Le contrôle de la tension en utilisant un transformateur de puissance

Les flux de puissance qui en résultent sont donnés par :

V

1.2.1.3. Le contrôle de la différence d'angle de phase en utilisant un transformateur déphaseur

Figure 1-4 : Contrôle d’angle par un transformateur déphaseur.

La puissance active P transitée entre deux réseaux de tensions respectives

V et V présentant un angle de transport φ(déphasage entre V et V ), faire varier cet angle permet donc de faire varier la puissance .cette angle connectés par une liaison d’impédance est connecté par la formule suivent :

V V

sin φ 1, φ

1.2.1.4. Le contrôle de la tension en utilisant un transformateur de puissance

^Figure 1-5 : Contrôle de tension par un transformateur de puissance.

Le flux d'énergie qui en résultent sont donnés par:

T V

Donc

T φ ( 1-7)

T (1 φ) ( 1-8)

1.2.1.5. Compensation sérié avancée

Jusqu’à maintenant la compensation série avancée, basée sur le compensateur série à thyristors, n’a été utilisée que de façon expérimentale.

1.2.1.5.1. Compensateurs séries à base de thyristors i. TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) ii. TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor) iii. TCSR(Thyristor Controlled Series Reactor) iv. TSSR(Thyristor Switched Series Reactor)

1.2.1.5.2. Compensateurs séries à base de GTO thyristors « SSSC »

Ce type de compensateur série (Compensateur Synchrone Statique Série) est le plus important dispositif de cette famille. Il est constitué d'un onduleur triphasé couplé en série avec la ligne électrique à l'aide d'un transformateur.

Son rôle est d'introduire une tension triphasée, à la fréquence du réseau, en série avec la ligne de transport. Cette tension est en quadrature avec le courant de ligne.

Nous pouvons, dans ce cas, régler continuellement la valeur apparente de la capacité ou de l'inductance ainsi introduite dans la ligne. L'avantage de ce compensateur est de ne pas introduire physiquement un condensateur ou une inductance, mais de simuler leurs fonctions. Cela évite l'apparition des oscillations dues à la résonance avec les éléments inductifs du réseau.

Chapitre 1 : État de l'art

Figure 1-6 : Schéma de base du SSSC 1.2.2. Compensateur shunt

1.2.2.1. Principes de compensation shunt

Figure 1-7 : Principe de la compensation shunt

La figure montre les principes théoriques et les effets de la compensation de puissance réactive dans un système de base à courant alternatif, qui comporte une source V , une ligne de transport, et une charge inductive typique. Si la puissance réactive est fournie à proximité de la charge, le courant de ligne est réduit au minimum, ce qui réduit les pertes d'énergie et l'amélioration de la régulation de tension aux bornes de la charge. Cela peut être fait avec un condensateur, avec une source de tension, ou avec une source de courant. Dans le dispositif shunt le courant-source est utilisé pour compenser le composant réactif du courant de charge. En conséquence, la régulation de tension de système est améliorée et le composant courant réactif de la source est presque éliminé. Une source courant ou une source de tension peut être employée pour la compensation réactive de shunt.

δ

1.2.2.2. Compensation parallèle avancée

1.2.2.2.1. Compensateurs parallèle à base de thyristors i. TCR (Thyristor Contrôled Réactor)

Le TCR ou RCT : (Réactances Commandées par Thyristors), est une inductance branchée en série avec une valve à thyristors bidirectionnelles. La valeur de l’inductance est continuellement changée par l'amorçage des thyristors. TCR est composé d’une impédance placée en série avec deux thyristors montés en antiparallèle, comme le montre la figure :

Figure 1-8 : Schéma équivalent d’un TCR ii. TSC (Thyristor Switched Capacitor)

Le TSC ou CCT : (Condensateurs Commandés par Thyristor), un TSC comprend un condensateur branché en série avec une valve à thyristors bidirectionnelle et une inductance d’atténuation. La fonction principale de commutateur à thyristors consiste à enclencher et à déclencher le condensateur pour un nombre entier de demi-cycle de la tension appliquée.

