la sécurité et la flexibilité d¶un système de puissance. La sécurité d¶un réseau peut être assurée par l¶augmentation de la stabilité dynamique et transitoire ou par l¶amortissement des oscillations de résonance synchrone. La flexibilité, elle, peut être assurée par le contrôle de l¶écoulement la puissance active et réactive, de la tension et du niveau du court circuit. L¶étude des applications des FACTS nécessite une compréhension des contrôleurs FACTS, et aussi l¶étude des outils incluant les différents modèles avec également une parfaite connaissance des systèmes de transmission. En outre, l¶analyse des FACTS implique l¶ouverture à l¶application d¶approches nouvelles. D¶autres parts, ces dernières décennies, la transmission en courant continu connu un nouveau engouement suite au développement de la technologie HVDC (High Voltage Direct Current) II- LES DISPOSITIFS FACTS Les FACTS sont basés sur l¶électronique de puissance, et peuvent remplacer avantageusement les dispositifs mécaniques dont l¶inconvénient majeur est l¶usure. Ils peuvent influer sur les courants, tensions, impédances et la fréquence du système de transmission. Par l¶apport de plus de souplesse, les contrôleurs peuvent permettre à une ligne de transporter une puissance proche de sa puissance thermique nominale. 2.1 Les différents types de compensation [1], [2] Il existe trois topologies principales de compensation: -Compensation série -Compensation shunt -Compensation universelle A- La compensation Série Si le compensateur série est passif, c'est-àdire un EPC, son action principale est la modification de l'impédance de ligne. Ainsi, dans les lignes fortement inductives, on peut réduire l'impédance de la ligne et modifier la chute de tension appliquée à la charge ou le transit de puissance. A l'inverse, on peut diminuer le flux de puissance active sur une ligne en la rendant plus inductive par un compensateur inductif de l'EPC. Si le compensateur est basé sur l'onduleur de tension, la tension de l'onduleur s'additionne à la tension du réseau, elle compense ainsi les perturbations agissant sur la tension d'alimentation de la charge sensible. Le compensateur permet maintes fonctionnalités ou une combinaison de ces dernières: -Produire une tension en quadrature avec le courant du réseau, se comportant comme le compensateur à base d'EPC ; dans ce cas il n'y a, hormis les pertes, pas d'échange de puissance active. -Immuniser le réseau aval des creux de tension ou autre perturbation affectant la valeur efficace de la tension, et ce, en injectant une tension en phase ou en opposition de phase avec la tension amont ; il peut y avoir dans ce cas échange de puissance à la fois active et réactive. -Filtrer les harmoniques de tension venant du réseau, il se comporte alors comme un filtre actif de tension. En résumé, dans la distribution, ce compensateur sert principalement à aider à la fourniture d'une énergie de qualité. RESEAU P3 Q3 V V2 Char ge P1, Q1 V P2,Q Figure 1- Principe de compensation série par convertisseur d¶EP B- La compensation Shunt A l'inverse des compensateurs séries, les structures shunt servent principalement à découpler du réseau, les perturbations venant de diverses charges, évitant ainsi de perturber la tension du réseau. Si le compensateur est passif, c'est-à-dire basé sur des EPC, il se comportera comme une inductance ou un condensateur selon le réglage désiré. La structure peut ainsi servir à régler la tension au n ud de raccordement ou encore à absorber des courants réactifs provenant de fortes charges fluctuantes (fours à arc par exemple). Si le compensateur est basé sur l'onduleur de tension, il peut faire office de source de courant variable. En plus des fonctionnalités des EPC shunt, ce compensateur peut également être utilisé comme filtre actif de courant en produisant des courants harmoniques en opposition de phase avec ceux produits par les charges perturbatrices. (figure 2) RESEA U P P C P Figure 3 : transmission HVDC Figure 2 : Principe de compensation shunt par convertisseur d¶EP III- LES DISPOSITIFS HVDC La transmission de l¶énergie électrique par courant continu a été le premier type de liaison utilisé lors des premiers temps de l¶industrie électrique. La transmission en AC viendra plus tard et sera majoritairement utilisée principalement pour des raisons économiques ; le coût d¶une ligne aérienne AC était inférieur à celle d¶une ligne DC. [3],[4] Une transmission HVDC (High Voltage Direct Curent) permet de relier deux réseaux voisins, qui possèdent des paramètres électriques incompatibles (fréquence, tension ).