MÉMOIRE
Présenté Par : DJAOUANE HAFSA KIGMOU DJEMAA
Pour l'obtention du diplôme de :
LICENCE EN ÉLECTROTECHNIQUE
Spécialité : Électrotechnique
THÈME
Commande d’un STATCOM
pour la compensation de l’énergie réactive dans un réseau électrique
-o0o-
Soutenue le : 06 /06 /2013
-o0o-
Composition du jury :
Président : Bouadjila Tahar Maître Assistant U.Adrar
Promoteur : ABDERRAHMANI ABDESSELAM Maître Assistant U.Adrar
Examinateurs : Laib Hicham Maître Assistant U.Adrar
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Africaine d’Adrar
Faculté des Sciences de la technologie Département des sciences de la technologie
Résumé
L’industrie de l’énergie électrique est de plus en plus confrontée à des problèmes liés à de nouvelles contraintes qui touchent différents aspects de la production, du transport et de la distribution de l’énergie.
Dans de nombreux systèmes de puissance, c'est une tâche longue et difficile à construire de nouvelles lignes de transmission en raison des coûts et les questions environnementales. Une classe de dispositifs de contrôle basés sur l'électronique de puissance, connu sous le nom FACTS (Flexibles AC Transmission Systems) apportent des solutions nouvelles pour faire face à ces contraintes. Ils permettent un meilleur contrôle et une meilleure gestion de l’écoulement de puissance. Ils ont aussi comme objectif d’augmenter la capacité de transmission de puissance des lignes en s’approchant des limites thermiques de celle-ci. Enfin ils devraient permettre d’améliorer la stabilité du réseau que ce soit pour des défaillances majeures dans le réseau ou pour éliminer l’effet d’oscillations parasites telles que la résonance sous synchrone.
Le dispositif FACTS utilisée ici le STATCOM qui connecté en parallèle présente plusieurs avantages comme la bonne réponse instantanément à faible tension par ce qu’il est capable de fournir son courant nominal même lorsque la tension est presque nulle.
Mots-clés /, Réglage de tension, Énergie réactive, FACTS, STATCOM,
صخلملا لقنو ةقاطلا جاتنإ بناوج فلتخم ىلع رثؤت يتلا ةديدجلا دويقلاب ةقلعتملا لكاشملا عم ديازتم وحن ىلع ةيئابرهكلا ةقاطلا ةعانص هجاوت عيزوتو
ةمظنأ نم ديدعلا يف ةقاطلا ةئف كانهو ةمهملا ةيئيبلا اياضقلاو ةفلكتلا ببسب ةديدج لقن طوطخ ءانبل ةبعصو ةليوط ةيلمع وه ةقاطلا
ةزهجأ نم
مساب ةفورعملاو ،تاينورتكللااو ةقاطلا ىلع دمتعي مكحتلا (
بوانتملا رايتلاب لقنلا يف ةنورملا )
دويقلا هذه عم لماعتلل ةديدج لولح ميدقت .
حمست اهنأ
لضفأ مكحت ةريخلأا هذهل ةيرارحلا دودح نم برتقي ةيئابرهكلا ةقاطلا لقن طوطخ تاردق ةدايز فده اضيأ مهيدل ةقاطلا قفدتل لضفأ ةرادإو
. ،اريخأو
ش نينرلا لثم ةيليفطلا تابذبذتلا ريثأت ىلع ءاضقلل وأ ،ةكبشلا يف ةريبك تاقافخلإ ةبسنلاب لاحلا وه امك ةكبشلا رارقتسا نيسحت يغبني ازتم هب
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يزاوتلاب طبري يذلا تباثلا نمازتملا ضوعملا انه لمعتسي بوانتملا لقنلا يف ةنورملا زاهج .
عم ةديجلا ةيظحللا ةباجتسلاا تايباجيلاا نم ديدعلا لثمي
مودعم ابيرقت رتوتلا ناك اذإ لثم يمظعلأا هرايت ءاِطعا نم دبلا هنلأ افيعض رتوت .
STATCOM, FACTS,ةلاعف ريغلا ةردقلا,قفدتلاىلعةرطيسلا,/ةيحاتفملا تاملكلا
DÉDICACE
Je dédie mon travail avant tous a mes chers parents, mon père qui ne cesse pas de
m'encourager, et qui ma toujours soutenu, Ma jolie mère symbole de sacrifice et qui est tout pour moi, pour sa tendresse profonde « Que Dieu me les protègent ».
