Compensation dynamique de la puissance réactive (Etude comparative SVC et TCSC)

(1)

Ministère de l’enseignement Supérieur

et de la Recherche scientifique

Université Echahid Hamma Lakhdar d’El-Oued

Faculté de Technologie

Mémoire de Fin d'Étude

En vue de l'obtention du diplôme de

MASTER ACADEMIQUE

Domaine : Technologie

Filière : Génie Électrique

Spécialité : Réseaux Électriques

Thème

Encadré par : Réalisé par :

M

er

_{. Mammeri Ossama Derdouri Abdelghani}

Bouskaya Sofiane

Compensation dynamique de la puissance réactive

(Etude comparative SVC et TCSC)

(2)

(3)

و ةجذمن

إ

ةعاوطملا ةبراقتملا لقنلا طوطخ ةمظنأ جامد

( FACTC )

ةيئابرهكلا ةكبشلا يف

صخلم : ةركذملا هذه يف ةيكيمانيدلا ضيوعتلا ةزهجأ لماكتو ةجذمن و ليلحت ةساردب موقنس ) ( FACTC ةيئابرهكلا تاكبشلا يف يف نيلثمتملا نييساسأ نيجذومن ةساردل قرطتنس و يئابرهكلا رتوتلا عفرو ةقاطلا تاعايض نم ليلقتلا و ةردقلا ناريس ةبقارمل ةلاعف ريغلا ةردقلا ليدعت ماظن ) ( SVC ةيطخلا ةعسلا يف مكحتلا ماظنو ( TCSC ) لاديس صوغ ةيمزراوخ ىلع اندمتعاو (GS) ا ناريس ةلكشم لحل ةيديلقتلا و ةردقل ةحص نم ققحتللو ، ةقاطلا تاكبش يف ةزهجلأا هذه جمد دئاوفو ةيمهأ راهظلإ ( رابتخلاا تاكبش ىلع ةجمربلا قيرط نع اهيلع لوصحلا مت يتلا انجئاتن 9 JB ، 30 JB ) . Résumé :

Dans ce mémoire, on va étudier et analyser la modélisation et l’intégration des dispositifs de compensation dynamiques dans les réseaux électriques pour un objectif principal le réglage flexible de la tension ainsi que une réduction des pertes totale dans les réseaux électriques. Le model de dispositif shunt (SVC) utilisé comme un régulateur efficace de l’énergie réactive, le model série (TCSC), utilisé comme un régulateur de la puissance active transitée ont été intégré dans la méthode de GAUSS_SIEDAL, l’algorithme a convergé avec un nombre minimal d’itération. Afin de prouver l'importance et les avantages d'intégrer ces dispositifs dans les réseaux électriques, et de valider nos résultats obtenus par programmation sur des réseaux test (9JB ,30JB).

(4)

Remerciements

Nous Tenons à remercier avant tout Dieu le tout puissant, pour

notre avoir donné lasanté, le courage et la volonté d’étudier et

pour notre avoir permis de réaliser ce modeste travail dans les

meilleures conditions.

Au terme de cette modeste étude, je tiens à exprimer nos

profonde gratitude et nos vifs remerciements à notre promoteur

Mr : Osaama Maamri pour le soutien, l’aide et les conseils qu’il

notre a dispensé pour l’élaboration de ce présent mémoire et à

nos formation durant les années d'étude.

Nous voudrissons aussi remercier notre très chers les

enseignants Mr: Kassem Abdelmalek pour les conseils qu’il nos a

dispensé pour l’élaboration de ce mémoire.

Nous remercions fortement de département d’électrotechnique

qui nos a beaucoup aidés durant la réalisation de notre

mémoire.

Un grand merci pour toutes les personnes qui ont contribué de

prés ou de loin

(5)

Dédicaces

C’est tout plein de joie que je dédie ce travail à ceux qui m’ont été

une source

d’inspiration et de volonté ;

A ma mère et mon père pour leurs encouragements et conseils

durant la période de mes études ;

Je le dédie à mes très chers frères et sœurs ;

A toute ma grande famille Derdouri et Bouskaya ;

Une dédicace à tous mes amis, ET pour tous ceux qui me

connaissent ;

A la fin je dédie très chaleureusement ce mémoire

à mon binôme.

(6)

(7)

i

Sommaire

✓ Résumé ✓ Remerciement ✓ Dédicaces ✓ Sommaire………..……..i

✓ Liste des figures... iv

✓ Liste des tableaux ... vi

✓ Symboles et abréviations……… vii

Introduction générale………01

Chapitre I Généralité sur la puissance réactive et la tension dans le réseau électrique I.1. Introduction………03

I.2. Tension………...………03

I.2.1. La qualité de la tension………..……….…03

I.2.1.1. Amplitude………....………...03

I.2.1.2. Fréquence…...………..………...04

I.2.1.3. Forme d’onde………..04

I.2.1.4. Symétrie……….……….…..…...05

I.2.2. Dégradation de la qualité de tension………..………...……….05

I.2.3. Les perturbantes de tension……….………...05

I.2.3.1. Chutes de tension………..….…..………...05

I.2.3.2. Creux de tension………...………….….06

I.2.3.3. Variation Lente de Tension………..………..06

I.2.3.4. Variations et fluctuations de tension……….….07

I.2.3.5. Déséquilibre de tension………..07

I.2.3.6. Variation ou fluctuation de la fréquence………...……….08

I.3. La Puissance Réactive………08

I.3.1. Importance de la puissance réactive……….………..09

I.3.2. Facteur de puissance……….………..09

I.3.3. Bilan de la puissance réactive……….…..……….10

I.3.4. Tangente………....……….10

(8)

ii

I.4. Transport de la puissance active et réactive……….……..………11

I.4.1. Impédances séries……….………..12

I.4.2. Susceptance shunt………..………13

I .5. Contrôles dans le problème tension / puissance réactive………..………13

I.6. Compensation de la puissance réactive………..….…...15

I.7. Conclusion………..………..…….16

Chapitre II Compensation dynamique de la puissance réactive FACTS II.1. Introduction……… ………..………..17

II.2. Compensateurs statiques de puissance réactive………...…...………..17

II.3. Définition des FACTS………..…………17

II.4. Les différents types des systèmes FACTS………..………….18

II.4.1. Classification des dispositifs FACTS………...…………19

II.4.1.1. Brève description et définitions des dispositifs FACTS………….…..19

II.5. Modes de fonctionnement du SVC et TCSC………...………21

II.5.1. Mode de fonctionnement du SVC……….………...….………21

II.5.2. Mode de fonctionnement du TCSC………..…...…….22

II.5.2.1. Mode de blocage………...22

II.5.2.2. Mode by-pass………..……….…22

II.6. Rôle des dispositifs FACTS………...…..22

II.7. Les avantages, les inconvénients et les contraintes de la technologie des dispositifs FACTS ……….……..23

II.8. Conclusion………...………24

Chapitre III Modélisation des dispositifs FACTS (SVC, TCSC ) III.1. Introduction……….………25

III.2. Caractéristique d'un compensateur statique (SVC)………...…………..25

III.2.1. Caractéristique en V d’un compensateur statique………...…..…………..25

III.2.2. Caractéristique 𝑄𝑆𝑉𝐶(I) d’un SVC………...………..………..26

III.3. Modélisation des compensateurs statiques…...………..….27

(9)

iii

III.3.2. Modélisation de SVC…………...………...………...27

III .3.3. Modèle du compensateur shunt SVC………...……….…………...27

III.3.3.1. Les équations de SVC…………...………...………28

III.4. Implantation du compensateur statique dans le problème de l’écoulement de puissance ……….29