(Figure n° 3.1) Actuellement, cet argument est dépassé ; des études récentes ont démontré que le coût d¶une ligne souterraine DC est de 10à 15 fois inférieur à celui d¶une ligne AC aérienne traditionnelle. A partir de 600à 800km, le coût total de la ligne en continu devient inférieur à celle en alternatif pour les lignes aériennes. Si la transmission se fait par câble souterrain ou sous-marin, alors le coût devient inférieur à partir de 50km. Outre la raison économique citée plus haut, il existe d¶autres avantages importants pour l¶utilisation d¶une transmission HVDC : - Interconnexion de deux systèmes non synchronisés. Une meilleure contrôlabilité : l¶écoulement de puissance peut être contrôlé d¶une manière précise et rapide quelle que soit sa direction, non seulement pour transmettre de l¶énergie, mais aussi pour le contrôle des deux systèmes AC. Et en contrôlant le transfert de puissance, le lien continu peut aider l¶opérateur à coordonner l¶écoulement de puissance même dans les lignes AC adjacentes. - En cas d¶incidents, il n¶y a pas de contribution au courant de court-circuit : la transmission en courant continu ne transmet pas de défauts de courant d¶un système à un autre, et amortit dans l¶un les effets des perturbations survenant dans l¶autre. Le système peut alors fonctionner en régulateur de tension en déclenchant ses réserves de puissance réactive ou en ajustant les angles de contrôle. - Le bénéfice majeur d¶une transmission HVDC comparée à une transmission en AC, est la robustesse de l¶interconnexion face à des conditions de fonctionnement difficiles du système AC, et sa capacité à isoler l¶autre système des pires effets des perturbations transitoires apparues dans le premier. Principes de la transmission HVDC : Le processus fondamental qui régit le fonctionnement du bloc HVDC est la conversion AC/DC à la première extrémité de la ligne, et la reconversion DC/AC a l¶autre extrémité de la ligne. Il existe trois procèdes pour mettre au point cette conversion : Les convertisseurs a commutation naturelle : ce sont les plus utilises actuellement, ils se basent sur les thyristors qui sont des composants a semiconducteurs capables de supporter de très forts courants : 4000A, et de bloquer des tensions jusqu¶a 10KV. La gâchette peut fonctionner à des fréquences de 50 à 60Hz, et avec un contrôle adéquat de l¶angle d¶amorçage, on peut contrôler et varier le niveau de tension DC du pont. Les convertisseurs commutés par capacité (CCC) : des capacités sont insérées entre les transformateurs du convertisseur et la gâchette du thyristor. Ce procédé permet d¶améliorer les performances de commutation quand les convertisseurs sont relies a des réseaux faibles. Les convertisseurs a commutation forcée : Ce type de convertisseurs ont introduit beaucoup d¶avantages: alimentation de réseau sans source génératrice, contrôle indépendant de la puissance active et réactive et l¶améliorations de la qualité de la tension. Ces convertisseurs sont équipés de semi-conducteurs commandables à l¶ouverture et à la fermeture : ce sont les VSC (voltage source Converters). Ils utilisent deux types de semi-conducteurs : les GTO et les IGBT. Ces convertisseurs commutent avec une fréquence élevée, et sont contrôlés par la technique PWM. VI- MODELISATION ET SIMULATION Vu la complexité des réseaux actuels, afin de pouvoir faire les différents calculs, il est nécessaire de faire quelques hypothèses simplificatrices : -Les capacités shunt, les filtres AC et DC ne