A mon frère Mohammed Abdallah et mes sœurs.
A mon fiance qui ma aide avec tout les moyennes . A tous ma famille surtout à Kigmou Baichi.
A tout mes amis.
A mes collègue de l’électrotechnique A ma camarade Hafsa.
K.Djemaa
Je dédie ce travail à :
A ma très chère mère qui courage moi a toutes les moments et donne beaucoup des conseils pour obtenir des bonnes résultats.
A mon cher père qui aide moi avec toutes les moyennes.
A tous mes frères et mes sœurs A tous ma famille
A tous mes amis A mon binôme Djemaa
A touts les professeures qui sont étude moi à la primaire jusqu’à l’université.
Djaouane Hafsa
Remerciements
Je tiens à remercier tout d'abord Dieu le tout puissant qui nous a donnée durant toutes ces années la santé, le courage et la foi en nous même pour arriver à ce jour.
Vous remercions chaleureusement l’encadreur M. ABDERRAHMANI A pour son aide, son orientation ,et son encouragement de notre projet de fin d’étude. Je remercions tout les personnes qui ont contribuée de prés ou loin a la réalisation de ce travail.
Table des Matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1
chapitre 1 État de l'art ... 4
1.1.Introduction ... 5
1.2.Les systèmes de compensation ... 5
1.2.1. Compensation séries... 6
1.2.1.1. Principes de compensation de série ... 6
1.2.1.2. Le contrôle de l'impédance de ligne en utilisant la compensation série ... 7
1.2.1.3. Le contrôle de la différence d'angle de phase en utilisant un transformateur déphaseur ... 8
1.2.1.4. Le contrôle de la tension en utilisant un transformateur de puissance ... 8
1.2.1.5. Compensation sérié avancée ... 9
1.2.1.5.1. Compensateurs séries à base de thyristors ... 9
i. TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) ... 9
ii. TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor) ... 9
iii. TCSR(Thyristor Controlled Series Reactor) ... 9
iv. TSSR(Thyristor Switched Series Reactor) ... 9
1.2.1.5.2. Compensateurs séries à base de GTO thyristors « SSSC » ... 9
1.2.2. Compensateur shunt ... 10
1.2.2.1. Principes de compensation shunt ... 10
1.2.2.2. Compensation parallèle avancée ... 11
1.2.2.2.1. Compensateurs parallèle à base de thyristors ... 11
i. TCR (Thyristor Contrôled Réactor) ... 11
ii. TSC (Thyristor Switched Capacitor) ... 11
iii. Le contrôle de la tension en utilisant un compensateur statique (SVC) ... 12
1.2.2.2.2. Compensateurs parallèles à base de GTO thyristors« STATCOM » ... 12
1.2.3. Hybride Compensation ... 13
1.2.3.1. Compensateurs hybrides à base de thyristors « TCPAR »... 13
1.2.3.2. Compensateurs hybrides à base de GTO thyristors ... 14
i. IPFC (Interline Power Flow Controller) ... 14
ii. UPFC (Unifié Power Flow Controller) ... 14
1.3.Conclusion ... 15
chapitre 2 Modélisation et commande d'un STATCOM ... 16
2.1.Introduction : ... 17
2.2.Modèle mathématique du système (réseau+STATCOM) : ... 17
2.2.1. Circuit détaillée du STATCOM : ... 17
2.2.2. Circuit monophasé de STATCOM... 17
2.2.3. L'équation dynamique du compensateur ... 18
2.2.4. Commande du STATCOM ... 21
2.2.4.1. Théorie de la Puissance Réactive Instantanée(TPRI) ... 22
2.2.4.2. Théorie de la Puissance Réactive Instantanée avec contrôle de VDC ... 23
2.2.4.3. La méthode Watt-Var découplé : ... 23
2.3.Conclusion : ... 26
chapitre 3 Simulation et résultat ... 27
3.1.Introduction : ... 28
3.2.Performance d'un STATCOM avec un contrôleur PI ... 28
3.3.Résultat et commentaire : ... 29
3.3.1. Charge inductive ... 29
3.3.2. Commentaire de la charge inductive. ... 34
3.3.3. Charge capacitive ... 36
3.3.4. Commentaire de la charge capacitive ... 41
3.4.Conclusion ... 42
CONCLUSION ... 43
BIBLIOGRAPHIE ... 44
Table des figures
Figure 1-1 : Contrôle des puissances dans un réseau électrique ... 6
Figure 1-2 : Compensation série ... 7