III.5. L'organigramme globale de l’intégration de SVC……….………..31

III.5.1. Organigramme détaillée………...……….………...32

III.6. Control des transits de puissances par dispositif FACTS (TCSC)…...……....34

ΙΙΙ.6.1. Modélisation du TCSC………..….………...34

ΙΙΙ.6.2. Implantation de TCSC dans le problème de l'écoulement de puissance….38 III.6.3. L'organigramme globale de l’intégration de TCSC………...40

III.6.3.1. Organigramme détaillée……….………..41

III.7. Conclusion………..……...…..43

Chapitre VI Testde Application VI.1. Test de Application :(compensation shunt avec SVC)…………. ……….…...44

VI.1.1. Test de Application(1): réseau électrique de 9 jeux de barres………...….44

VI.1.1.1. les résultats de programmation (réseau 9 jeux de barres)…...……...45

VI.1.1.2. Les résultats de programmation(Puissance généré, Pertes,…….) de réseau 9 jeux de barres……..……….47

VI.1.2. Test de Application( 2) : réseau électrique de 30 jeux de barres……...50

VI.1.2.1. les résultats de programmation (réseau 30 jeux de barres)……….….51

VI.1.2.2. Les résultats de programmation(Puissance généré, Pertes, ……) de réseau 30 jeux de barres………...54

VI.1.3. Comparaison des résultats du chute de tension dans les deux réseaux (9 jeux de barres- 30 jeux de barres )… …… ………..57

VI .2. Test de Application :(compensation série avec TCSC )………….. …………57

VI.2.1. Test de Application(1): réseau électrique de 9 jeux de barres…………....57

VI.2.2. Test de Application(2): réseau électrique de 30 jeux de barres…………..59

VI.3. Interprétation………..………60

Conclusion générale………....61

✓ Références bibliographique………..62

(10)

iv

Liste de figure

Figure I.1: Creux de tension…...……….……….06

Figure I.2: Exemple de variation rapide de la tension……….……….…………07

Figure I.3: Déséquilibre des tensions triphasées…………...………...……08

Figure I.4: Exemple de fluctuation de la fréquence……...………..08

Figure I.5: Principe de la puissance active et réactive……….09

Figure I.6: Composition vectorielle des courants actif, réactif et apparent……...…...11

Figure I.7: Circuit équivalent en π d'une ligne électrique………...….12

Figure I.8: Impédance série d’une ligne électrique………..12

Figure I.9: Susceptance shunt d'une ligne électrique………...……13

Figure I.10: Circuit équivalent du réseau électrique……….………...14

Figure I.11: Diagramme vectoriel associé au circuit précédent………...……14

Figure II.12: différentes catégories des dispositifs de contrôle des réseaux électriques……… 18

Figure II.13: Classification des dispositifs FACTS selon la catégorie……….19

Figure II.14: Structure d’un TCR-FC………...………21

Figure II.15: Structure d’un TCR-TSC………21

Figure II.16: Structure d'un TCR-TSC-FC……….………..21

Figure II.17: Structure d'un TCR-TSR-TSC………...….21

Figure II.18: Module et phase de l’impédance du TCSC…….………22

Figure III.19: la caractéristique en V d’un SVC………...26

Figure III.20: Variation de la puissance réactive en fonction du courant…………..26

Figure III.21: Présentation d’un compensateur SVC………..27

Figure III.22: Représentation du circuit de base pour le compensateur SVC………28

Figure III.23: la variation de la susceptance en fonction de l’angle d’amorçage…...28

Figure III.24: Variation de la susceptance en fonction de l’angle α………29

Figure III.25: Schéma d’un TCSC…………...………35

Figure III.26: Capacitor voltage and thyristor current waveforms for different thyristor firing angles………..……….36

Figure III.27: variation de l’impédance de TCSC en fonction de l’angle d’amorçage avec différent valeur de  ……….………..38

(11)

v

Figure III.29: Remplacement

V

Spar

I

S ………..……38

Figure III.30: Modèle d’injection : puissance injectées équivalentes………..39

Figure VI.31: Schéma d’un réseau test de 9 jeux de barres……….44

Figure VI.32: Variation de la tension – cas normale………45

Figure VI.33: Variation de la tension – cas rupture de la ligne (1-2)………...46

Figure VI.34: Variation de tension dans les deux jeux de barres sensibles-cas rupture de la ligne(1-2)……….…48

Figure VI.35: Variation de tension dans les deux jeux de barres sensibles-cas normale……….48

Figure VI.36: Variation de la tension en fonction de l' incrémentation de la charge...49

Figure VI.37: Schéma d' un réseau de 30 jeux de barres………...…………..50

Figure VI.38: Variation de la tension – cas normale………...……….53

Figure VI.39: Variation de la tension – cas rupture de la ligne (27-30)………...….53

(12)

vi

Liste des tableaux

Tableau VI.1: Résultats des tensions du réseau électrique –cas normale……….…...45 Tableau VI.2: Résultats des tensions du réseau électrique –cas rupture de la

ligne (1-2)………...…..46 Tableau VI.3.a: cas sans compensation.……….…………...………..….47 Tableau VI.3.b: cas avec compensation.…...……….…..……48 Tableau VI.4: cas de l'augmentation de la charge avec :20 ٪ , 100 ٪ :………...……..49 Tableau VI.5: Résultats des tensions du réseau électrique –cas normal:………...…..51 Tableau VI.6: Résultats des tensions du réseau électrique –cas rupture de

la ligne(27-30):……….52 Tableau VI.7.a: cas sans compensation:……...……….…...54 Tableau VI.7.b: cas avec compensation:………..55 Tableau VI.8: cas de l'augmentation de la charge avec :20 ٪ , 100٪:……..….……...56 Tableau VI.9: Résultats du réseau électrique de 9 jeux de barres…...……….…58 Tableau VI.10: Résultats du réseau électrique de 30 jeux de barres……..…………..59

(13)

vii

Symboles et abréviations

Symboles :

F Facteur de puissance P Puissance active Q Puissance réactive S Puissance apparent

ϕ Déphasage entre la puissance apparente et la puissance active (égal au déphasage entre le courant et la tension

I Courant de ligne

𝑰_𝒂 Courant actif

𝑰𝒓 Courant réactive

𝑰_𝒕 Courant apparent (total)

R Résistance série de la ligne

X Réactance série de la ligne

Z L’impédance Série Par Phase

Y L’admittance Shunt Par Phase En (Siemens)

G Conductance shunts de la ligne

B Susceptance shunts de la ligne

𝑽_𝒊 la tension du convertisseur

𝑽_𝟏 Tension d’alimentation

𝑽_𝟐 Tension à la borne de la charge

𝑽_𝒓𝒆𝒇 est la tension de référence dans le SVC

𝑿_𝑪 Condensateur de réactance.

