ANALYSE DES METHODES DE L’AMELIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE

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FLICKER (Compensation d’énergie réactive)

La puissance réactive est majoritairement consommée par les moteurs asynchrones et plus récemment par des dispositifs à base d’électronique de puissance. Différentes méthodes de compensation sont utilisées pour relever le facteur de puissance. La plus simple consiste à placer des batteries de condensateur en parallèle avec le réseau et des compensateurs synchrones produisant de l’énergie, réactive.

Solutions modernes

Les solutions de dépollution traditionnelle ne répondent plus à l’évolution des réseaux électriques et des charges à protéger, comme nous venons de le décrire précédemment, d’autres solutions modernes ont été proposées.

Harmoniques (Dépollution des courants perturbateurs)

La première solution de dépollution consiste à fabriquer la charge la moins polluante possible, comme le pont redresseur dodécaphasé, de manière à réduire le taux d’émission d’harmonique. Les appareils à prélèvement sinusoïdal sont aussi proposés pour la compensation des harmoniques et de la puissance réactive. Cependant, ces solutions entraînent un coût supplémentaire et demandent plus que le savoir-faire habituel pour les mettre en œuvre. De plus, ces solutions ne résolvent pas les problèmes causés par les charges polluantes qui existent sur le marché.
Afin d’accompagner l’évolution des contraintes du fournisseur et du consommateurs sans imposer un changement aux installations, une famille de filtres actifs parallèles a été proposée comme une solution de dépollution des perturbations en courants.

Creux de Tension (Dépollution des tensions perturbatrices)

D’autres solutions modernes pour la compensation des creux de tension se base sur l’utilisation de dispositifs de compensation à réserve d’énergie comme les ASI (Alimentation sans Interruption). Ces dispositifs sont intercalés en série entre le réseau polluant et l’installation à désensibiliser pour assurer une fourniture de l’énergie électrique même pendant les creux de tension ou les coupures brèves. Le problème est la limitation en puissance de ces dispositifs et leur autonomie qui n’est pas toujours adaptée à la durée des creux de tension ou aux coupures brèves.

FLICKER (Compensation d’énergie réactive)

Afin d’augmenter la performance dynamique et réaliser une compensation variable en fonction de la consommation d’énergie réactive de la charge, il est nécessaire d’utiliser des convertisseurs statiques de puissance réactive avancée [ ], utilisés plus particulièrement pour injecter de la puissance réactive en un point du réseau, de façon à augmenter la puissance maximale transmissible et la stabilité du réseau.
Les convertisseurs statiques de puissance réactive, tel que les éléments FACTS (STAT COM, UPFC,..) utiliser aujourd’hui des onduleurs triphasés pour régler la puissance réactive absorbée ou transmise au réseau, d’autre applications plus récente en développement, sont la compensation Série , le variateur de charge UPFC utilisé surtout dans les réseaux de transmission afin d’augmenter la stabilité du réseau de transmission [ ]. Ce dernier fera l’étude de notre mémoire.

Inconvénient d’un faible facteur de puissance

La présence d’un facteur de puissance <1 dans une installation a une conséquence très négative : Le courant fourni pour produire cette puissance est surélevé par rapport au cas où le facteur de puissance est égal à 1[5]. L’exemple simple ci-dessous le confirme :

V I cosϕ = 1 Puissance PIcosϕ=1 = P/V

2Icosϕ=1 ! VIcosϕ = 0.5 Puissance P Icosϕ=0.5 =P/V/0.5 =0.

En revanche, la tarification de l’énergie comptabilise uniquement la puissance active consommée. De ce fait, les deux utilisateurs ci-dessus payent la même facture, alors que le récepteur dont le cosϕ=0.5 consomme deux fois plus de courant efficace [5].

En revanche, les sociétés de production d’énergie électrique surtaxent les utilisateurs dont le cosϕ est <0.8, de manière à pénaliser le surdimensionnement du réseau qu’implique la nécessité d’un courant trop grand.