Figure 1-9 : Schéma équivalent d’un TCR

Chapitre 1 : État de l'art

iii. Le contrôle de la tension en utilisant un compensateur statique (SVC)

Un SVC est une impédance continument ajustable capacitive à inductive qui peut rapidement répondre à des modifications du réseau pour contre balancer les variations de charge active ou les conséquences d’un défaut.

Les SVC sont des dispositifs de compensation parallèle connectés en des points précis du système de transmission, Leur topologie est basée sur des convertisseurs de courant

Figure 1-10 : schéma de base d’un SVC

1.2.2.2.2. Compensateurs parallèles à base de GTO thyristors« STATCOM »

Le STATCOM est une technologie plus récente basée sur l’utilisation de thyristors de type GTO ou transistors de type IGBT qui permettent un fonctionnement en source de tension (VSC : voltage source convertir). Ces composants d’électronique de puissance peuvent être commandés à l’ouverture et à la fermeture. Contrairement ou thyristors

«classiques », qui fonctionnent avec une commande pleine onde, ils acceptent des signaux de fréquence plus élevée (de l’ordre du KHz pour les IGBT). Le STATCOM peut contrôler l’écoulement de puissance active, réguler la tension, et augmenter la stabilité dynamique du système de transmission, en contrôlant l’injection de la puissance réactive dans son nœud de connexion. Le rôle de ce compensateur statique est d’échanger de l’énergie réactive avec le réseau.

Figure 1-11 : schéma de base d’un STATCOM.

1.2.3. Hybride Compensation

1.2.3.1. Compensateurs hybrides à base de thyristors « TCPAR »

C'est un transformateur déphaseur à base de thyristors. Ce dispositif a été créé pour remplacer les déphaseurs à transformateurs à régleur en charge (LTC ; Load Tap Changer) qui sont commandés mécaniquement. Il est constitué de deux transformateurs, l’un est branché en série avec la ligne et l’autre en parallèle. Ce dernier possède différents rapports de transformation (n1, n2, n3). Ces deux transformateurs sont reliés par l’intermédiaire des thyristors. Son principe de fonctionnement est d’injecter, sur les trois phases de la ligne de transmission, une tension en quadrature avec la tension à déphaser. Il a l’avantage de ne pas générer d’harmoniques car les thyristors sont commandés en interrupteurs en pleine conduction. ar contre comme le déphasage n’a pas une variation continue, il est nécessaire d’y adjoindre un compensateur shunt, ce qui entraîne des surcoûts d’installation. L’amplitude de la tension injectée est une combinaison des secondaires du transformateur parallèle dont les rapports de transformation sont n1, n2, n3

Commande de STATCOM

Chapitre 1 : État de l'art

Figure 1-12 : structure de base de TCPAR. [17]

1.2.3.2. Compensateurs hybrides à base de GTO thyristors i. IPFC (Interline Power Flow Controller)

L’I FC est une association de contrôleurs série placés dans des lignes différentes. Il utilise des convertisseurs DC-AC placés en série avec la ligne à compenser. En d’autres termes, l’I FC comporte un certain nombre de SSSC .On peut l’utiliser afin de forcer des changements de puissance entre les lignes du réseau.

ii. UPFC (Unifié Power Flow Controller)

Il s’agit du système le plus sophistiqué des FACTS, proposé par Laszlo Gyugyi. Il est constitué de deux sources synchrones couplées au réseau par des transformateurs, l’un placé en parallèle et l’autre en série, obtenues par des convertisseurs ayant en commun une capacité de stoc age. L’intérêt principal de ce compensateur est de pouvoir contrôler l’amplitude de la tension à son point de connexion, et les flux de puissance active et réactive de la ligne de transmission dans laquelle il est inséré