sont pas représentés. -Les tensions dans les parties DC sont considérées comme parfaitement sinusoïdales. -Les pertes internes des convertisseurs sont négligées. -Les réactances des transformateurs des convertisseurs sont supposées identiques dans les trois phases. Avec ces hypothèses l¶équation de ligne devient : (1) Les équations du système de puissance dans l¶état stable est : (2) Ibus=Ybus . Vbus Figure 4 : principal schéma de contrôle des VSC-HVDC Les équations de tension régissant les convertisseurs : [5],[6] (8) (3) (9) (4) Avec: ; (5) (10) Les indices r et i indiquent respectivement les grandeurs du redresseur et de l¶inverseur[7] va ria tio n d e la p u is s a n c e é le c triq u e (11) Du fait des caractéristiques du VSCHVDC, on peut considérer que chaque convertisseur des deux parties est une source de tension idéale, de tension et d¶angle de phase parfaitement contrôlables. A partir de ces assertions, on peut alors représenter l¶interconnexion comme suit : jxl 8 6 4 p e (p u ) 2 0 -2 -4 -6 Ui/ i Uj/ 0 1 2 3 4 j 5 t(s ) 6 7 8 9 10 Figure: 6 modulation de la puissance active Psi+jQsi Psj+jQsj 5 4 puis s anc e ac tive régulée puis s anc e réac tive régulée data1 data2 Figure 5 : Modèle d¶injection du VSC-HVDC 3 2 1 0 -1 -2 (6) P e,Q (7) -3 -4 0 1 2 3 4 5 t 6 7 8 9 10 Avec Uci1, Uci2 , Ucj1 , Ucj2 variables de contrôle des convertisseurs i et j resp. Les pertes sont considérées comme une charge active constante, et les pertes dans la ligne DC sont négligées. Figure:7 puissances active et réactive à la sortie du réseau 1 4 3 2 angle rot orique (pu) 1 0 -1 -2 -3 0 1 2 3 4 5 t (s ) 6 7 8 9 10 Figure 8 : variation de l¶angle avec et sans contrôle Analyse des résultats : Dans le but de tester les différents paramètres de contrôle du VSC-HVDC mis au point théoriquement, nous avons simulé donc un défaut majeur qui est le courtcircuit triphasé pendant le laps de temps [0.8 0.9]. Nous remarquons dans la figure n° 4.23, l¶effet de la modulation de la puissance active sur notre système. En effet, un choix judicieux des paramètres de régulation nous a permis de réguler la puissance de sortie malgré la gravité du défaut. Dans la figure suivante, et même si l¶effet de la puissance réactive n¶est pas aussi primordial puisque le transport de l¶énergie se fera en courant continu, nous notons quand même l¶équilibre qui s¶est instauré entre les deux puissances. En ce qui concerne l¶angle des machines , et qui est l¶un des paramètres les plus révélateurs de l¶état de fonctionnement du réseau, nous voyons dans la figure n° 4.26 que sans contrôle, il y a une augmentation de la valeur de l¶angle sans retour à la valeur initiale, ce qui peut indiquer un fonctionnement anormal. Après l¶insertion des contrôleurs, on remarque un retour à l¶état stable. V-CONCLUSION : Nous concluons donc d¶après ces résultats que le VSC-HVDC soumis à un contrôle adéquat, outre ses multiples avantages suscités, contribue à réaliser une interconnexion parfaite autant sur le plan de la stabilité que sur la qualité de la transmission en elle-même. Par rapport à la transmission en AC, nous notons que les contrôles appliqués aux FACTS (SVC et UPFC), sont beaucoup plus complexes, et les paramètres à réguler sont plus nombreux, bien que ces dispositifs aient donné des résultats très satisfaisants. L¶utilisation notamment de l¶UPFC, est bénéfique lors du couplage de deux réseaux de paramètres différents. Ainsi il jouera indépendamment le rôle de redresseur/onduleur ou au besoin de compensateur pour l¶un des réseaux. L¶interconnexion de deux ou plusieurs réseaux électriques demande beaucoup d¶investissement matériel, et humain et le choix du modèle de transmission dépend de nombreux paramètres externes, et de beaucoup de considérations politiques, économiques et environnementales. References: [1] V.K. Sood, ³HVDC and FACTS controllers: applications of static converters in power systems´, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 1402078900, 2004. [2]L. 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