Quand une installation, ou un réseau électrique présente un cosϕ<0.8, il est nécessaire de modifier l’installation de manière à élever ce facteur [5]. Etant donné que la grande majorité des installations sont plutôt inductives, c’est-à-dire que le cosϕ<1 est dû à la présence d’inductances dans les circuits. Donc on constate que le facteur de puissance peut influencer sur le producteur, distributeur et l’utilisateur et cela comme suit :

Pour le producteur

Le dimensionnement d’un alternateur ou d’un transformateur dépend de sa puissance apparente. Donc à égalité de puissance active l’alternateur, le transformateur, sont d’autant plus gros et plus coûteux que le facteur de puissance est plus petit [8]. De plus le rendement des machines est alors faible et la régulation des tensions est plus difficile.

Pour le distributeur

Une installation déjà existante (prévue pour une certaine puissance apparente) peut fournir d’autant moins d’énergie active que le facteur de puissance est plus faible. Elle est mal utilisée. Le capital investi est d’un moindre rapport [8].

On conçoit dés lors que le producteur et distributeur ne tolèrent pas que l’utilisateur ait une installation ayant un facteur de puissance trop faible.

Pour l’utilisateur

L’utilisation lui-même est directement intéressée par le facteur de puissance de son installation, il influe sur la chute de tension du transformateur placé à l’entrée de celle-ci et sur celles des canalisations. De ce fait les moteurs peuvent être sous voltés. Même s’il supporte les inconvénients dont il est responsable, on conçoit que le producteur et distributeur

Ont tout de même de bonne raison de le pénaliser. En cas de facteur de puissance trop faible, l’utilisateur doit payer l’énergie réactive consommée..

Causes du faible facteur de puissance

Souvent un faible facteur de puissance pour causes de mauvaises conditions d’utilisations du matériel, ou bien pour des problèmes liées à la construction de ce dernier..

En définitive, un faible facteur de puissance à souvent pour causes de mauvaise condition d’utilisation du matériel, ces conditions correspondant par exemple :

– Pour les transformateurs à un fonctionnement à vide ou faible charge.

– Pour les moteurs Asynchrones, à des marches à vide ou à faible charge fréquente, auxquelles il convient d’ajouter parfois un niveau de tension d’alimentation trop élevé..

– Pour l’éclairage fluorescent a une mauvaise conception.

Moyens de compensation de puissance réactive

Les lignes et les câbles, eux, produisent au contraire en permanence la puissance réactive par leur capacité transversale, mais ils absorbent aussi proportionnellement au carré de la charge
Par la réactance longitudinale. On sait qu’au total ces deux phénomènes se compensent lorsque la puissance transitée est égale à la puissance caractéristique [8]. Pratiquement, la puissance transitée est inférieure à la puissance caractéristique dans tous les câbles HT et dans les câbles MT à grosse section. Les câbles sont donc en moyenne des producteurs de la puissance réactive. Au contraire, les lignes aériennes transitent fréquemment une puissance supérieure à leur puissance caractéristique. Elles constituent donc suivant les cas d’une manière générale,
Aussi bien un consommateur qu’un producteur, de la puissance réactive.

Elle en résulte qu’à pleine charge, on ne doit pas prélever une puissance réactive importante sur les réseaux de transport, alors qu’au contraire, a faible charge, il est nécessaire d’en
Prélever une certaine quantité. Dans le premier cas en, effet la puissance réactive appelée par la charge ne peut être fournie par le réseau de transport qui est lui-même consommateur mais seulement par les centrales. Elle circule sur tout le réseau de transport en provoquant des chutes de tensions et des pertes. Dans le deuxième cas, le réseau de transport étant producteur de puissance réactive, si celle-ci n’est pas absorbée par la charge, elle remonte jusqu’au générateurs, créant une élévation de tension, qui peut être excessive, aux points de livraison aux réseaux de distribution.
Pour couvrir les besoins en puissance réactive indispensable pour le fonctionnement des récepteurs on à souvent recours à ce qu’on appelle les sources supplémentaires de puissance réactive. Parmi ces ressources on distingue :
• Les Compensateurs Statiques
• Les Compensateurs synchrones peuvent également fournir de l’énergie réactive
• Les convertisseurs Statiques