(14)

viii

𝜶 angle d’amorçage

∆𝑽 Chute de tension dans la ligne

𝑽_𝒓 La tension AC au point de connexion

𝑽_𝒊 Tension complexe au nœud i

Abréviations :

THT Très Haute Tension

FACTS Systeme de Transmission en Courant Alternatif Flexible

SVC Compensateur Statique

TCSC Condensateur série controllé par thyristors

TCR Inductance commutée par thyristors

TSC Condensateur commuté par thyristors

STATCOM Compensateur Synchrone Statique

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

TSR Thyristor Switched Reactor

SSSC Statice Synchrones Série Compensateur

UPFC Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer.

pu Grandeur en unité relative (grandeur réduite)

(15)

(16)

1

Introduction générale

L'industrialisation et la croissance de la population sont les premiers facteurs pour lesquels la consommation de l'énergie électrique augmente régulièrement. Ainsi, pour avoir un équilibre entre la production et la consommation, il est à première vue nécessaire d'augmenter le nombre de centrales électriques, de lignes, de transformateurs…. etc., ce qui implique une augmentation de coût et une dégradation du milieu naturel. En conséquence, il est aujourd'hui important d'avoir des réseaux maillés et de travailler proche des limites de stabilité afin de satisfaire ces nouvelles exigences.

Le fournisseur d’énergie électrique s’efforce de garantir la qualité de l’énergie électrique, pour arriver à augmenter la continuité de service, actuellement les critères de qualité ont évolué avec le développement des équipements où l’électronique prend une place prépondérante dans la production et le transport d'un réseau électrique.

Les réseaux maillés, soumis à des boucles de puissance indésirables entre zones interconnectées, subissent des surcharges de lignes, des problèmes de stabilité et de toute manière un accroissement des pertes. Les moyens classiques de contrôle des réseaux (transformateur à prises réglables en charge, transformateurs déphaseurs, compensateurs série ou parallèle commutés par disjoncteurs, modification des consignes de production, changement de topologie du réseau et action sur l'excitation des générateurs) pourraient dans l'avenir s'avérer trop lents et insuffisants pour répondre efficacement aux perturbations du réseau, compte tenu notamment des nouvelles contraintes.

Il faudra vraisemblablement, dans l'avenir, compléter leur action en mettant en œuvre des dispositifs électroniques de puissance à grande vitesse de réponse, récemment développés et connus sous l'appellation FACTS pour le contrôle des réseaux.

Les systèmes FACTS sont des systèmes de contrôle rapide des réseaux utilisant les ressources offertes par l'électronique de puissance et la micro-électronique de commande ont été récemment étudiés et réalisés, et sont actuellement pour certains en application normale.

Le développement récent des dispositifs FACTS ouvre de nouvelles perspectives pour une exploitation plus efficace des réseaux par action continue et rapide sur les différents paramètres du réseau (déphasage, tension, impédance). Ainsi, les transits de puissance seront mieux contrôlés et les tensions mieux tenues, ce qui permettra d'augmenter les marges de stabilité ou de tendre vers les limites thermiques des lignes.

Généralement, le rôle principal des dispositifs FACTS est la compensation de l'énergie électrique à l'intérieur d'un réseau basée sur les trois domaines de recherche suivants :

(17)

2

✓ Le Problème des pertes de puissance, des chutes de tension. ✓ L'optimisation de l'écoulement de puissance (Dispatching). ✓ La stabilité des tensions.

Dans ce projet, on va étudier la modélisation et l’intégration efficace des dispositifs de compensation dynamique (FACTS) pour l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique. atteindre cet objectif de recherche, ce mémoire est organisé en quatre chapitres:

Dans le premier chapitre, nous décrivons d’une façon générale la Puissance réactive et la qualité de tension dans les réseaux électriques. Ainsi que les différentes techniques de contrôle des tensions/puissances réactives.

Le second chapitre, est une présentation générale du compensation de puissance réactive. On dresse tout ,d'abord les techniques de compensation de puissance réactive classiques. Une classification des différents types de FACTS est proposée et les principaux dispositifs de chaque famille sont décrits de façon plus détaillée.

Le troisième chapitre est consacré à l'étude profonde concerne la modélisation et l’application du contrôleur SVC et TCSC dans l'écoulement de puissance et on présente les éléments qui constituent ce dispositif.

Le quatrième chapitre,on a exposé en détails les résultats de test Programme développé sous l' environnement MATLAB (une application du SVC dans les réseaux électriques).

(18)

Chapitre I

Généralité sur la puissance

réactive et la tension dans le

(19)

3

I.1. Introduction :

la généralité sur la puissance réactive et la tension ces vingt dernières années, on parle beaucoup de la qualité de l’énergie électrique (QEE).Cette dernière est supposée excellente a la sortie des centrales, le système de transmission de cette énergie contribue a consolider cette qualité (stabilité d’amplitude et de fréquence, puissance de court-circuit….), alors qu’en pratique elle subit nombreuse altérations au cours de son transport, principalement sous l’influence des installations perturbatrice, de la clientèle ou des incidents fortuits.

La tension subit généralement beaucoup de perturbations de deux origines distinctes : ➢ Les perturbations de tension causées par le passage, dans les réseaux électrique, des

courants perturbateurs comme les courants harmoniques, déséquilibres réactifs. ➢ Les perturbations de tension causées par des tensions perturbatrices comme les

tensions harmoniques et déséquilibrées et les creux de tension [1].

Ces perturbations ont des conséquences néfastes sur le réseau, allons parfois à l’effondrement de ce dernier et mettre en nocturne toute une population. Ce qui oblige tous les acteurs en présence, qu’ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs ou intervenants. Parmi tous ces acteurs le gestionnaire à une responsabilité de mettre en œuvre les moyens pour maîtriser ces contraintes qui s’imposent. Pour ce faire plusieurs solutions d’amélioration de sont a distinguées.

I.2. Tension : [2]

I.2.1. La qualité de la tension :

La qualité d'énergie ou de la tension est le concept d'efficacité de classer les équipements sensibles d'une manière qui convient à l'opération de l'équipement. Pour rappel, la tension possède quatre caractéristiques principales :

1/La fréquence. 2/L’amplitude. 3/La forme d’onde. 4/La symétrie.

I.2.1.1. Amplitude :

L’amplitude de la tension est un facteur crucial pour la qualité de l’électricité. Elle constitue en général le premier engagement contractuel du distributeur d’énergie. Habituellement, l’amplitude de la tension doit être maintenue dans un intervalle de ±10% autour de la valeur nominale.

(20)

4

Dans le cas idéal, les trois tensions ont la même amplitude, qui est une constante. Cependant, plusieurs phénomènes perturbateurs peuvent affecter l’amplitude des tensions. En fonction de la variation de l’amplitude on distingue deux grandes familles de perturbations :

➢ Les creux de tension, coupures et surtensions : Ces perturbations se caractérisent par des variations importantes de l’amplitude. Elles ont pour principale origine des courts-circuits, et peuvent avoir des conséquences importantes pour les équipements électriques.

➢ Les variations de tension : Ces perturbations se caractérisent par des variations de l’amplitude de la tension inférieure à 10% de sa valeur nominale. Elles sont généralement dues à des charges fluctuantes ou des modifications de la configuration du réseau [3].

I.2.1.2. Fréquence :

Dans le cas idéal, les trois tensions sont alternatives et sinusoïdales d’une fréquence constante de 50 HZ ou 60 HZ selon le pays. Des variations de fréquence peuvent être provoquées par des pertes importantes de production, de l’îlotage d’un groupe sur ses auxiliaires ou son passage en réseau séparé, ou d’un défaut dont la chute de tension résultante entraîne une réduction de la charge.

Cependant, ces variations sont en général très faibles (moins de 1%) et ne nuisent pas au bon fonctionnement des équipements électriques ou électroniques. Pour les pays européens dont les réseaux sont interconnectés, la norme EN 50160 précise que la fréquence fondamentale mesurée sur 10s doit se trouver dans l’intervalle 50HZ ±1% pendant 99,5% de l’année, et 6%÷ 4% durant 100% du temps. Il faut également remarquer que les variations de fréquence peuvent être bien plus importantes pour les réseaux autonomes [3].