1 .3. Co nc l us io n

Dans ce chapitre nous avons présentée une étude sur les différents type de la compensation (série , shunt et parallèle ) appliqué au contrôle des réseau électriques .Aussi dans cette étude nous avons donne des définitions pour les nouveaux dispositifs de contrôle et de commande des réseaux électriques s’appelé FACTS comme :TCSC ,TCSR ,TCR ,TSR ,STATCOM ,U FC ,I FC …….ect , d’après cette étude nous avons comprenons que cette famille moderne de FACTS sont nécessaire a pour but de la stabilité dans le réseau.

chapitre 2

Modélisation

et commande

d'un STATCOM

2 .1. I nt ro duc t i o n :

Dans ce chapitre nous allons présenter un schéma équivalent de STATCOM qui contenant une source de tension sinusoïdale connectée au nœud par l’inductance Ls du transformateur de couplage ; en série avec une résistance qui représente les pertes ohmiques du transformateur et les pertes dansles interrupteurs de l'onduleur.

Le but de ce chapitre est d’analyser l’effet d’un STATCOM sur le contrôle de la puissance active et réactive, pour cette raison ,La loi de commande utilisée pour ce contrôleur été la méthode dite Watt-Var découplée basée sur le principe de découplage dans le contrôle des courants actif et réactif du système accompli avec des régulateur PI . 2 .2. Mo dèl e mat hémat ique du s ys t ème ( rés e au+STATCOM) :

2.2.1. Circuit détaillée du STATCOM :

La figure (2.1) représente le circuit équivalent d’un compensateur statique d’énergie réactive. Le circuit STATCOM est divisé en quatre parties :

Figure 2-1 : schéma du circuit équivalent du STATCOM 2.2.2. Circuit monophasé de STATCOM

Le principe de fonctionnement du compensateur est expliqué sur la base de son circuit :

Figure 2-2 : schéma du circuit monophasé du STATCOM

Vsa

Vsb

Vsc

C onduleur de tension

3 bras

Rs1 Rs

Ls2 Ls1 Ls

Voa Vsa

Rs Ls

Chapitre 2 : modélisation et commande d’un STATCOM 2.2.3. L'équation dynamique du compensateur

Figure 2-3 : schéma du circuit équivalent du STATCOM

On application la loi de Kirchhoff sur le circuit de la figure (2.1) ainsi que le circuit monophasé de la figure (2.2) d'un STATCOM, les équations représentant le compensateur parallèle peuvent s'écrire sous la forme :

. (2.1)

. (2.2)

. (2.3)

D’après l’équation (2.1),( 2.2), et( 2.3) on obtient :

. . (2.4)

. . (2.5)

. . (2.6) A partir de l’équation (2.1) on peut écrit :

. . (2.7) ( . ) (2.8) ( ) . (2.9)

On fait la même chose sur les équations (2.2) et (2.3) donc on obtient :

. ( ) (2.10)

. ( ) (2.11)

Contrôleur du STATCOM Mesure Références



s

V V_L

R1 X₁ R₂ X₂

s S

s P jQ

S   .

. ( ) (2.12) Transformation de la partie réseau :

Les trois tensions du réseau sont données par l’équation suivant : V

Vs :la tension du réseau

W :la pulsation de la tension du réseau en rad/s on a les équation suivent : utilisant la matrice de transformation de park suivant :

[ ] = ( )[ ]

( )=

cos cos( ) cos( )

sin sin ( ) sin ( ) (2.21)

Chapitre 2 : modélisation et commande d’un STATCOM

Il peut être démontre que la transformation inverse, nous pouvons écrire : [ ]= ( ) ¯¹. [ ]

Ou l’inverse de la matrice de transformation de ar donnée par :

( ) ¯¹=

cos sin 1

cos ( ) sin ( ) 1 cos ( ) sin ( ) 1

(2.22)