Compensateurs synchrones

Dans les systèmes énergétiques, les générateurs synchrones sont les principaux producteurs de puissances actives et réactives. Pour la puissance active. Ils sont l’unique source, par contre Pour la puissance réactive la quantité produite par ces sources est limite par les conditions de fonctionnement normales des machines des centrales. La quantité produite n’est pas constante..
Les compensateurs synchrones sont très utilisés dans les systèmes électriques pour résoudre des problèmes de compensation de la puissance réactive et de réglage de la tension.

Description du convertisseur synchrone

Le moteur synchrone et l’alternateur sont identiques, fonctionnant à partir des mêmes principes, et seulement le sens de l’écoulement d’énergie détermine si le convertisseur est un alternateur ou un moteur. Il faut noter l’énergie circule de la tension qui est en avance de phase vers la tension qui est en retard de phase..
Le convertisseur possède un stator alimenté par une source d’énergie triphasée, les trois courants de phase produiront un champ magnétique (ϕ1) tournant à 120 f/p, la bobine secondaire du moteur élémentaire est alimentée avec du courant continu, un champ magnétique unidirectionnel ( ϕ2) sera existant dans l’axe de la bobine. Les électrotechniciens avaient surtout besoin des moteurs synchrones pour corriger le facteur de puissance.

Batteries de condensateurs

Les condensateurs sont connus depuis longtemps (bouteille de leyde en 174 S) ils sont commencés à utiliser sur les réseaux vers les années 1920[13], les premiers appareils étaient réalisé avec des couches de papier placées entre les électrodes en feuilles métallique : étain, Clinquant, Aluminium. L’ensemble était imprégné d’huile minérale.
En 1932 [13], un important progrès juste obtenu en remplacent l’huile minérale par un imprégnant chloré cette technique se développe aux ETATS-UNIS et apparut en FRANCE vers 1950[13]. De nombreux perfectionnement conduit au condensateur normalisé de 20 KVAR dont plus de 100.000 unités sont actuellement en service sur le réseau d’électricité de France. Les progrès accomplis dans la production des matières
Les progrès accomplis dans la production des matières des matières premières et dans leur mise en œuvre permettent de mettre au point des unités de 50 / 100KVAR[ 13] au moment ou les progrès dans cette technologie Paraissaient, un nouveau pas important à été franchi avec l’introduction de matières plastique.
On réalise actuellement des condensateurs dont les puissances unitaires atteintes plusieurs centaines de KVAR. Ces batteries sont très utilisées dans les réseaux de distribution pour le réglage de la puissance réactive et la tension.
En générale une batterie de condensateurs est constituée par un système de condensateurs branchés en combinaison : série- parallèle, selon la disposition des condensateurs sur le réseau électrique, on peut distinguer deux types de compensation : Compensation shunt, série.

Compensateurs Statiques

Grâce au développement de l’électronique de puissance, la compensation d’énergie réactive par des moyens statiques est devenue possible par des compensateurs statiques de puissance réactive (SVC). Ces dispositifs constitués d’éléments électriques (batteries de condensateur, bobine…est) et d’éléments d’électronique pour commutation (thyristors) permettant des variations rapides et continue de puissance réactive pour éliminer les fluctuations de la puissance réactive absorbée par certains appareils provoquent des fluctuations de tension qui peuvent être gênantes pour tous les usagers [12].
Les compensateurs statiques, constitués d’une batterie de condensateurs et d’un absorbeur à réactances avec réglage de courants avec des valves à thyristors, sont capables d’atténuer cette fluctuation, même lorsqu’elles sont rapides comme dans le cas des fours à arc [12].Il existe différente configuration de compensateurs tels que :