I.2.1.3. Forme d’onde :

La forme d’onde des trois tensions formant un système triphasé doit être la plus proche possible d’une sinusoïde. En cas de perturbations au niveau de la forme d’onde, la tension n’est plus sinusoïdale et peut en général être considérée comme une onde fondamentale à 50HZ associée à des ondes de fréquences supérieures ou inférieures à 50HZ appelées également harmoniques.

(21)

5

Les tensions peuvent également contenir des signaux permanents mais non-périodiques, alors dénommés bruits [3].

I.2.1.4. Symétrie : [3]

La symétrie d’un système triphasé se caractérise par l’égalité des modules des trois tensions et celle de leurs déphasages relatifs. La dissymétrie de tels systèmes est communément appelé déséquilibre.

I.2.2. Dégradation de la qualité de tension : [2]

Les perturbations dégradants la qualité de tension peuvent résulter de:

a-Défauts dans le réseau électrique ou dans les installations des clients :

➢ Court-circuit dans un poste, une ligne aérienne, un câble souterrain, etc. ➢ Causes atmosphériques (foudre, givre, tempête…).

➢ Matérielles (vieillissement d’isolants…).

➢ Humaines (fausses manœuvres, travaux de tiers…).

b-Installations perturbatrices :

➢ Fours à arc. ➢ Soudeuses.

➢ Variateurs de vitesse.

➢ Toutes applications de l'électronique de puissance, téléviseurs, éclairage fluorescent.

➢ Démarrage ou commutation d’appareils, etc.

Les principaux phénomènes pouvant affecter la qualité de la tension lorsque celle-ci est présente sont brièvement décrits ci-après [4].

I.2.3. Les perturbantes de tension : I.2.3.1. Chutes de tension :

Une chute de tension (dips) est une brève diminution ou bien une disparition complète de la tension. Elle se caractérise par sa durée et par la tension résiduelle, généralement exprimée en pourcentage de la valeur RMS de la tension, au point le plus bas pendant la chute de tension. Lors d'une chute de tension la charge ne reçoit pas toute l'énergie nécessaire à son fonctionnement, ce qui peut bien évidemment avoir de graves conséquences selon le type d'appareil concerné [6].

(22)

6

Lorsque le transit dans une ligne électrique est assez important, la circulation du courant dans la ligne provoque une chute de tension. La tension est alors plus basse en bout de ligne qu’en son origine, et plus la ligne est chargée en transit de puissance, plus la chut e de tension sera importante [5].

Un réseau dans lequel la consommation est éloignée de la production, présentera un profil de tension différent de celui d’un réseau dans lequel la production et la consommation sont uniformément réparties. Chaque centrale impose la tension à sa sortie, et la tension évolue dans le réseau en fonction de la consommation alimentée [5].

C’est pourquoi dans les réseaux maillés THT, la tension est différente suivant l’endroit où l’on se trouve. À la pointe de consommation, la tension est forte aux nœuds du réseau où les centrales débitent, et relativement basse aux points de consommation éloignés des centrales.

I.2.3.2. Creux de tension :

Un creux de tension est une diminution brusque dela tension de fourniture Uf. Cette diminution, située entre 90% et 10% de la tension nominale Un, est suivie du rétablissement de la tension après un court laps de temps. Un creux de tension peut durer de 10 ms à 3 min [7]. La plupart des appareils électriques admettent une coupure totale d’alimentation d’une durée inférieure à 10 ms [5].

Figure I.1: Creux de tension[4].

I.2.3.3. Variation Lente de Tension :

La valeur efficace de la tension varie continuellement, en raison de modifications des charges alimentées par le réseau. Les appareils usuels peuvent supporter sans inconvénients des variations lentes de tension dans une plage d’au moins de ±10% de la tension nominale [8].

(23)

7

I.2.3.4. Variations et fluctuations de tension :

Des variations rapides de tension, répétitives ou aléatoires (figure I.2), sont provoquées par des variations rapides de puissance absorbée ou produite par des installations telles que les soudeuses, fours à arc, éoliennes, etc [2].

Les fluctuations de tension sont une suite de variations de tension ou des variations cycliques ou aléatoires de l’enveloppe d’une tension dont les caractéristiques sont la fréquence de la variation et l’amplitude.

Figure I.2: Exemple de variation rapide de la tension.

Origines des variations et fluctuations de tension :

➢ Les variations lentes de tension sont causées par la variation lente des charges connectées au réseau.

➢ Les fluctuations de tension sont principalement dues à des charges industrielles rapidement variables comme les machines à souder, les fours à arc, les laminoirs.

I.2.3.5. 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 de courants non équilibrés dans les impédances du réseau figure (I.3). Ceci est fréquent pour les réceptrices monophasées basses tensions. Mais cela peut également être engendré, à des tensions plus élevées, par des machines à souder, des fours à arc ou par la traction ferroviaire.

Un système triphasé est déséquilibré lorsque les trois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou ne sont pas déphasées les unes des autres de 120° [2].

(24)

8

Figure I.3: Déséquilibre des tensions triphasées.

I.2.3.6. Variation ou fluctuation de la fréquence :

Les fluctuations de fréquence sont observées le plus souvent sur des réseaux non interconnectés ou des réseaux sur groupe électrogène. Dans des conditions normales d'exploitation, la valeur moyenne de la fréquence fondamentale doit être comprise dans l'intervalle 50 Hz ±1% comme illustré sur la figure (I.4).

Figure I.4: Exemple de fluctuation de la fréquence.

I.3. La Puissance Réactive :

Les réseaux électriques à courant alternatif fournissent de la puissance apparente. Cette puissance se décompose en deux formes:

➢ La puissance active : est la puissance utilisée et transformée en énergie mécanique (travail), chimique, radiante, etc. plus la puissance abandonnée en chaleur (pertes). ➢ La puissance réactive: se transforme en champs magnétiques .Les consommateurs

de la puissance réactive sont : les moteurs asynchrones, les transformateurs, les inductances (ballasts de tubes fluorescents) et les convertisseurs statiques (redresseurs) [4].

(25)

9

Le transport de la puissance réactive à longue distance présente une série d’inconvénients tels que les chutes de tension considérables, les pertes de ligne par effet joule et moins de capacité pour transporter la puissance active [5].

À l'exception de ces aspects purement statiques, la puissance réactive peut jouer un grand rôle dans d’autres aspects dynamiques, tels-que les fluctuations de tension produites par les variations soudaines des charges, et le phénomène flicker.

Afin de garantir une bonne qualité d’énergie il est nécessaire de satisfaire l’équilibre offre demande de l’énergie réactive, de fournir une tension aussi régulière que possible et de respecter un certain nombre de contraintes techniques.

Actuellement, avec la complexité des réseaux, la participation des générateurs dans la production de l’énergie réactive est devenue insuffisante. Elle est générée en grande partie par les moyens de compensation existants [5].

Figure I.5: Principe de la puissance active et réactive [9].

I.3.1. Importance de la puissance réactive :

L’énergie réactive est un facteur très important qui influe sur la stabilité et l’équilibre du réseau électrique, ainsi que son fonctionnement. Les effets secondaires de ce facteur résument dans les points suivants :

➢ La chute de tension dans les lignes et les postes de transformation.

➢ Les pertes supplémentaires actives dans les lignes, les transformateurs et les générateurs.

➢ Les variations de tension du réseau sont étroitement liées à la fluctuation de la puissance réactive dans le système de production [10].

I.3.2. Facteur de puissance : [10]

C’est le quotient de la puissance active consommée et de la puissance apparente fournie.

𝐹 =

P(𝑊)

(26)

10

Le cos 𝜑 est le facteur de puissance qui est fondamental et ne prend pas en compte la puissance véhiculée par les harmoniques.

➢ Un facteur de puissance cos 𝜃 ≈ 1 indique une faible consommation d’énergie réactive et optimise le fonctionnement d’une installation. Il permet d'identifier facilement les appareils plus ou moins consommateur de puissance réactive.

➢ Un facteur de puissance cos 𝜃 = 1 ne conduira à aucune consommation de la puissance réactive (résistive pure).

➢ Un facteur de puissance cos 𝜃 < 1 conduira à consommation de la puissance réactive d'autant plus importante qu'il se rapproche de (0) (inductive pure).

Dans une installation électrique, le facteur de puissance pourra être différent d'un atelier à un autre, selon les appareils installés et la manière dont ils sont utilisés (fonctionnement à vide, pleine charge).

I.3.3. Bilan de la puissance réactive :

Le bilan de puissance réactive du réseau s'écrit :

∑Q12=∑Q34+ générations ou consommations réactives du réseau (I-2) Q12 : Puissance réactive générée.

Q34 : Puissance réactive consommée.

La somme des puissances réactives injectées ou absorbées par les générateurs est égale à la somme des puissances réactives consommées/produites par les charges augmentées de la somme des consommations/productions réactives du réseau (réactance des lignes, des câbles, transformateurs, banc de condensateurs etc.).

L’ordre de grandeur des consommations/productions réactives du réseau est très variable et peut être relativement élevé.

Le problème qui survient à ce niveau est qu’il n'est pas possible de prédire les termes qui viennent du réseau de manière directe. En effet, ceux-ci dépendent des niveaux réels de tension et de la répartition du transit de puissance dans les lignes et les transformateurs. Or, c’est précisément ce transit que nous cherchons à déterminer [11].

I.3.4. Tangente : [10]

Certaines facteurs d’électricité (abonnés tarif vert) indiquent la valeur de tg𝜑 qui correspond à l’énergie réactive que le distributeur doit fournir une puissance active donnée.

𝑡𝑎𝑛 𝜑 =

é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑟é𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒_{é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 active}

=

𝑄(𝑉𝐴𝑅)

(27)

11

I.3.5. Composantes active et réactive du courant :

A chacune de ces énergies active et réactive correspond un courant. ➢ Le courant actif (𝐼_𝑎) : est en phase avec la tension du réseau.

➢ Le courant réactif (𝐼_𝑟) : est déphasé de 90° par rapport au courant actif, en arrière(récepteur inductif) ou en avant (récepteur capacitif).

➢ Le courant apparent (𝐼_𝑡) (total) : est le courant résultant qui parcourt le câble électrique depuis la source jusqu’au récepteur. Ce courant est déphasé d’un angle φ par rapport au courant actif (ou par rapport à la tension).

_𝑡∗

. sin ϕ

(I-6)

Dans le cas d’absence d’harmoniques cos ϕ est égal au facteur de puissance [12].

I.4. Transport de la puissance active et réactive :

Quand un régime permanent de circulation d'énergie est établi dans un réseau électrique. On peut écrire les équations reliant les puissances actives et réactives 𝑄_𝑖 injectées ou soutirées en chaque sommet i et les tensions en modules |V| et phases 𝜑. La détermination des tensions et courants sur une ligne électrique peut être effectuée en utilisant la notation complexe. [10]. En schématisant chaque liaison (du sommet i au sommet k) par un π symétrique tel que (i=1, k=2).

(28)

12

Figure I.7: Circuit équivalent en π d'une ligne électrique.

Les lignes sont normalement spécifiées par :

➢ Une impédance série : 𝑍 = (𝑅 + 𝑗𝑋) 𝛀/Km. (I-7) ➢ Une admittance shunt : 𝑌 = (𝐺 + 𝑗𝐵) 𝛍mhos/Km. (I-8) En pratique G est extrêmement petit (G=0) et par conséquent jB = j cw ou B représente la suspectante shunt 𝛍mhos/Km.

Il y a de plus un bilan de conservation, aux pertes prés, sur ∑ 𝑃𝑖et ∑ 𝑄𝑖ce bilan peut

être assuré par un sommet quelconque (ou l'on peut aussi fixer𝜃 = 0) [10].

I.4.1. Impédances séries :

Figure I.8: Impédance série d’une ligne électrique.

Les pertes dans les impédances série sont donnés par :

𝑆 = 𝑉. 𝐼

∗ (I-9)

𝑉 = 𝑍. 𝐼

C’est-à-dire que

𝑆 = 𝑍𝐼. 𝐼

∗

= 𝑍(𝐼

_𝑟

+ 𝑗𝐼

_𝑖

)

(I-10)

𝑆 = 𝑃 + 𝑗𝑄 = 𝑍(𝐼

_𝑟2

+ 𝐼

_𝑖2

) = 𝑍|𝐼|

2 (I-11)

Avec :

𝑃 = 𝑅. |𝐼|

2

et 𝑄 = 𝑋. |𝐼|

2 Si: 𝑅 = 0 alors 𝑃 = 0,

(29)

13

I.4.2. Susceptance shunt :

Figure I.9: Susceptance shunt d'une ligne électrique.

En complexe la tension 𝑉̅ peut s'écrire :

𝑉 = 𝑉

_𝑟

+ 𝑗𝑉

_𝑖 (I-12)

𝐼 = 𝑗𝐵. 𝑉 = 𝑗𝐵(𝑉

_𝑟

+ 𝑗𝑉

_𝑖

) = −𝐵. 𝑉

_𝑖

+ 𝑗𝐵. 𝑉

2

En d’autres termes la puissance réactive Q est délivrée par la Susceptance de la ligne.

I .5. Contrôles dans le problème tension et puissance réactive :

Un système est dit bien conçu s'il peut délivrer une énergie d'alimentation fiable et de bonne qualité par bonne qualité on entend un niveau de tension dans des limites acceptables. Chaque fois que le niveau de tension en un point du système est soumis à des variations cela est dû à un déséquilibre entre la puissance fournie et consommée.

En effet quand une charge est alimentée à travers une ligne de transmission dont la tension de départ est constante, la tension de la charge dépend de l'amplitude de la charge et du facteur de puissance de la charge. La variation de tension en un nœud est un indicateur de déséquilibre entre la puissance réactive délivrée et celle consommée cependant une importation de la puissance réactive donne une augmentation des pertes de puissances et de la chute de tension à travers l'impédance d’alimentation [10].

(30)

14

a) Chute de tension sur une ligne :

Figure I.10: Circuit équivalent du réseau électrique.

Afin d'illustrer les relations entre la puissance réactive et la chute de tension, considérons le circuit équivalent ci-dessous. La chute de tension due au courant I dans l'impédance.

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 et ∆𝑉 = 𝑍𝐼 = 𝑉

₁

− 𝑉

₂ (I–17) Si nous traçons le diagramme vectoriel de ce circuit.

Figure I.11: Diagramme vectoriel associé au circuit précédent.

𝑉₂étant pris comme référence

𝑆𝐷 = 𝑉

₂

𝐼

∗

= 𝑃

_𝐷

+ 𝑗𝑄

_𝐷 (I–18)

𝐼 = 𝑃

_𝐷

− 𝑗𝑄

_𝐷

⁄

𝑉

₂ (I–19)

∆𝑉 = 𝑍𝐼 = (𝑅 + 𝑗𝑋). (𝑃

_𝐷

− 𝑗𝑄

_𝐷

_𝑋

(I–22) C'est-à-dire que la chute de tension a une composante ∆𝑉_𝑅en phase avec V2 et une

composante ∆VX en quadrature avec V2.

Il est clair que la chute de tension dépend simultanément de la puissance active et réactive de la charge [10].

(31)

𝑉2 (I–27)

Donc la cause de la chute de tension à travers une impédance est due principalement au courant réactif passant dans cette impédance, ou en d’autres termes elle est due à la variation de la puissance réactive. Pour maintenir 𝑉2 constante si la courant I change, il faut varier la puissance réactive au point de raccordement de la charge.

b) Contrôle de la tension : [10]

La chute de tension sur un élément de réseau s'exprime par L'équation (I–27) L'examen de cette équation montre que pour maintenir 𝑉₂constante au niveau du consommateur. On dispose de plusieurs solutions à savoir :

➢ Augmentation de la tension de départ 𝑉₁.

➢ Diminution de la réactance de la ligne par insertion de réactance capacitive.

➢ Fourniture de la puissance réactive au niveau des usagers (compensation de la puissance réactive).

Cette compensation peut être obtenu soit par : ➢ la connexion de capacité shunts.

➢ la connexion de compensateur synchrone.

➢ la connexion de réactance shunt (pour les faibles charges, ou charges capacitives) [10].

I.6. Compensation de la puissance réactive :

Le bilan global de la puissance réactive produite et consommée dans l'ensemble du système électrique doit être équilibré. Toutefois, l'équilibre local n’est pas naturel. Il en résulte des transits de la puissance réactive. Or, ces transits provoquent des chutes de

(32)

16

tension et des pertes. Il faut, donc, éviter ces transits par la production de la puissance réactive, autant que possible, à l'endroit où elle est consommée.

Les variations de tension du réseau sont étroitement liées aux fluctuations de la puissance réactive dans le système de production et de transport. Ceci tient au fait que la puissance réactive intervient de manière importante dans l'expression de la chute de tension.

L’analyse des variations de la demande de la puissance réactive montre que le problème de l’adaptation offre-demande présente deux aspects qui nécessitent l’emploi de dispositifs aux caractéristiques très différentes [5]:

➢ le premier consiste à suivre les fluctuations périodiques. Celles-ci sont connues, tout au moins pour les charges dans une large mesure prévisible. Une grande part de l’ajustement peut donc être réalisée à l’aide de moyen dont l’action est discontinue et le temps de réponse relativement long. Cette catégorie comprend les batteries de condensateurs et les inductances installées sur les réseaux.

➢ le second consiste à faire face aux variations brusques et aléatoires. Ceci nécessite la mise en œuvre de moyens dont le temps de réponse est très court. Cette catégorie comprend les groupes de production ainsi que les compensateurs synchrones et les compensateurs statiques.

I.7. Conclusion :

Ce chapitre a traité les différents phénomènes perturbateurs qui influents sur la qualité de tension, ainsi les différents moyens de compensation conventionnelle de la puissance réactive.

Cela nous persuade que le contrôle de tension et l’optimisation de la puissance réactive est un objectif important pour maintenir un profil adéquat dans les réseaux électriques. D’autre part il doit maintenir des réserves de puissance réactive dans les différentes zones du système pour faire face aux incidents de tension.

S’actuellement il existe une méthode moderne et sophistiqué pour le contrôle de tension et pour optimiser la puissance réactive dans les réseaux électriques. Cette méthode utilise les Dispositifs FACTS (basées sur l’électronique de puissance) qu’ils seront traités en détail dans le prochain chapitre.

(33)

Chapitre II

Compensation dynamique de la

puissance réactive FACTS

(34)

17

II.1. Introduction :

Avec le développement technologique et industriel que vie le monde entier la demande en énergie électrique est en augmentation continue et sans cesse. Pour satisfaire ces besoins et acheminer cette énergie aux points de consommation dispersés sur un large espace géographique; les réseaux électriques, ayant des capacités de transit limité à cause des limites thermique des lignes, doivent s'élargir et de nouvelles lignes d'extension seront ajoutées. Face à ce problème et devant les contraintes environnementale, écologique et économique de reconstructions de nouvelles lignes, la compagnie américaine EPRI (Electric Power Research Institue) a lancé, en 1988, un projet d’étude des systèmes FACTS afin de mieux maîtriser le transit de puissance dans les lignes électriques et d'augmenter leurs capacités de transfert. Le concept FACTS regroupe tous les dispositifs à base d’électronique de puissance qui permettent d’améliorer l’exploitation du réseau électrique.

Aussi ces réseaux électriques de taille importantes seront confrontés par divers problèmes de fonctionnement à cause du contrôle traditionnel utilisant des systèmes de commande électromécaniques de temps de réponse lent par rapport à ces nouveaux systèmes FACTS à base d'interrupteurs statiques et de court temps de réponse (moins d'une seconde). Aujourd'hui cette technologie "FACTS" s'impose pour les systèmes énergétiques en augmentant leurs capacités de transport, en améliorant le contrôle des paramètres de ces derniers donc leur assurer une flexibilité du transfert de l'énergie et améliorer sa stabilité.

Le concept FACTS (Flexible AC Transmission System) est né pour répondre aux différentes difficultés croissantes de transmission dans les réseaux et surtout la maîtrise de transit de puissance (compensateur de puissance réactive, variateur de charge universel,…) ces dispositifs peuvent améliorer le comportement dynamique des réseaux électriques [13].

II.2. Compensateurs statiques de puissance réactive :

Les compensateurs statiques de puissance réactive , ou FACTS (de l’anglais Flexible Alternative Current Transmission System) sont des dispositifs plus récents qui associent des bancs de condensateurs et de bobines à des convertisseurs d’électronique de puissance permettant de régler la puissance réactive délivrée et ainsi la tension du nœud de connexion. Ces appareils ont un temps de réponse très court, de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes.

II.3. Définition des FACTS :

les systèmes de dispositifs FACTS sont employés pour le contrôle dynamique de tension, impédance et angle de phase de tension afin d’ améliorer le comportement dynamique des

(35)

18

réseaux ainsi que la répartition et l'écoulement des puissance dans les réseaux. Selon IEEE, les FACTS, sont définis comme suit:

Ce sont des systèmes à courant alternatif incorporant des éléments d’électronique de puissance et d’autres contrôleurs statiques pour l’amélioration de la contrôlabilité et la capacité du transit de la puissance [14].

II.4. Les différents types des systèmes FACTS :

La technologie FACTS n'est pas limitée par un seul dispositif mais elle regroupe une collection de dispositifs à base de l'électronique de puissance implantés dans les réseaux électriques afin de mieux contrôler le flux de puissance et augmenter la capacité de transit de leurs lignes. Par action de contrôle rapide de ces systèmes sur l'ensemble de paramètres du réseau: tension, impédance, déphasage …etc. ils permettent d'améliorer les marges de stabilité et assurer une meilleure flexibilité du transfert d'énergie. La figure II.1 représente la classification des dispositifs de compensation FACTS [15].

Figure II.12: différentes catégories des dispositifs de contrôle des réseaux électriques.

