Introduction :

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 cause de la charge inductive qui absorbe l’énergie réactive .

 Évaluation des tensions avec STATCOM :

D’après la courbe des figures (4. ), (4.4) nous observons que la tension du réseau avec une charge inductive est compensée à l’aide du dispositif STATCOM qui fonctionne on mode capacitif pour fournit l’énergie réactive dans le réseau .

 Évaluation de la puissance active et réactive injectée :

A partir le courbe (4.5),(4.6) on peut dit que le STATCOM est fonctionné en mode capacitif qui injecte beaucoup plus de puissance réactive est nécessaire pour la compensation de la puissance réactive par ce qu’il ya une chute de tension dans le réseau a cause de la charge inductive .

Il ya une petite quantité de la puissance active par ce que cette dispositif ne besoin pas cette puissance car il y a une capacité connecté a l’onduleur de STATCOM.

 Évaluation de courant injectée :

D’après la courbe (4. ) qui représente Le courant injecte au réseau par STATCOM avec une charge inductive, le compensateur délivre une puissance réactive vers le réseau indiqué qu’on a un courant injecté par le STATCOM au réseau.

 Évaluation de tension coté continu injectée :

Depuis la courbe de la figure (4.8) il parait très clair que la tension continue qui montrer le changement de tension aux bornes de la capacité est a une valeur grand pour permettre au compensateur de fournit l’énergie réactive dans le réseau.

 Évaluation de Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge inductive :

Lorsque on connecté une charge inductive dans la durée (0.2s- .8s) et avec l’absence de STATCOM on a une grand chute de tension dans le réseau a une valeur égale a (0.95 pu) et la connexion de STATCOM qui fait une compensation jusqu'à la valeur (0.98 pu)pour presque a (1 pu).

Chapitre 3 : Simulation et résultat 3.3.3. Charge capacitive

Figure 3-12 : Réseau étudié avec une charge capacitive>>

Figure 3-13 : Tension du réseau sans STATCOM avec une charge capacitive

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Figure 3-14 : Tension maximal sans STATCOM avec une charge capacitive

Figure 3-15 : Tension du réseau avec STATCOM avec une charge capacitive

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05

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

Chapitre 3 : Simulation et résultat

Figure 3-16 : Tension maximal avec STATCOM avec une charge capacitive

Figure 3-17 : La puissance réactive injecte au réseau avec STATCOM avec une charge capacitive.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

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

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

Time Q inj (pu)

Figure 3-18 : La puissance active injecte au réseau avec STATCOM avec une charge capacitive

Figure 3-19 : Le courant injecte au réseau par STATCOM avec une charge capacitive.

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)

Chapitre 3 : Simulation et résultat

Figure 3-20 : La tension avec une charge capacitive

Figure 3-21 : Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge capacitive

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

0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05

Time V m (pu)

Vm Sans STATCOM Vref

Vm Avec STATCOM

3.3.4. Commentaire de la charge capacitive

Étape 3 : t = 0.1s à t=0.8s introduction d'une charge qui injecter de l'énergie réactive.

Sans STATCOM la tension augment à 1.039 pu. Le STATCOM absorbe environ 0.95 p.u de puissance réactive et absorbe environ 0.05 p.u de la puissance active pour compenser les pertes supplémentaires. La tension VB est réglée à 1.01 p.u.

 Évaluation des tensions sans STATCOM :

D’après les deux figure (4.1 ),(4.11) qui explique la forme de tension dans le réseau avec l’absence de STATCOM sous l’hypothèse que on a une charge capacitive dans le réseau qui fournit la puissance réactive qui cause une surtension dans le réseau.

 Évaluation des tensions avec STATCOM :

Dans cette cas et a partir de résultat qui exprime dans les deux figure (4.12), (4.13) qui exprime la tension du réseau avec STATCOM et avec une charge capacitive nous observons qui le compensateur est fonctionné en mode inductive, c'est-à-dire que il absorbe une puissance réactive qui améliorer ce tension.

 Évaluation des puissances active et réactive avec STATCOM :

Dans les deux figures des puissance active et réactive injecte au réseau avec STATCOM et avec une charge capacitive (4.14),(4.15) nous remarquons que le dispositif STATCOM absorbe une bon quantité de puissance réactive.

Comme on a dit déjà que la puissance active est n’est pas important dans ce dispositif.

 Évaluation de courant injectée :

La même chose comme il est déjà vu dans la charge inductive :le compensateur STATCOM au réseau.

 Évaluation de tension coté continu :

La tension VDC avec une charge capacitive qui exprime dans la figure (4.17) :elle est diminuée qui permet de dit que le STATCOM est absorbé la puissance réactive dans le réseau.

Chapitre 3 : Simulation et résultat

 Évaluation de Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge : D’après les résultats qui obtient la figure (4.18) qui possède : au moment qui on connecté une charge capacitive (0.2s à 0.8s) ,la tension sans STATCOM égale a (1.039pu) mais lorsque on ajute le dispositif de compensation que diminuée cette valeur jusqu'à prés (1pu).

3 .4. Co nc l us io n

Dans ce chapitre nous avons étudié la réalisation d’un modèle sur 'SIMULINK MATLAB' d’un réseau d’énergie simple machine avec l’intégration d’un STATCOM et l’interprétation du résultat. Cette dernière nous aider à la compréhension des différents modes de fonctionnement du dispositif STATCOM. Le STATCOM représente un convertisseur statique a source de tension connecté en parallèle a un réseau pour améliorer la tension de réseau électrique par le contrôle l’énergie réactive, c'est-à-dire lorsqu’il y a une chute de tension dans le réseau ce dispositif fournie la puissance réactive jusqu’à la stabilité de réseau; et lorsqu’on a un surtension dans le réseau , il absorbe la puissance réactive jusqu’à la stabilité du réseaux.

CONCLUSION

Le développement de l’électricité de l’électronique de puissance a permet d’amélioration la gestion des réseaux électriques en introduisent un concept par ce système FACTS (STATCOM) basé sur l’électronique de puissance qui permet de résoudre plusieurs perturbation qui s’accède dans le réseau électrique.

Dans ce travail nous avons présentée trois chapitre: le premier chapitre a fait l’objet des types de compensation shunt et séries appliquée au contrôle des réseaux électrique:

contrôle de la chute de tension par la compensation de la puissance réactive et le contrôle du flux de puissance active et réactive en utilisent les compensations séries.

Le deuxième chapitre a été consacré a la modélisation de contrôleur de la famille FACTS (STATCOM)dans certains fonction de contrôle nous avons présentée des modèles simple pour lesquels ,ensuite en consacré à l'implémentation des modèles mathématique dans le repère d-q de ce dispositifs. La méthode de Watt-Var découplé comme stratégie de commande également pour STATCOM.

Enfin nous avons étudiée des essais de simulation sur un STATCOM insérer dans une ligne de transmission dans l’environnement MATLAB-SIMULINK et visualiser les résultats obtenus.

Ce modèle a servi à la synthèse d’une loi de commande robuste par la technique Watt-Var découplé. Cette commande est appliquée au réglage de la tension à travers une interconnexion THT munie d’un dispositif STATCOM. Les résultats obtenus à l'issu des simulations ont conduit à une bonne poursuite des puissances actives et réactives tout en assurant un réglage de la tension efficace du nœud de connexion shunt et de la tension du bus continu.

BIBLIOGRAPHIE

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Thèses

[01] Eskandar Gholipour Shahraki «APPORT DE L'UPFC A L'AMÉLIORATION DE LA

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