Figure 1-3 : contrôle d’impédance par une compensation série. ... 7
Figure 1-4 : Contrôle d’angle par un transformateur déphaseur. ... 8
Figure 1-5 : Contrôle de tension par un transformateur de puissance. ... 8
Figure 1-6 : Schéma de base du SSSC ... 10
Figure 1-7 : Principe de la compensation shunt ... 10
Figure 1-8 : Schéma équivalent d’un TCR ... 11
Figure 1-9 : Schéma équivalent d’un TCR ... 11
Figure 1-10 : schéma de base d’un SVC ... 12
Figure 1-11 : schéma de base d’un STATCOM. ... 13
Figure 1-12 : structure de base de TCPAR ... 14
Figure 2-1 : schéma du circuit équivalent du STATCOM ... 17
Figure 2-2 : schéma du circuit monophasé du STATCOM ... 17
Figure 2-3 : schéma du circuit équivalent du STATCOM ... 18
Figure 2-4 : Système de contrôle Shunt. ... 22
Figure 2-5 : Un simple système de contrôle pour le compensateur de shunt ... 22
Figure 2-6 : Blocs de contrôle pour convertisseur shunt ... 23
Figure 2-7 : Système de régulation ... 25
Figure 2-8 : Schéma bloc du STATCOM par la méthode watt-var découplée. ... 25
Figure 3-1 : Réseau étudié ... 28
Figure 3-2 : Réseau étudié avec une charge inductive >> ... 29
Figure 3-3 : Tension du réseau sans STATCOM avec une charge inductive. ... 29
Figure 3-4 : Tension maximal sans STATCOM avec une charge inductive. ... 30
Figure 3-5 : Tension du réseau avec STATCOM avec une charge inductive. ... 30
Figure 3-6 : Tension maximal avec STATCOM avec une charge inductive. ... 31
Figure 3-7 : La puissance réactive injecte au réseau avec STATCOM avec une charge inductive. ... 31
Figure 3-8 : La puissance active injecte au réseau avec STATCOM avec une charge inductive. ... 32
Figure 3-9 : Le courant injecte au réseau par STATCOM avec une charge inductive... 32
Figure 3-10 : La tension avec une charge inductive. ... 33
Figure 3-11 : Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge inductive. ... 33
Figure 3-12 : Réseau étudié avec une charge capacitive>> ... 36
Figure 3-13 : Tension du réseau sans STATCOM avec une charge capacitive ... 36
Figure 3-14 : Tension maximal sans STATCOM avec une charge capacitive ... 37
Figure 3-15 : Tension du réseau avec STATCOM avec une charge capacitive ... 37
Figure 3-16 : Tension maximal avec STATCOM avec une charge capacitive ... 38
Figure 3-17 : La puissance réactive injecte au réseau avec STATCOM avec une charge capacitive. ... 38
Figure 3-18 : La puissance active injecte au réseau avec STATCOM avec une charge capacitive ... 39
Figure 3-19 : Le courant injecte au réseau par STATCOM avec une charge capacitive. ... 39
Figure 3-20 : La tension avec une charge capacitive ... 40
Figure 3-21 : Comparaison de fonctionnement du STATCOM avec une charge capacitive ... 40
Nomenclature
Rse Résistance du transformateur série couplé par la résistance de la ligne Xse Réactance du transformateur série couplé par la réactance de la ligne Les Inductance du transformateur série couplé par la inductance de la ligne Rsh Résistance du transformateur shunt
XSh Réactance du transformateur shunt VsTension de départ (source)
VR Tension d'arrivée
roFréquence synchrone du système en (rd/sec) WbBase de fréquence en (rd/sec)
VseTension de sortie du convertisseur série VShTension de sortie du convertisseur shunt
8Angle de transmission (déphasage entre la tension de départ et d'arrivée) dAxes direct et en quadrature
qAxes en quadrature
VdcTension du circuit continu
Liste des abréviations
FACTS FexibleAhemating Current Transmission Systems GTOGâte Turn Off
STATCOM Static Synchronous Compensator SVC Static Var Compensator
UPFC Unified Power Flow Controller SSSC Static Synchronous Série Capacitor IGBTInsulate Gâte Bipolar Transistor
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Dans les prochaines décennies, la demande en électricité continuera d’augmenter.
La croissance économique et démographique ainsi que l’utilisation de nouvelles technologies auront des effets qui seront encore plus importants que les potentiels d’économie. Une éventuelle augmentation des prix n’aura qu’une faible incidence sur la demande. Une augmentation des prix du pétrole et du gaz naturel attisera la demande en électricité, notamment parce que l’amélioration de l’efficacité énergétique globale implique une importance à l’étude des systèmes électriques dans les processus. Ainsi plus que le réseau augmente plus qu'il devient complexe et plus difficile à contrôler. Ce système qui doit conduire de grandes quantités de l'énergie en l'absence de dispositifs de contrôle sophistiqués et adéquats beaucoup de problèmes peuvent survenir sur ce réseau tel que : le transit de puissance réactive excessif dans les lignes, les creux de tension entre différentes parties du réseau… et de ce fait le potentiel de l'interconnexion du réseau ne sera pas exploiter.
Les réseaux électriques jusqu'à ces dernières années sont contrôlés mécaniquement, malgré l'utilisation de la microélectronique, des ordinateurs et des moyens rapides de télécommunication dans le contrôle des réseaux, la dernière action dans ces systèmes de commande est prise avec des dispositifs mécaniques ayant un temps de réponse plus au moins long et avec lesquels l'action d'amorçage et de réamorçage ne peut être répétitivement exécuté à une fréquence élevée par rapport aux dispositifs à base d'interrupteurs statiques (semi-conducteurs).
D’autre part, durant les dernières années, l'industrie de l'énergie électrique est confrontée à des problèmes liés à de nouvelles contraintes qui touchent différents aspects de la production, du transport et de la distribution de l'énergie électrique. A cet effet, il est intéressant pour le gestionnaire du réseau de disposer des moyens permettant de contrôler les puissances réactives, les tensions et les transits de puissance dans les lignes afin que les réseaux électriques existant puisse être exploité de la manière la plus efficace et la plus sûre possible.
Introduction générale.
Problématique
La réalisation des nouvelles lignes de transport d'énergie électrique permet d'assurer la continuité de service en électricité avant tout, mais elle induit aussi des coûts d'exploitation. Elle se dirige sur la recherche de faisabilité, la configuration, l'exploitation, le rendement des réseaux de transport. Ils peuvent également préparer des estimations de coût et de temps ainsi que des devis de réalisation. D'autre part les évolutions techniques et réglementaires qui ont eu lieu ces dernières années dans le domaine énergétique amènent à revisiter la manière de concevoir et de gérer les réseaux de transport et de distribution de l’électricité. Les exigences de contrôle des flux énergétiques, l’insertion de systèmes de production non conventionnels et enfin la nécessité d’une fourniture d’électricité non seulement disponible mais de qualité, sont autant de corollaires de cette évolution.
Face à cette évolution en profondeur de réseau, des techniques, des méthodes et des outils nouveaux ont émergé pour assister l’utilisateur potentiel dans des domaines très divers de contrôle des réseaux passent par des architectures physiques et algorithmiques optimisées. L’architecture physique concerne la structure où la performance est obtenue en regroupant en parallèle ou en série les semi-conducteurs sous forme de cellules et/ou à travers des topologies multi-niveaux et multi-pulse.
Cet état de fait offre un champ ouvert d’application et de sollicitations aux systèmes de l’électronique de puissance. Cela se traduit, pour les nouvelles applications à deux exigences souvent antithétiques : la montée en tension et en puissance et la montée en fréquence d’autre part.
Objectifs scientifiques :
Le développement rapide de l'électronique de puissance a eu un effet considérable dans l'amélioration des conditions de fonctionnement des réseaux électriques en performant le contrôle de leurs paramètres par l'introduction de dispositifs de contrôle à base des composants d'électronique de puissance très avancés (GTO, IGBT) connus sous l'acronyme FACTS: Flexible Alternatif Curant Transmission Systems. L'apport de cette technologie FACTS pour les compagnies de l'électricité est d'ouvrir de nouvelles perspectives pour contrôler le flux de puissance dans les réseaux et d'augmenter les capacités utilisées des lignes existantes semblables à des extensions dans ces dernières. Ces apports résultent de l'habilité de ces contrôleurs FACTS de contrôler les paramètres
interdépendants qui gouvernent l'opération de transport de l'énergie électrique y compris l'impédance série, impédance shunt, courant, tension, angle de phase… etc.
La nouvelle génération des systèmes FACTS est constituée principalement par des convertisseurs de tension (ou courant), à base des interrupteurs statiques modernes (GTO ou IGBT) commandées en ouverture et en fermeture, liés à des condensateurs comme source de tension continue. Ces convertisseurs selon leur connexion au réseau sont distingués en compensateurs shunt, série et hybride tels que : STATCOM, SSSC, UPFC respectivement.
Organisation
Au carrefour d’exigences contemporaines et des défis posés par la complexité grandissante des procédés, la science des systèmes offre des voies de recherche et de réflexion parmi les plus prometteuses. Dans ce contexte, notre mémoire propose d'étudier la commande d’un STATCOM pour la compensation de l’énergie réactive dans un réseau électrique. Il comporte quatre chapitres :
Il nous a paru essentiel de donner un aperçu sur le problème de la qualité de l’énergie réactive sur les réseaux et les différents systèmes de compensation par les systèmes FACT.
Ce sera l’objet de premier chapitre.
Le deuxième chapitre est consacré à la modèle mathématique du système (réseau+STATCOM). A partir du circuit équivalent, la modélisation de chaque partie indépendamment permet d’avoir des structures mieux adaptées pour le réglage et le contrôle.
Au troisième chapitre nous allons présenter l’identification de contrôle de STATCOM ,Par la suite, une stratégie de commande watt-var découplée, également basée sur l’analyse de sensibilité. Les modèles développés sont applicables pour les études de flux de puissance, des études de stabilité transitoire et des études analytiques.
Dans le quatrième chapitre on a réalisé un modèle du système sur le SIMULINK MATLAB et l’interprétation des résultats. Finalement, divers exemple d’un réseau simple comportant un STATCOM ont été présentés afin de montrer la validité des stratégies de commande développées.
Une conclusion générale clôture notre travail
chapitre 1
État de l'art
1 .1. I nt ro duc t i o n
Le transport de l’énergie électrique consiste à acheminer les puissances produites par les unités de production auprès des lieux de consommation. Les grandes centrales étant en général groupées autour des fleuves, des cours d’eau et des océans, le « grand transport » consiste à parcourir de longues distances en direction des extrémités des territoires nationaux. L’ordre de grandeur de ces distances impose, entre autre, le fait de véhiculer l’énergie électrique sous très haute tension.
1 .2. L es s yst èmes de c omp ens at i o n
Compensateurs de puissance réactive ont été appliquées dans les systèmes électriques pour augmenter la transmission de puissance en régime permanent en régulant la tension le long des lignes de transport. Les systèmes de compensation sont utilisés aussi bien pour éviter l'injection au réseau des perturbations que pour protéger les sources sensibles face aux perturbations présentes sur le réseau. La nouvelle génération de compensateurs s'appuie sur des dispositifs électroniques de puissance. Ils sont adaptés pour la compensation de puissance réactive rapide dans les systèmes électriques.
Par conséquent, ils sont efficaces dans la compensation dynamique et contrôle en temps réel du flux de puissance dans les systèmes électriques. Ces compensateurs sont utilisés en série, shunt ou une combinaison entre eux dans les lignes de transport.
Les compensateurs shunts servent essentiellement à absorber les perturbations venantes de diverses charges et/ou génératrices, évitant ainsi de perturber la tension du réseau. Si le compensateur est basé sur des éléments passifs commutés, il peut servir à régler la tension au nœud de raccordement par l'absorption ou génération des courants réactifs. S'il est basé sur un onduleur de tension, en plus de ces fonctionnalités, il peut également être utilisé comme filtre actif car il peut faire office de source de courant contrôlée.
L'action principale d'un compensateur série basé sur des éléments passifs commutés est la modification de l'impédance de ligne. Si le compensateur est basé sur un onduleur de tension il sert à compenser les perturbations agissant sur la tension d'alimentation de la charge par l'injection d'une tension en série avec la tension du réseau.
Chapitre 1 : État de l'art
Afin de démontrer les principales idées derrière le contrôle de débit de puissance, considérons l'écoulement de la puissance réelle de la ligne de transport sans perte. Le flux de puissance est fonction de la réactance de ligne X, l'ampleur de production et la qualité de la réception de fin (Les tension V1, V2 et l'angle de phase entre ces tensions φ).
Pour illustrer la façon dont l'impédance, la tension ou différence d'angle de phase peut être utilisé pour contrôler le flux de puissance, considérons le réseau de la figure ci-dessous. La boîte à la fin de la ligne 1 représente un dispositif de contrôle de flux :
Figure 1-1 : Contrôle des puissances dans un réseau électrique Les puissances à contrôler dans un réseau sont :
V
sin φ (1-1)
V
(1 cos φ) (1-2)
D’où
sin φ (1-3)
1 cos φ (1-4)
Ainsi, le débit naturel de la puissance réelle est déterminé par les rapports des réactances de ligne. En introduisant un dispositif de contrôle comme le montre la figure (1.3), les flux de puissance naturelle ci-dessus seront modifiés. Exemples d'utilisation de chacun des trois paramètres ( , V, φ) pour contrôler le flux de puissance.
1.2.1. Compensation séries
1.2.1.1. Principes de compensation de série
La compensation série est basée sur le principe de réduire la réactance effective d'une ligne de transport électrique. Conventionnellement c'est la réactance du compensateur série capacitif qui élimine une quantité de la réactance de la ligne et donc l'impédance effective de la ligne électrique est réduit comme si sa longueur physique a été diminuée.
Également on peut atteindre cet objectif en injectant une tension alternative, de même Dispositif de contrôle
1
V j.X V20
S
fréquence que le réseau, en série dans la ligne et qui est en quadrature (90°) avec le courant de celle-ci. Le simple composant ou dispositif pour achever une compensation série dans une ligne est l'insertion des condensateurs en série.
Cependant, la stratégie de compensation est d'injecté une tension Vcomp entre la ligne et la charge pour modifier l'angle de V2, qui devient la tension aux bornes de la charge. Dans ce type de compensation, le courant de charge ne peut pas être changé, ce qui signifie que la tension de compensation doit être ajustée pour atteindre la tension requise aux bornes de la charge. En outre, la puissance apparente échangé avec le compensateur série dépend de l'amplitude Vcomp.
Figure 1-2 : Compensation série
1.2.1.2. Le contrôle de l'impédance de ligne en utilisant la compensation série
Cette compensation série est réalisée en utilisant des condensateurs en série qui peuvent être contrôlés mécaniquement ou utilisant des thyristors. Le diagramme de Fresnel représenté par la figure (1-6.b) montre que le profil de tension est amélioré tout au long de la ligne et l’angle de transport est réduit d’où une amélioration de la stabilité dynamique du système de transport.
Figure 1-3 : contrôle d’impédance par une compensation série.
jX*I V2
I
jXc*I V1
V2∠0 j*X
S1=P1+j*
Q1
S2=P2+j*
Q2
I∠δ V1∠φ - j.Xc
تتتتثيس تjjjلل
jj*Xc
R
V1
V2
Vcomp
R Ip
X jIp
1
V V'0
1 1
1 P j.Q
S
2 2 V VComp
0 Ip
1 1
1 R j.X
Z
Chapitre 1 : État de l'art
Les flux de puissance qui en résultent sont donnés par :
V
sin φ
V
(1 cos φ)
Donc
1
1 sin φ ( 1-5)
1
1 (1 cos φ) ( 1-6)
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
φ T V
(1 φ) V1∠φ
1
j*X S
V2∠φ
2
δ V1∠φ
1
j*X S
V2∠φ
2
δ
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
RIp
jXIp
IP
Iq
I V1
V2
1
V V20
1 1
1 P j.Q
S
jX R Z
2 2
2 P j.Q
S
I
Iq
IP
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 Les mesures Les références
1 V
1 1
1 P j.Q
S
1 1
1 R jX
Z Z2 R2 jX2 V20
2 2
2 P j.Q
S
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 VL
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
V
V = Vs
sin ( t ) sin ( t ) sin ( t )
(2.13) Avec : Vmax= .Vs
Vs :la tension du réseau
W :la pulsation de la tension du réseau en rad/s on a les équation suivent :
V _ V =R I +L (2.14) V _ V =R I +L (2.15) V _ V =R I +L (2.16) A partir de le systèmes d’équation on a :
I =( )
I (2.17)
I =( )
–
I (2.18)
I =( )
I (2.19) En forme matricielle :
d dt
I I
R
L R
L R
L
. I I
1 L .
V V V V
V V
(2-20)
Le système dernière peut être réécrit dans repère d’axes direct, quadrature(d,q),en 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 =
V V V
= ( ). V =V sin
cos (2.23)
Transformation de la partie couplage magnétique : V
V
V Ls I I
I R
R
R I I I
V V V
V V V V
V V (2.24) Dans le plan de Park le système devient sous le forme suivent :
V V V
Ls I I
I R
R
R I I I
V V V
V V V V V V
(2.25)
En combinant les deux parties du circuit magnétique on parvient à l’équation suivent : i = i w i + (V V ) (2.26)
i = w i i + (V V ) (2.27) A partir de l’équation (2.25) on a:
P. I (p) = ( R I L w I + (V V ) (2.28)
I (p) = . ( R I L w I + (V V ) (2.29) En suit a partir de l’équation (2.26) on obtient que :
P. I (p) = ( R I L w I + (V V ) (2.30)
I (p) = . ( R I w I + (V V ) (2.31) 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 :
= .sin( ) , = .cos ( ) , et =0 =0 A partir de l’équation (2.33) on a :
. .
1. .
. .
.
(2.35) Après le remplacement on obtient :
. 1
( . sin ( )) … … … . (2. 6)
. 1
( . cos( ) ) … … (2. )
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
K K
I s I
I pqo
I
V V V
Boucle à Verrouillage de Phase {PLL}
Générateur d'impulsions
Impulsions au convertisseur
α
Contrôleur VDC
ref
VDC_
sh
Vs
ref
Vs_
sh
Contrôleur
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
K K
I s I
I pqo
I
V V V
Boucle à Verrouillage de Phase {PLL}
Générateur d'impulsions
Impulsions au convertisseur
m V
V K K
s δ
sin ( δ)
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 dt
I I
R L
R
L
. I I 1
L . V V
V V (2-13)
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 contrôlant le flux de puissance active (Psh), la tension continue du condensateur (Vdc) peut être contrôlée.
. I . I
. (V V )
. I . I
. V V (2.14) Sur le vecteur de commande on effectue le changement de variable suivant :
.
. (2.15) A partir de la première équation du système on aura :
. I . I
. I U
. I . I
. I U (2.15) Où U et U sont des variables de commande auxiliaire.
On appliquant la transformation de Laplace sur cette équation on obtient :
. (2.16)
Le schéma suivant résume ce transfert
Figure 2-7 : Système de régulation
De ce qu'on vient de voir on constate qu'il y a un couplage naturelle dans les transferts des courants I et I ; pour éliminer ce couplage on utilise la méthode de compensation et avec des régulateurs PI on peut contrôler les courants de sortie du STATCOM et les faire suivre leurs consignes I et I et finalement arriver au schéma de régulation du STATCOM par la méthode Watt-Var découplée comme le représente le schéma bloc.
Figure 2-8 : Schéma bloc du STATCOM par la méthode watt-var découplée.
①Références ②Mesures ③Contrôleur ④Impulsions V
PWM
P I PI
V
V
V
I
I V
V V
2 I I
V
PI PI
t I
I
3
4 1
1
s
U I
. I
1 s
U I
. I
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 km Ligne 100
km Ligne 100
Commande du STATCOM VDC
km Ligne 100
km Ligne 100
km Ligne 100
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
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Time
Vabc (pu)
Va V
b V
c
Les mesures Les références km Ligne 100
km Ligne 100
Commande du STATCOM VDC
km Ligne 100
km Ligne 100
km Ligne 100
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)
Va Vb Vc
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)