Dispositif FACTS (Rqpide ,statique) Commande conventionnelle (Electromecanique) A base de convertisseur de tension A base de thyristor R,L,C, Transfomateur Dispositif shunt Compensateur Statique synchrone STATCOM Compensateur de puissance reactive Statique(SVC) Compensateur ( L,C )Shunt Dispositif Série Compensateur ( L,C ) Série Compensateur Série controlé par thyristor

(TCSC) Compensateur Série Statique synchrone SSSC Dispositif Série,shunt Transfomateur déphaseur Controleur dynamique de flux de puissance (DFC) Controleur universel de flux de puissance UPFC

(36)

19

II.4.1. Classification des dispositifs FACTS :

Depuis les premiers compensateurs, trois générations de dispositifs FACTS ont vu le jour. Elles se distinguent par la technologie des semi-conducteurs et des éléments de puissance utilisés.

a- Première génération : est basée sur les thyristors classiques. Ceux-ci sont généralement

utilisés pour enclencher ou déclencher les composants afin de fournir ou absorber de la puissance réactive dans les transformateurs de réglage.

b- Deuxième génération : dite avancée, est née avec l'avènement des semi-conducteurs de

puissance commanda les à la fermeture et à l'ouverture, comme le thyristor GTO. Ces éléments sont assemblés pour former les convertisseurs de tension ou de courant afin d'injecter des tensions contrôlables dans le réseau.

c- Troisième génération : (FACTS) utilisant des composants hybrides et qui est adaptée à

chaque cas. Contrairement aux deux premières générations, celle-ci n'utilise pas de dispositifs auxiliaires encombrants tels que des transformateurs pour le couplage avec le réseau.

Les dispositifs FACTS peuvent être classés en trois catégories figure (II.13)

Figure II.13: Classification des dispositifs FACTS selon la catégorie.

II.4.1.1. Brève description et définitions des dispositifs FACTS :

Le but de cette section est de donner une description brève et de définir différent shunt, série et combinés série-shunt dispositifs FACTS, nous allons utiliser les termes et les définitions d’IEEE [18]. Dispositifs FACTS Condensateur Série Compensateur Shunt Compensateurs hybrides

(37)

20

a) Dispositifs FACTS Shunt :

❖ Compensateur statique de puissance réactive (Static Var Compensator- SVC) Un générateur (ou absorbeur) statique d’énergie réactive, shunt, dont la sortie est ajustée en courant capacitif ou inductif afin de contrôler des paramètres spécifiques du réseau électrique, typiquement la tension des nœuds. Les sous-ensembles du SVC sont:

✓ Inductance Controlée par Thyristors ( Thyristor Controlled Reactor-TCR). ✓ Condensateur Commuté par Thyristors ( Thyristor-Switched Capacitor- TSC). ✓ nductance Commutée par Thyristors (Thyristor-Switched Reactor-TSR).

b) Dispositifs FACTS séries :

La compensation série peut être utilisée dans les systèmes énergétiques pour la commande du flux d’énergie en régime permanent. En cas de lignes de transport avec une capacité thermique suffisante, la compensation peut soulager des surcharges éventuelles sur d’autres lignes parallèles.

❖ Condensateur Série Contrôlé par Thyristors ( Thyristor Controlled Series

Capacitor- TCSC)

Un compensateur à réactance capacitif qui consiste en une série de condensateurs en parallèle avec des inductances commandées par thyristor afin de pouvoir assurer une variation homogène de la réactance capacitive.

c) Compensateurs hybrides (série-série et shunt-série) : [17]

C'est une combinaison des dispositifs séries et shunts commandée d'une manière coordonnée afin d'accomplir un contrôle prédéfini. Ils sont donc capables d'agir sur les trois paramètres (tension, impédance et angle de déphasage) qui permettent de contrôler le transit de puissance sur une ligne de transport.

Un des compensateurs hybrides les plus connus sont les :

➢ UPFC : Contrôleur universel de flux de puissance, (Unified Power Flow Controller). ➢ TCPAR ( Thyristor Controlled Phase Angle Regulator ).

Parmi les équipements FACTS, ceux qui ont des applications spécifiques tel le maintien de la tension et le contrôle de l’écoulement de puissance : le SVC étant le plus efficace dans le maintien de la tension et le TCSC est le meilleur choix pour un contrôle approprié du transit de puissance et par suite la réduction des pertes actives dans le réseau [23].

De ce fait, nous avons opté, dans la suite de notre travail, pour L’utilisation combinée du SVC et du TCSC en vue d’assurer de meilleures performances dynamiques du système avec plus de rentabilité et d’efficacité [23].

(38)

21

II.5. Modes de fonctionnement du SVC et TCSC :

II.5.1. Mode de fonctionnement du SVC :

Les régimes de fonctionnement du SVC [19] :

a- Mode de déviation: Les thyristors sont en pleine conduction. Le circuit est alors la mise en

parallèle de l'inductance et de la capacité.

b- Mode inductif poussé: Lorsque l’angle d’amorçage α est inférieur à la valeur de résonance le

circuit agit comme une inductance.

c- Mode capacitif poussé: Quand l’angle d’amorçage est au-delà de l’angle de résonance, le

circuit se comporte comme une capacité.

d-Mode bloqué: Les thyristors sont bloqués et seule la capacité contribue dans la réactance du

circuit. absorbée par le dispositif.

Il existe plusieurs dispositions de SVC illustrés par les figures (II.14), (II.15), (II.16) et (II.17).

Figure II.14: Structure d’un TCR-FC. Figure II.15: Structure d’un TCR-TSC.

(39)

22

II.5.2. Mode de fonctionnement du TCSC : [20] II.5.2.1. Mode de blocage :

Lorsque la valve à thyristor n’est pas enclenchée et que les thyristors restent à l’état non passant, le TCSC travaille en mode de blocage, le courant IL de la ligne passe alors uniquement à travers le banc de condensateurs, ainsi:

𝑉̅

_𝐶

= 𝑗𝑋

_𝐶

. 𝐼̅

_𝐿

Dans ce mode, le TCSC fonctionne comme condensateur série fixe avec un facteur de survoltage égal à 1.

II.5.2.2. Mode by-pass :

Si la valve à thyristor est commandée en permanence, elle reste constamment à l’état passant et le TCSC se comporte comme la connexion parallèle d’un banc de condensateurs série et de réactance de la branche de la valve à thyristors.

Dans ce mode, la tension du condensateur pour un courant de ligne donné est beaucoup plus faible qu’en mode de blocage.

Figure II.18: Module et phase de l’impédance du TCSC.

II.6. Rôle des dispositifs FACTS :

Le développement des dispositifs FACTS est essentiellement dû aux progrès réalisés dans le domaine des semi-conducteurs de puissance et plus particulièrement des éléments command ables tels le thyristor et le thyristor GTO.

Dans les dispositifs FACTS, les interrupteurs électroniques disposent de vitesses de commande très élevées etne rencontrent pas les problèmes d’usure de leurs prédécesseurs. De ce fait, les FACTS possèdent une très grande fiabilité et une flexibilité pratiquement sans limite. Dans un réseau électrique, les FACTS permettent de remplir des fonctions tant, en régime stationnaire qu’en régime transitoire. Ils agissent généralement en absorbant ou en fournissant de

(40)

23

la puissance réactive, en contrôlant l’impédance des lignes ou en modifiant les angles des tensions. En régime permanent, les FACTS sont utilisés principalement dans les deux contextes suivants:

➢ Le maintien de la tension à un niveau acceptable en fournissant de la puissance réactive lorsque la charge est élevée et que la tension est trop basse, alors qu’à l’inverse ils en absorbent si la tension est trop élevée.

➢ Le contrôle des transits de puissances de manière à réduire voire supprimer les surcharges dans les lignes ou les transformateurs ainsi que pour éviter les flux de bouclage dans le réseau. Ils agissent alors en contrôlant la réactance des lignes et en ajustant les déphasages [21].

De par leur vitesse de commande élevée, les FACTS possèdent de nombreuses qualités en régime dynamique. Ils permettent en particulier:

➢ D’accroître la réserve destabilité transitoire. ➢ D’amortir les oscillations de puissance .

➢ De supporter de manière dynamique; la tension [21].

II.7. Les avantages, les inconvénients et les contraintes de la technologie des

dispositifs FACTS : [7]

a. Les avantages des dispositifs FACTS :

➢ Contrôle le transit de la puissance active.

➢ Augmente la sécurité des systèmes énergétiques (augmentation de la limite de la stabilité transitoire, amortissement des oscillations …).

➢ Réduit le transit de l’énergie réactive.

➢ Optimise les puissances générées, donc réduit le coût de production de l’énergie. ➢ Agir comme filtre actif.

➢ Améliorée l’interconnexion et l’échange énergétique.

b. Les inconvénients :

L’introduction des harmoniques du réseau électrique ce qui le rend pollué, c'est-à- dire le signal sera tendu et non sinusoïdale. Il rend le réseau vulnérable à la surtension dûe aux commutations répétitives.

(41)

24

II.8. Conclusion :

Dans ce chapitre, Nous avons vu l’objectif de l’analyse de l’écoulement de puissance ainsi que les méthodes de résolution de ce problème puis on a vu l’importance de la compensation de puissance réactive ainsi que leurs dispositifs.

Nous avons aussi présenté un aperçu global sur les nouveaux dispositifs de contrôle et de commande des réseaux électriques appelés FACTS comme le SVC, STATCOM et TCSC. Ces systèmes améliorent le transit de puissance dans les lignes et la stabilité du réseau. Grace à la grande rapidité de réaction des contrôler d’électronique constituants les FACTS, ces dernier sont caractérises par une grande fiabilité.

(42)

Chapitre III

Modélisation des dispositifs

FACTS (SVC, TCSC )

(43)

25

III.1. Introduction :

Après avoir nous avons une présentation générale du concept « FACTS ». Une classification des différents types est proposée et les principaux dispositifs de chaque famille sont décrits, et présente aussi les différentes structures de FACTS (shunt, hybride et série) [24].

Pour pouvoir observer l’impact de . dispositif FACTS (TCSC) et (SVC) dans un réseau électrique, il est nécessaire de le représenté par de modèle mathématique approprié. Le modèle mathématique des convertisseurs de tension pour les différentes connexions dans un réseau électriques, série ou parallèle [17].

Nous présentons la modélisation générale des deux dispositifs FACTS tels que le compensateur SVC et le compensateur TCSC.

III.2. Caractéristique d'un compensateur statique (SVC) :

III.2.1. Caractéristique en V d’un compensateur statique : [25]

Ajustons l’angle α des thyristors commandant la branche inductive à 90° , de façon à obtenir la pleine conduction. Le courant es al ors à sa valeur maximal, la droite L//C (figure(III.19)) montre la relation entre la tension U et le courant 𝐼_𝑆𝑉𝐶.

𝐼

_𝑆𝑉𝐶

=

𝑈 𝑋𝐿//𝑋𝐶

(𝐴)

(III-28)

Q =

U2 XL

−

U2 XC

(var)

(III-29)

Lorsque l’inductance est débranchée alors l’angle de thyristors est 180° et que l e condensateur est en service, le courant total par phase sous une tension U est égale U

X_C.

La coutume est d’apposer un signe (-) à ce courant capacitif pour le distinguer du courant inductif . La relation entre l e courant et la tension est al ors une nouvelle droite, désignée C figure (III.19).

𝐼

_𝑆𝑉𝐶

=

𝑈 𝑋_𝐶

(III-30)

𝑄 = −

𝑈2 𝑋𝐶

(III-31) Les droites L//C et C forment ensemble une ‹‹ courbe en V ›› qui correspond aux limites inductive et capacitive du compensateur statique. Cette figure pour.

(44)

26

Figure III.19: la caractéristique en V d’un SVC.

D’aprè cette courbe, on a un courant capacitif lorsque le condensat eur est en servi ce et l’inductance est débranchée donc le montage génère une puissance réactive et cette puissance est en f onction de la capacité du condensateur et de l a tension. Lorsque les deux sont en service le montage génère ou consomme une puissance réactive [25].

III.2.2. Caractéristique 𝑸𝑺𝑽𝑪(I) d’un SVC :

Pour fixer le signe de la puissance réactive Q . Le compensateur est considéré comme un consommateur. La puissance réactive Q est positive lorsqu’elle est absorbe par le compensateur (comportement inductif). Si par contre le compensateur fournit de la puissance réactive (comportement capacitif ), cette dernier est considérée comme étant négative, aussi bi en une courant I . Ces relations sont prises en compte sur la figure(III.20). Par conséquent, suivant les exigences imposées par les consommateurs et l es lignes de transmission dans une sous-station, la puissance réactive Q doit varie entre une certaine valeur inductive 𝑄_𝐿 et une certaine valeur capacitive 𝑄_𝐶avec.

𝑄

_𝐶

=

𝑈2

𝑋𝐶

(III-32)

(45)

27

III.3. Modélisation des compensateurs statiques : [26],[27]

III.3.1. Introduction :

Les modèles de SVC l es plus courants sont des modèles statiques, car conçus pour des logiciels de répartition de charges [28]. Lesquels sont destinés à des études statiques de réseau. Ils sont constitués d’éléments de réseaux réactances, susceptance, nœuds, etc…

Le modèle statique est constitué d’une susceptance 𝐵_𝑒 reliée entre le nœud de charge et le potentiel nul. La susceptance est définie comme la partie imaginaire de l’admittance.

III.3.2. Modélisation de SVC :

Figure III.21: Présentation d’un compensateur SVC.

𝑽𝑲: est la tension du réseau où est connecté le SVC.

𝑩_𝒆: ce la susceptance.

𝑽_𝒓𝒆𝒇: est la tension de référence dans le SVC. 𝑰_𝑺𝑽𝑪: est le courant dans le SVC.

III.3.3. Modèle du compensateur shunt SVC :

_𝑆𝐿

𝐼

(III-34)

(46)

28

Et

𝑋

_𝑆𝐿

= {±5% où ± 2%}

de la valeur de 𝑉_𝑟𝑒𝑓 [29].

III.3.3.1. Les équations de SVC :

Les équations qui décrits le comportement du SVC dans le réseau sont :

𝑉

_𝐼

− 𝑉

_𝑅𝐸𝐹

+ 𝑋

_𝑆𝐿

𝑉

_𝐾

𝐵

_𝑒

= 0

(III-35)

𝑄

_𝑆𝑉𝐶

− 𝑉

_𝐾2

𝐵

_𝑒

= 0

(III-36)

𝜋𝑋

_𝐶

𝑋

_𝐿

𝐵

_𝑒

+ sin 2𝛼 + 𝜋 (2 −

𝑋𝐿

𝑋𝐶

) = 0

(III-37)

Figure III.22: Représentation du circuit de base pour le compensateur SVC.

Avec α représente la variation de l’angle d’amorçage des thyristors : α compris entre [90°et 180°].

La réactance contrôler par les thyristors est en fonction de a 𝑋_𝐿𝑋_𝐶, α. On peut tracer la courbe de.

𝐵

_𝑒

= 𝑓(𝛼), si 𝑋

_𝐶

= 1(𝑝𝑢) , 𝑋

_𝐿