2.2. Stabilité des réseaux
2.2.2. Stabilité de l’angle de rotor
La stabilité de l‘angle de rotor est la capacité des alternateurs d‘un réseau électrique interconnecté de rester en synchronisme suite à une perturbation. Elle dépend de la capacité de maintenir/restaurer l‘équilibre entre les couples électromagnétique et mécanique agissant sur le rotor de chaque alternateur dans le système. L‘instabilité qui peut résulter se produit sous forme d‘augmentation des oscillations angulaires de certains générateurs pouvant conduire à une perte de synchronisme avec d‘autres générateurs.
Stabilité de système de puissance
Stabilité de l’angle de rotor
p.
24 Il arrive que de petites oscillations apparaissent sur les signaux, à cause d‘un changement dans la structure du réseau, dans les conditions d‘exploitation, dans les systèmes d‘excitation ou au niveau des charges. Ces oscillations peuvent aboutir à déstabiliser un alternateur, une partie ou tout le réseau. La stabilité aux petites perturbations dépend du point de fonctionnement d‘équilibre initial du système ainsi que des caractéristiques dynamiques du système. [35]La stabilité d'angle rotorique peut être caractérisée en termes des deux sous-catégories suivantes : Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique), et stabilité d'angle rotorique de grande perturbation (stabilité transitoire).
2.2.2.1. Stabilité angulaire aux petites perturbations (stabilité dynamique)
La stabilité d'angle rotorique de petite perturbation (ou en petits signaux) est la capacité du système électrique à maintenir le synchronisme sous de petites perturbations. Les perturbations sont considérées comme suffisamment petites pour que la linéarisation des équations du système soit permise aux fins de l'analyse.
La nature de la réponse du système aux petites perturbations dépend d‘un certain nombre de facteurs, notamment à l'exploitation initiale, la force génératrice de transmission du système et le type d'excitation du générateur de grandes commandes utilisées. L‘intervalle de temps de la dynamique généralement observée des petites perturbations est de l'ordre de 10 sec à 20 sec après leur apparition.
2.2.2.2. Stabilité angulaire aux grandes perturbations (stabilité transitoire)
La stabilité d'angle rotorique de grande perturbation (ou la stabilité transitoire) est la capacité du système électrique à maintenir le synchronisme après une perturbation importante. Le résultat de la réaction du système implique de grandes excursions des angles des rotors des générateurs et est influencée par la relation non-linéaire de la puissance par rapport à l'angle. Elle dépend de l'état initial du système et de la sévérité de la perturbation.
Le phénomène de stabilité transitoire concerne les grandes perturbations. Nous pouvons citer :
Les courts-circuits affectant un élément du réseau, notamment aux bornes des machines,
La perte d‘ouvrages
La perte de groupes de production…..etc.
Les conséquences de ses défauts peuvent être très graves, pouvant même conduire à l‘effondrement complet du réseau (black-out).
p.
25 La stabilité transitoire dépend : Du type de perturbation
De la durée de perturbation
Du lieu de perturbation
De la performance des systèmes de protection (relais, disjoncteur ;……etc)
Du point de fonctionnement avant défaut.
--Niveau de puissance active ; -- Topologie du réseau ;
--Degré d‘excitation des machines.
des caractéristiques dynamiques.
o Des générateurs ; o Des charges ;
o Des régulateurs et des stabilisateurs mis en place [2 ; 37].
Si l‘instabilité se manifeste directement suite à la perturbation (plus précisément dans la première seconde qui suit l‘élimination du défaut), elle est appelée instabilité de première oscillation (en anglais, First Swing Instability), (cas 1, figure 2-2), et elle s‘étend sur 3 à 5 secondes. L‘instabilité transitoire peut aussi se manifester autrement. Elle peut résulter de la superposition des effets de plusieurs modes d‘oscillation lents excités par la perturbation, provoquant ainsi une variation importante de l‘angle de rotor au-delà de la première oscillation (instabilité de multi-oscillations), (cas 2, figure 2-2 ). La gamme de temps associée va de 10 à 20 secondes.
Figure 2-2. Variation d‘angle rotorique.
Cas 1 : instabilité de première oscillation.
Cas 2 : instabilité de multi-oscillations.
p.
26 Le concept de stabilité transitoire peut être expliqué par une approche graphique simple, à savoir le critère d‘égalité des aires (en anglais, Equal Area Criterion). Cette approche regroupe l‘équation du mouvement et la courbe (P-δ) traditionnelle représentant la relation entre la puissance produite par le générateur et l‘angle de rotor.Pour expliquer cette approche, on considère un système de puissance simple constitué d‘un générateur synchrone connecté à un jeu de barres infini via une ligne de transmission, figure 2-3. Le générateur est modélisé par une source de tension idéale Egen série avec une réactance Xg(modèle classique). La ligne et le transformateur sont représentés par la réactance XE.
Figure 2-3.Machine synchrone connectée à un jeu de barres infini
a. Relation entre la puissance électrique et l’angle rotorique (P- δ)
Dans l‘état équilibré, la puissance produite par le générateur Peest donnée par l‘équation suivante :
0 sin
E g
g
e X X
E P E
(2.1)
Où : est l‘angle de rotor (dit ici, l‘angle de puissance), est le déphasage entre la tension interne du générateur Eget la tension du jeu de barres infini E0
L‘équation (2.1) est représentée graphiquement à la figure 2-4.
Lors de l‘équilibre, la puissance électrique Pe1est égale à la puissance mécanique appliquée pour l‘angle correspondant a. Un brusque changement sur la charge du générateur entraîne une variation de la puissance mécanique, et par conséquent de la puissance électrique, par exemple de Pe1àPe2comme montre la figure (2-4).
p.
27 Figure 2-4. Relation puissance- angle rotorique .Le rotor va donc accélérer de sorte que l‘angle de puissance augmente, deaà b, pour pouvoir fournir une puissance supplémentaire à la charge. Cependant, l‘accélération du rotor ne peut pas s‘arrêter instantanément. Ainsi, bien que la puissance développée pour l‘angle b soit suffisante pour la charge, le rotor va dépasser l‘angle bjusqu‘à ce qu‘un couple opposé suffisant soit développé pour arrêter cette accélération. L‘énergie supplémentaire va entraîner le ralentissement du rotor et la diminution de l‘angle de puissance. Suivant l‘inertie et l‘amortissement du système, les oscillations de l‘angle de rotor résultant vont ou s‘amortir, et la machine restera stable (cas 1, figure 2-5), ou diverger, et la machine deviendra instable en perdant le synchronisme avec le système (cas 2, figure 2-5). [34 ; 35].
Figure 2-5.Variation d‘angle rotorique.
b. Critère des aires égales
Le critère d‘égalité des aires (EAC : Equal Area Criterion) est applicable pour un système mono
p.
28 machine, et par la suite aux systèmes multi-machines en les remplaçant par une machine équivalente reliée à un nœud infini. C‘est une méthode graphique qui permet de conclure sur la stabilité du système sans tracer et analyser les réponses temporelles.Considérons un défaut, e.g sur la ligne de transmission, appliqué au système précédent disparaissant après quelques périodes du système. Ceci va modifier l‘écoulement de puissances et, par conséquent, l‘angle de rotor δ. On retrace la courbe (P-δ) en tenant compte de ce défaut, figure (2-6).
En dessous de cette courbe, nous pouvons considérer deux zones :
- La première zone (zone A1, zone d‘accélération) se situe au-dessous de la droite horizontale correspondante au point de fonctionnement initial (la droite de charge). Elle est limitée par les deux angles de rotor (0et 1) correspondants à l‘apparition et à la disparition de défaut. Cette zone est caractérisée par l‘énergie cinétique stockée par le rotor du fait de son accélération : Pm Pe.
-La deuxième zone (zone A2, zone de décélération), qui commence après l‘élimination du défaut, se situe en dessus de la droite de charge : elle est caractérisée par la décélération du rotor :
e
m P
P .
Si le rotor peut rendre dans la zone A2 toute l‘énergie cinétique acquise durant la première phase, le générateur va retrouver sa stabilité. Mais si la zone A2 ne permet pas de restituer toute l‘énergie cinétique, la décélération du rotor va continuer jusqu‘à la perte de synchronisme [34 ; 35].
Figure 2-6. Evolution de puissance électrique en fonction des angles rotoriques.
La relation entre les aires des zones (A1 et A2) et la stabilité transitoire peut être mathématiquement expliquée comme suit :
p.
29 L‘équation du mouvement de générateur est donnée par la relation suivante :
Pm Pe
H: La constante d‘inertie.
0: La vitesse de synchronisme.
Pm: La puissance mécanique fournie au générateur.
Pe: La puissance électrique du générateur.
En multipliant cette équation par dt d
2 , en intégrant par rapport au temps et en faisant un changement de variables, nous obtenons :
0: L‘angle rotorique initial, à l‘instant de l‘application de défaut.
2: L‘angle rotorique à la fin de la période transitoire.
Ainsi, à l‘instant t=0 :
La constante Cte=0
Après l‘élimination du défaut, l‘angle va s‘arrêter de varier et le générateur va retrouver sa vitesse de synchronisme, lorsque 0
dt d
Par conséquent, l‘équation (2.3) s‘écrit comme suit :
p.
30
2
01 1
0
d P P d
P
Pm e m e (2.5)
Où
1 : est l‘angle rotorique à l‘instant de l‘élimination de défaut.
Alors :
Ainsi, la limite de la restauration de la stabilité transitoire se traduit mathématiquement par l‘égalité des aires de la zone A1 et de la zone A2 : cette condition est appelée critère d‘égalité des aires (Equal Area Criterion).
Par conséquent, les contrôleurs de la stabilité transitoire peuvent améliorer la stabilité soit en diminuant la zone d‘accélération (zone A1), soit en augmentant la zone de décélération (zone A2). Cela peut être réalisé soit en augmentant la puissance électrique, soit en diminuant la puissance mécanique.
En outre, un système statique d‘excitation avec une tension maximale élevée et d‘un régulateur de tension possédant une action "puissante" et rapide représente un moyen très efficace et économique pour assurer la stabilité transitoire. Enfin, une amélioration signifiante de la stabilité transitoire est obtenue avec des systèmes très rapides de détection des défauts et de disjoncteurs.