ETAT DE L’ART SUR L’AMELIORATION DE STABILITE DES SYSTEMES DE PUISSANCES

I.1 I

Les systèmes électriques ont connu ces dernières décennies des développements considérables. Leur fonctionnement et leur exploitation sont devenus de plus en plus complexes. La stabilité d’un système de puissance est un facteur essentiel pour préserver le matériel et assurer la continuité du service. Le régime de fonctionnement doit rester stable en marche normale ainsi que pendant les périodes troubles dues aux modifications aléatoires dans la topologie du système [1]. Ces modifications peuvent être des charges, des défauts, …etc.

La stabilité des systèmes de puissance est considérée comme condition nécessaire de fonctionnement normal d’un réseau électrique. Le rôle des systèmes de régulation et de contrôle est d’assurer cette stabilité en déterminant les éléments essentiels qui influent sur celle-ci.

Le système AVR - PSS [14] joue un rôle très important dans l'amélioration des performances dynamiques des systèmes puissance, en maintenant un niveau de tension terminale bien stable, par action sur le système de régulation d'excitation des groupes Turboalternateurs. Par ailleurs, et vue le développement rapide et la modernisation des structures des systèmes puissance , ainsi que la complication des conditions de fonctionnement des stations électriques (configuration réseaux - régimes stations), et en présence des perturbations incertaines (incertitudes), nous a obligé la recherche d'autres structures plus efficaces et plus fiables des systèmes AVR-PSS, capables de résoudre le problème de robustesse de stabilité, et de garantir un niveau acceptable des performances exigées des systèmes puissances.

Ces techniques avancées utilisent les concepts de commande : optimale, adaptative et robuste. Une des principales caractéristiques actuellement exiges des régulateurs est la robustesse de stabilité, c’est l’aptitude de maintenir la stabilité en présence des variations paramétriques du système (ou aussi non-paramétriques), appelé ainsi incertitudes ou bien les problèmes incertains. L’investigation des algorithmes de commande adaptative (Logique flou, réseau de neurones…) a été largement reportée. Récemment, les algorithmes de commande

Chapitre I Etat de l’art sur l’amélioration de stabilité des systèmes de puissances

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été appliqués. Tous ces algorithmes supposent la connaissance d’un modèle du système ou des intervalles sur les incertitudes.

Nous allons présenter dans ce chapitre, des notions sur la stabilité du système de puissance et ses différents types ainsi que la technique d’amélioration de la stabilité par techniques de commandes classique PSS (Power System Stabilizers), AVR (Automatic Voltage Regulator), et techniques de commandes avancées optimale, adaptative et robuste. Pour optimiser, synthétiser et adapter ces techniques des commandes les méthodes des évolutionnaires telles que l’AG (Algorithme Génétique) et l’OEP (Optimisation par Essaims de Particules) seront également présentées dans cette partie

I.2. D

G

On appelle un système de puissance un ensemble d’installations électriques destinées à produire, transporter et à la fois distribuer l’énergie électrique aux consommateurs.

Figure I.1 : Les différents éléments d’un système de puissance.

Conduire un système électrique revient à définir le partage des rôles et responsabilités des différents acteurs concernés.

On distingue au sein d’un système électrique trois parties aux fonctions différentes [15]:

1. La production : cette partie concerne la production de l’électricité, elle est

représentée par les centrales électriques selon les différents types de production : thermique, hydraulique, solaire, nucléaire … etc.

2. Le Réseau de Transport et d’Interconnexion : c’est la partie qui sert à transférer

l’électricité produite par les centrales vers les charges. Elle assure le transport de l’énergie électrique sur de vastes superficies par le biais de tout un réseau de lignes de haute et très haute tension.

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3. Le Réseau de distribution : ce réseau (en moyenne et basse tension) permet la

répartition puis la distribution de l’électricité aux consommateurs industriels et domestiques.

Un système électrique est donc un ensemble de composants et d’installations qui transforme des énergies primaires (combustible, eau, vent, rayonnement solaire, etc.) en énergie électrique, avant de la transporter et la mettre instantanément à la disposition des consommateurs en fonction des besoins et de la demande. Un tel système, avec toute sa complexité et sa dimension, a besoin d’être bien géré et contrôlé afin d’en assurer la fiabilité, la sécurité et la stabilité. De plus, et surtout avec l’avènement de l’ère de la dérégulation, les réseaux électriques sont de plus en plus exploités prés de leurs limites physiques, pour des raisons économiques, ce qui complique davantage leur conduite et gestion, et nécessite une optimisation de beaucoup de phases de fonctionnement et de contrôle.

Sur un autre plan, différents types de perturbations peuvent affecter un réseau électrique, dont on peut citer :

- Variation de la charge au cours de la journée,

- Déclenchement d’une unité de production ou d’une charge,

- Foudre atteignant une ligne,

- Court- circuit en réseau, dont les causes peuvent être nombreuses,

- Etc...

Ces perturbations provoquent des phénomènes physiques très variés au sein du réseau, tels que :

- Propagation d’ondes de surtension,

- circulation de courants de court- circuit,

- oscillations rotorique des alternateurs et la perte du synchronisme,

- phénomènes d’écroulement de la fréquence ou de la tension.

Pour l’exploitant, ces phénomènes sont pris en considération prioritairement dans les différentes actions à entreprendre. Trois mesures importantes se démarquent [2] :

1. La protection: elle vise à prévenir les risques physiques des personnes, les dégâts

matériels tout en minimisant l’impact de la perturbation sur la marche du système.

2. Le réglage : qu’il soit automatique ou manuel, il a pour but de maintenir le système

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3. La conduite : celle-ci garantit les moyens du réglage afin de maintenir à tout instant

l’équilibre Production- Consommation à un niveau de sécurité requis en minimisant au maximum les coûts d’exploitation.

Les oscillations électromécaniques entre les machines synchrones interconnectées sont des phénomènes physiques dans les réseaux électriques. Cependant, la stabilité du système face à de telles oscillations est un problème d’ordre majeur. Les oscillations instables à faible fréquence sont observées dans un groupe d’unités de production ou dans des systèmes interconnectés par de faibles lignes d’interconnexion, impliquant l’oscillation d’un groupe ou d’une unité de génération contre un autre groupe du même réseau. Les oscillations associées à un seul générateur génèrent un mode local, alors que ceux qui impliquent un groupe de générateurs sont appelés modes interzonaux. Les caractéristiques de ces modes ainsi que les facteurs les influençant sont mal connus. Ils sont assez compliqués pour être exactement identifiés, étudiés et contrôlés.

I. 3 STABILITE DU SYSTEME DE P

La stabilité est définie comme la propriété d’un système à retrouver son point de fonctionnement (ou point d’équilibre) après avoir subi une ou plusieurs perturbations. Elle est caractérisée par les fluctuations de puissances transitées dans le réseau et se mesure par les variations dans le temps des tensions et fréquences associées.

I.3.1L

D

T

S

P

.

Pendant des années, des recherches diverses et complexes étaient effectuées pour comprendre les problèmes de stabilité des systèmes de puissance. Ainsi de nombreuses définitions de la stabilité de systèmes de puissance étaient proposées en insistant sur les divers aspects qui reflètent la manifestation de l’état stable de système. La définition la plus récente, que nous adopterons, est le résultat d’un groupe de travail conjoint IEEE/CIGRE [16]

La stabilité d’un système de puissance est la capacité d’un système d'énergie électrique, pour une condition de fonctionnement initiale donnée, de retrouver le même état ou un autre état d’équilibre après avoir subi une perturbation physique, en gardant la plupart des variables de système dans leurs limites, de sorte que le système entier reste pratiquement intact.

Ainsi un système de puissance possédant un état d’équilibre est considéré comme stable, si suite à une perturbation, le système peut encore retrouver une position d’équilibre. Le système est également considéré comme stable s’il tend vers une autre position d’équilibre située dans

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la proximité du point d’équilibre initial. Cela correspond aux propriétés de la stabilité du point d’équilibre au sens de Lyapunov [16].

La stabilité d’un système de puissance électrique représente la propriété du mouvement du système autour d’un état d’équilibre (c.-à-d. les conditions de fonctionnement initiale).

Dans un état d’équilibre, toutes les différentes forces opposées sont égales :

- soit instantanément : c’est le cas des points d’équilibre,

- soit périodiquement : c’est le cas des variations périodiques lentes en raison des petites fluctuations continuelles sur les charges ou la génération.

Ainsi, la stabilité d’un système de puissance dépend non seulement des conditions de fonctionnement initiales elle dépend également de la nature physique et de l’amplitude de la perturbation.

En raison de la taille, de l’importance et de la complexité des problèmes de stabilité, il est très intéressant de faire des simplifications et des hypothèses appropriées pour représenter analytiquement le système.

Pour analyser et résoudre les problèmes d’instabilité dans les systèmes de puissance, il est indispensable de regrouper les différents groupes de stabilité. Cette classification de la stabilité est basée sur les considérations suivantes [17] :

- la nature physique de l’instabilité résultante.

- l’amplitude de la perturbation.

- la plage de temps nécessaire pour assurer la stabilité.

- les dispositifs et les processus nécessaires pour assurer la stabilité. Habituellement, la stabilité est divisée en trois groupes, à savoir :

- la stabilité de l’angle de rotor.

- la stabilité de tension.

- la stabilité de fréquence.

La figure (I.2) présente ces principales catégories de stabilité d’un système de puissance et leurs sous-catégories.

Traditionnellement, le problème de la stabilité a été de maintenir le fonctionnement synchrone des générateurs du système. Ainsi, pour avoir une production satisfaisante de la puissance électrique, toutes les machines synchrones du système doivent fonctionner en synchronisme. Cet aspect de la stabilité est influencé par les dynamiques de l’angle de rotor de générateur et de la relation puissance-angle.

L’instabilité peut également avoir lieu sans perte de synchronisme. Par exemple, un système composé d’un générateur alimentant un moteur à induction peut devenir instable en

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raison de l’effondrement de la tension de la charge. Dans ce cas, c’est la stabilité et le contrôle de la tension qui créent le problème, plutôt que le maintien du synchronisme. Ce type d’instabilité peut aussi se produire dans le cas de charges couvrant une vaste zone dans un grand système.

Un autre type d’instabilité peut avoir lieu : dans l’éventualité d’un fort écart entre la puissance de la charge et la puissance de la génération, les contrôleurs principaux des générateurs et de la charge deviennent importants. S’ils ne sont pas bien coordonnés, il est possible que la fréquence du réseau devienne instable. Des unités de générations et/ou de charges peuvent finalement être déclenchées en entraînant une panne du système. Dans ce cas, les générateurs peuvent rester en synchronisme mais le système devient instable.

Figure I.2 : Classification des différents types de la stabilité du système de puissance.

I.3.2S

A

Etant donné que les systèmes de puissance recourent principalement aux machines synchrones pour la génération de puissance électrique, un aspect important est le fonctionnement de ces générateurs au synchronisme.

La stabilité angulaire (ou stabilité d’angle rotorique) implique l’étude des oscillations électromécaniques inhérentes aux réseaux électriques [1 ,2]. Elle est définie comme la capacité d’un ensemble de machines synchrones interconnectées de conserver le synchronisme dans des conditions de fonctionnement normales ou après avoir été soumis à une perturbation.

Stabilité du système