En multipliant l’équation (2.13)par la transformée de Park(2.21)on obtient : V =

Transformation de la partie couplage magnétique : V Dans le plan de Park le système devient sous le forme suivent :

V

En combinant les deux parties du circuit magnétique on parvient à l’équation suivent : i = i w i + (V V ) (2.26) Transformation de la partie onduleur :

S= =

sin( ) sin(

sin(

) (2.32)

IM=

IM : Indice de modulation en amplitude

On peut ainsi définir les trois tensions de l’onduleur qui sont exprimées en fonction de la tension continue du condensateur et les fonctions d’impulsion S

, =

= (2.33)

La transformation de ces trios tension dans l’axe (d,q)est donnée par l’équation suivant:

, =

= _{( )}. . =m 1 (2.34)

En remplaçant l’équation des tensions de la partie alternatif (2.23) et les tensions de sortie de l’onduleur (2.34) dans l’équation (2.26),(2.27)on obtient :

A partir de l’équation (2.23) on a : Après le remplacement on obtient :

2.2.4. Commande du STATCOM

Ce système de contrôle a également deux boucles qui sont conçus pour maintenir l'ampleur de la tension du nœud d'envoi et de la tension DC à leur valeur prédéterminée.

L'ampleur de la tension de shunt injecté Vsh affecte le flux de puissance réactive dans la branche de dérivation, ce qui affecte à son tour l'ampleur de bus d'envoi de tension. L'angle entre la tension du nœud d'envoi et de la tension shunt injecté φsh, affecte le flux réel pouvoir dans la branche de dérivation. Il peut être utilisé pour contrôler le flux de puissance pour le DC et donc la tension DC. Ceci est réalisé en utilisant deux contrôleurs PI comme le montre la Figure.

Chapitre 2 : modélisation et commande d’un STATCOM

Figure 2-4 : Système de contrôle Shunt.

2.2.4.1. Théorie de la Puissance Réactive Instantanée(TPRI)

Pour comprendre la méthode de contrôle des composants de puissance réactive d'un convertisseur de shunt, on peut supposer qu'il n'y a pas de change net de puissance active à l'état stationnaire. En outre, dans des conditions parfaitement équilibrée, les besoins de stockage d'énergie pour ce condensateur est très faible parce que la puissance instantanée réelle dans chaque phase est assurée par les deux autres à travers des actions de commutation STATCOM. Par conséquent, le rôle du condensateur est de fournir de stockage d'énergie durant les périodes transitoires et le fonctionnement déséquilibré et aussi de fournir la puissance réactive aux fréquences harmoniques DC.

Figure 2-5 : Un simple système de contrôle pour le compensateur de shunt

Dans le système de contrôle ci-dessus, l'ordre courant réactive (I ) est comparé avec le courant réel réactive (I ) et l'angle de tir (α) convenablement modifiée via un système de contrôle proportionnel-intégral. L'angle est en phase avec la séquence positive de l'onde AC fondamentaux et est généré en utilisant une boucle à verrouillage de phase qui est verrouillé au système de tensions AC.

La tension de sortie peut être contrôlée en utilisant la modulation sinusoïdale de largeur d'impulsion SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) contrôleur et en sélectionnant le bon indice de modulation. Ainsi, un arrangement avec le contrôleur SPWM.

I

Le chargement/déchargement de la tension du condensateur peut augmenter le transitoire. Le temps de réponse, en particulier avec une grande valeur de la capacité comme ce serait le cas pour le convertisseur shunt de travailler avec des déséquilibres importants [10].

Dans le PWM STATCOM, on peut régler la puissance réactive d'une ligne avec out affectant la tension DC avec l'aide de deux méthodes de contrôle en boucle fermée [10].

2.2.4.2. Théorie de la Puissance Réactive Instantanée avec contrôle de VDC

Dans cette configuration, la tension du condensateur DC est contrôlée par le δ angle, parce que changer la tension du condensateur exige un transfert de puissance active, ou du bus continu qui ne peut être atteint en introduisant un déphasage entre le convertisseur et système de tensions.

Figure 2-6 : Blocs de contrôle pour convertisseur shunt

Cependant, il peut être vu de la figure (2-4) que cette disposition a un inconvénient, les deux boucles de régulation ne sont pas découplées. Un changement de tension DC via le paramètre δ provoque immédiate le changement de la composante réactive, donc le contrôle exige une modification de la de sortie (m) de la première boucle afin de maintenir Iq à sa consigne [10].

2.2.4.3. La méthode Watt-Var découplé : V

Chapitre 2 : modélisation et commande d’un STATCOM

Les flux de puissance actifs et réactifs dans la ligne de transport sont influencés par la grandeur de l'angle de phase de la tension injectée. Par conséquent, le contrôleur de la puissance actif peut de manière significative affecté le niveau du flux de puissance réactif et vice versa. Afin d'améliorer la performance de contrôle et réduire l'interaction entre les deux puissances active et réactive, un soi-disant algorithme de contrôle Watt-var découplé basé sur la théorie d'axe de d-q a été employé.

Le principe de cette méthode est de transformer les grandeurs mesurées du courant qui transitent dans une ligne et de la tension des trois phases sur les deux axes en utilisant la transformation de Park:

D’après le système d’équation, on voit qu’il y a un couplage entre les deux composantes du courant de la ligne [37].

L'objectif est de découpler le contrôle du système de puissance active (Psh) et de la puissance réactive (Qsh) simultanément avec le moins d'interaction entre eux. En Sur le vecteur de commande on effectue le changement de variable suivant :

.

. (2.15) A partir de la première équation du système on aura :

Où U et U sont des variables de commande auxiliaire.

On appliquant la transformation de Laplace sur cette équation on obtient :

Le schéma suivant résume ce transfert

Figure 2-8 : Schéma bloc du STATCOM par la méthode watt-var découplée.

①Références ②Mesures ③Contrôleur ④Impulsions V

Chapitre 2 : modélisation et commande d’un STATCOM

Ainsi, il est vu qu’en contrôlant U et U , on peut régler indépendamment les courants I et I contrôlant ainsi la paissance (Psh) et le débit de puissance réactive.

 En contrôlant U le flux de puissance active (Psh) et la tension continue du condensateur de liaison (VDC) peuvent être réglées.

 En contrôlant U , le flux de puissance réactive (Qsh) peut être réglé.

En appliquant la transformation de Laplace au système, nous obtenons un système de deux équations découplées avec les fonctions de transferts en boucle fermées comme suit :

F (S) I I

I I

K S. K K S. (

K ) S ( 2-17)

2 .3. Co nc l us io n :

Les modèles mathématiques des convertisseurs de tension pour les différentes connexions dans un réseau électriques, série ou parallèle, sont très utiles sinon obligatoire pour analyser leurs fonctionnements et déterminer des lois de commande des dispositifs (FACTS) à base de ces convertisseurs. La description mathématique est basée sur la transformation du système tri phase à un système biphasé par les transformations PARK.

chapitre 3

Simulation

et résultat

Chapitre 3 : Simulation et résultat

3 .1. I nt ro duc t i o n :

Avec le développement technologie que vie le monde entier la demande en énergie électrique est en augmentation continue et sans cessé .Mais il ya des perturbations dans cette réseaux (augmentation et diminutions) .Alors pour évite cette problème en utilise le

‘’STATCOM’’ qui fournit ou absorbe de la puissance réactive afin que la tension demeure constant .Dans ce chapitre en réalise un modèle sur ’’ SIMULINK MATLAB’’ d’un réseau d’énergie simple machine avec l’intégration d’un STATCOM.

3 .2. P erfo rmanc e d'un STATCOM avec un c o nt rô l eur PI

Le système d'étude est un réseau simple machine (sources de tension synchrones et une charge). Le STATCOM est couplé au réseau par un transformateur placée en parallèle au le secondaire est raccordé à un convertisseurs alimenter par une capacité de stockage.

La méthode proposée est appliquée au cas d’un réseau d'interconnexion THB 400 kV-50Hz de 500 Km de longueur. Chaque tronçon de 100 Km de la ligne est modélisée par son propre modèle en . Le transformateur shunt sert à baisser la tension de 400 kV (tension du réseau) à 20 V (tension d’entrée des convertisseurs). Le réseau alimente une charge inductif, pour des raisons de simulation, l’interconnexion est supposée relier deux zones stables.

Figure 3-1 : Réseau étudié Nous avons effectué les simulations sous le logiciel Matlab.

Les mesures Les références

3 .3. R és ul t at et c o mmen t ai r e :

En réseau électrique radial est soumis à une variation de charge au bus 3 (charge).

 Étape 1: Seulement la charge inductive Load1 (P = 1 p.u. et Q = 0.8 p.u.) est reliée au bus B2 (bus de raccordement du STATCOM) .Le condensateur est pré-chargée à 1pu. La tension de bus B2 est de 1 p.u. Les puissance active et réactive transmise sont PL = 1.2 p.u. et QL = 1.15 p.u.

3.3.1. Charge inductive :

Figure 3-2 : Réseau étudié avec une charge inductive >>

Figure 3-3 : Tension du réseau sans STATCOM avec une charge inductive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Chapitre 3 : Simulation et résultat

Figure 3-4 : Tension maximal sans STATCOM avec une charge inductive.

Figure 3-5 : Tension du réseau avec STATCOM avec une charge inductive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01

Time V m (pu)

Vm V

ref

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Time

Vabc (pu)

V_a V_b V_c

Figure 3-6 : Tension maximal avec STATCOM avec une charge inductive.

Figure 3-7 : La puissance réactive injecte au réseau avec STATCOM avec une charge inductive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04

Time V m (pu)

Vm V

ref

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Time Q inj (pu)

Chapitre 3 : Simulation et résultat

Figure 3-8 : La puissance active injecte au réseau avec STATCOM avec une charge inductive.

Figure 3-9 : Le courant injecte au réseau par STATCOM avec une charge inductive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Time P inj (pu)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Time Ia inj (pu)

Figure 3-10 : La tension avec une charge inductive.

Figure 3-11 : Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge inductive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

4x 10⁴

Time V DC (pu)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03

Time V m (pu)

V_m Avec STATCOM Vref

Vm Sans STATCOM

Chapitre 3 : Simulation et résultat

3.3.2. Commentaire de la charge inductive.

Étape 2 : t = 0.1s à t=0.8s introduction d'une charge consommatrice de l'énergie réactive. Sans STATCOM la tension a diminuée à 0.955 pu mais avec STATCOM, elle augment à 0.95 pu. donc maintenant la STATCOM fonctionne en mode capacitif et injecte environ 1 p.u. de puissance réactive dans réseau. Le STATCOM tire 0.02 p.u de puissance active du réseau pour compense les pertes du transformateur. La régulation de la tension mène à une augmentation de la puissance active transmise au obus B3 PL = 1.35 p.u, la puissance réactive transmise diminue également à QL = 0.7p.u. Dû à la compensation La tension de condensateur de VDC augmente. Le courant de STATCOM est totalement un courant réactif. Le courant de l'axe d de STATCOM augmente temporairement afin de charger le condensateur. La tension du condensateur augmentations.

 Évaluation des tensions sans STATCOM :

Depuis la courbe des figures (4.1),(4.2) qui représente la tension du réseau sans STATCOM avec une charge inductive , on obtient une chut de tension dans le réseau a

Depuis la courbe des figures (4.1),(4.2) qui représente la tension du réseau sans STATCOM avec une charge inductive , on obtient une chut de tension dans le réseau a

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