Compensateur Statique à Capacité Variable (TS.C)

Les compensateurs à capacité variable TSC (Thyristors Switched Capacitors) Sont composés d’unités de condensateurs commutés par thyristors, la figure (II.14) montres un exemple de compensateur statique à capacité variable.
La batterie de condensateur et fractionné en gradins appropriés qui sont individuellement commutés par des thyristors bidirectionnels. Pour ce type de compensation des règles importantes doivent être respecté. Les compensateurs doivent être pré chargé à la valeur crête du réseau et enclenchés lorsque cette tension devient égale à celle du pré charge [12]. Ce système nécessite pour obtenir une compensation fixe. D’utiliser un nombre important de condensateurs et la mise en œuvre d’une commande complexe.

Compensateur Statique à réactance contrôlé (TS.R)

Les compensateurs statiques (TSR) (Thyristor Switched Reador) sont fréquents utilisé pour améliorer la stabilité des réseaux d’énergie électrique. Ils sont le plus souvent composés d’unités de réactances réglées par thyristors absorbant de la puissance réactive. La figure (II.15.) montre une inductance brancher en parallèle avec un condensateur non réglable (fixe).
Ce principe est plus avantageux que le premier (TSC) ou la compensation est du type discontinue car la régulation de la puissance réactive ce fait par échelons. Il existe donc toujours une différence entre la puissance réactive fournie (Q c ) et celle consommée (Q v), Cette différence Qv – Qc = Qr
Constitue une charge pour le réseau.

Convertisseurs Statiques

Devant les problèmes de transit de puissance, 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..
Le concept FACTS regroupe tous les dispositifs à base d’électronique de puissance qui Permettent de compenser l’énergie réactive et améliorer l’exploitation du réseau électrique.
La technologie de ces systèmes (Interrupteur statique) leur assure une vitesse supérieure à celle des systèmes électromécaniques classiques. De plus, elles peuvent contrôler le transit de puissance dans les réseaux et augmenter la capacité efficace de transport tout en maintenant voir en améliorant, la stabilité des réseaux. Les systèmes FACTS peuvent être classés en trois catégories [16] :
• Les compensateurs parallèles à base de GTO thyristors.
• Les compensateurs séries à base de GTO thyristors.
• Les compensateurs hybrides (série – parallèle) à base de GTO thyristors.

Compensateurs Parallèles

Le principe de ce type de compensateur est connu depuis la fin des années 70 mais ce n’est que dans les années 90 que ce type de compensateur a connu un essor important grâce aux développements des interrupteurs GTO de forte puissance [15].Le STATCOM présente plusieurs avantages :
• bonne réponse à faible tension : le STATCOM est capable de fournir son courant nominal, même lorsque la tension est presque nulle.
• bonne réponse dynamique : Le système répond instantanément.
Cependant, le STATCOM de base engendre de nombreux harmoniques. Il faut donc utiliser, Pour résoudre ce problème, des compensateurs multi niveaux à commande MLI ou encore Installer des filtres..
La figure II.18 représente le schéma fonctionnel d’un STATCOM, les cellules de commutation sont bidirectionnelles, formées de GTO et de diode parallèle [18]. Le rôle du STATCOM est d’échanger de l’énergie réactive avec le réseau. L’onduleur est couplé au réseau par l’intermédiaire d’un transformateur shunt de couplage.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. QUALITE D’ENERGIE ELECTRIQUE
Introduction
I. 1. Phénomènes perturbateurs de QEE
I.2.Indice de QEE
I.2.1. Variations de Fréquence
I.2.2. Variation Lente de Tension
I.2.3. Variation rapide de Tension
I.2.4. Creux de tension
I. 2.5. Les Surtensions
I.2.6. Harmoniques
I.2.7. Déséquilibre du courant et de la tension
I.3. Solutions d’amélioration QEE dans un réseau électrique
I.3.1. Solutions traditionnelles
I.3.1.1. Déséquilibre (élimination des courants perturbateurs)
I.3.1.1.1. Rééquilibrage des courants du réseau électrique
I.3.1.2. Harmonique (Compensation des courants harmoniques)
I.3.1.3. Creux de tension (élimination des tensions perturbatrices)
I.3.1.4. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)
I.3.2. Solutions modernes
I.3.2.1. Harmoniques (Dépollution des courants perturbateurs)
I.2.2. Creux de Tension (Dépollution des tensions perturbatrices)
I.3.2.3. FLICKER (Compensation d’énergie réactive)
I. 4. Vue d’ensemble sur les principaux phénomènes perturbateurs, Avec quelque solution
I. 5. Conclusion
CHAPITRE II. ANALYSE DES METHODES DE L’AMELIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE
Introduction
II.1. Notions de Puissance électrique en alternatif sinusoïdal
II.2. Inconvénient d’un faible facteur de puissance
II.3. Causes du faible facteur de puissance
II.4. Moyens d’amélioration du facteur de puissance
II.4. 1.Théorie de compensation d’énergie réactive
II.4.2. Moyens de compensation de puissance réactive
II.4.2.1. Compensateurs synchrones
II.4.2.1.1. Description du convertisseur synchrone
II.4.2.1..2. Modélisation du convertisseur synchrone
1. Le modèle de l’alternateur
2. Le modèle du moteur synchrone
II.4.2.1..3. Mode de fonctionnement en Alternateur dans un réseau
II.4.2..2. Batteries de condensateurs
II.4.2.2.1. Compensation Shunt
II.4.2.2.2. Compensation Série
II.4.2.3. Compensateurs Statiques
II.4.2.3.1.Compensateur Statique à Capacité Variable (TS.C)
II.4.2.3.2. Compensateur Statique à réactance contrôlé (TS.R)
II.4.2.3.3. Mode de Control et Réglage des Compensateurs Statiques
II.4.2.4. Convertisseurs Statiques
II.4.2.4.1. Compensateurs Parallèles
II.4.2.4.2. Compensateurs Parallèles
II.4.2.4.3. Compensateurs Hybride Parallèle série
II.5. Conclusion
CHAPITRE III. AMELIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE PAR U P F C.
Introduction
III.1. Flux de puissance dans une ligne de transmission
III.2. Systèmes de Transmission à Courant Flexible (FACTS)
III.2.1. Elément de base (thyristors) des FACTS
III.2..2. Composants modernes pour convertisseurs
De grandes puissances
III.2..3. Topologies modernes des convertisseurs
Pour l’interaction avec le réseau
III.2.4. Technique MLI
III.3. Le régulateur de charge universel (UPFC)
III.3.1. Opération de Base et Caractéristiques de L’ UPFC
III.3.1.1. Mode de Control automatique
III.3.1.2. Mode de compensation.
III.4. Conclusion
CHAPITRE IV. MODELISATION ET SIMULATION DE L’U P F C.
Introduction
IV.1. Principe de fonctionnement de l’ UPFC
IV. 2. Modélisation du régulateur de charge (UPFC)
IV.2.1. Le modèle Permanent
IV.2.2. Le modèle linéaire
IV.2.3. Le modèle de l’état dynamique
IV.3. Modèle de Stabilité Transitoire
IV.3.1. Etat dynamique
IV .3.2. Etat stable
IV .3.3. Limites de contrôle
IV .3.3.1. Limites de Control du Convertisseur shunt
IV .3.3.2. Limites de Control du Convertisseur série
IV.3.4. Mode de Control du régulateur de charge (UPFC)
IV.3.4. 1. Mode de Control du convertisseur Shunt
IV.3.4. 2. Mode de Control du convertisseur Série
IV. 4. Réseau étudié
IV.5. SIMULATION
IV.6. Conclusion
CHAPITRE V. TRAITEMENT DES RESULTATS
V.1. Résultats de Simulation
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES