Commande et stabilité du réseau électrique

Commande et stabilité du réseau électrique

Situation actuelle et motivation de la thèse

L’amélioration de la sécurité et stabilité des systèmes de puissance est devenue la préoccupation principale des compagnies et fournisseurs de l’énergie électrique dans un contexte mondial d’industrialisation, de développement économique, d’un marché de 1′ énergie en rapide évolution et des réseaux électriques de plus en plus interconnectés. Les spécialistes et ingénieurs des réseaux sont appelés à faire face à ces défis très importants par la modernisation des équipements de régulation existants et le développement de nouvelles techniques de commande pour une meilleure exploitation et performance des réseaux électriques. Plusieurs travaux de recherche sont proposés dans la littérature pour atteindre ces objectifs. La première classe de ces travaux concerne l’optimisation, le remplacement et la coordination des équipements de contrôle conventionnels.

À ce sujet, on mentionne les travaux qui appliquent des techniques avancées de 1′ automatique pour 1 ‘optimisation des stabilisateurs de puissance (Abdel-Magid, Abido et Mantaway, 2000; Kamwa, Trudel et Gerin-Lajoie, 2000). D’autres travaux proposent des régulateurs basés sur la commande moderne pour remplacer les régulateurs classiques du réseau électrique, telles que la commande non linéaire (Akhrif et al., 1999), la commande robuste H00 (Zhu et al., 2003), la commande robuste adaptative (Okou, Dessaint et Akhrif, 2005b) et la commande basée sur les réseaux de neurones (Chaturvedi et Malik, 2005; You, Eghbali et Nehrir, 2003). Cette première classe évoque aussi la coordination des actions des différents régulateurs de machines en vue d’une meilleure performance (Bevrani et Hiyama, 2007; Bourles et al., 1998; Dysko, Leithead et O’Reilly, 2010). Cette nécessité de coordonner les différents niveaux de commande dans un réseau électrique a donné naissance à de nouvelles perspectives de recherche qui préconisent l’utilisation des signaux à la grandeur du réseau (signaux globaux) pour la coordination des régulateurs Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. conventionnels des machines synchrones.

Parmi ces travaux, Aboul-Ela et al. (Aboul-Ela et al., 1996) utilisent les signaux globaux pour la coordination de plusieurs stabilisateurs de puissance. Kamwa et al. (Kamwa, Grondin et Hebert, 2001) présentent une structure hiérarchisée/décentralisée constituée d’un PSS central qui fonctionne en coordination avec les PSSs locaux. Dans le même contexte, Ni et al. (Ni, Heydt et Mili, 2002) introduisent l’approche multi agents qui permet la coordination de plusieurs stabilisateurs conventionnels en utilisant un stabilisateur de puissance superviseur (SPSS). Pour sa part, Zhang (Zhang et Bose, 2008) propose un contrôleur central basé sur les mesures à la grandeur du réseau électrique (Wide-Area Damping Controller) pour fournir des signaux de commande supplémentaires aux régulateurs automatiques de tension (AVRs) afin d’augmenter l’efficacité des PSSs locaux à amortir les oscillations de puissance.

Enfin, l’ approche globale basée sur les mesures à la grandeur du réseau communément appelée commande globale est introduite dans (Okou, Dessaint et Akhrif, 2005a) avec le modèle non linéaire et dans (Zabaiou, 2005) la version linéaire. Cette commande permet la coordination par signaux globaux des régulateurs des générateurs à travers une structure hiérarchisée à deux niveaux. Le premier niveau dit local est constitué des régulateurs de tension, de vitesse et d’un stabilisateur de puissance tandis que le second niveau est une structure centrale qui utilise les signaux provenant des générateurs du réseau entier pour compenser les interactions inter-générateurs et par conséquent augmenter la performance des régulateurs locaux.

La deuxième classe est consacrée à l’utilisation de nouvelles technologies comme les dispositifs électroniques de puissance à réponse rapide, récemment développés et connus sous l’appellation FACTS (Flexible Altemating Current Transmission Systems) (Hingorani, 1988) et la technologie WAMS (Wide-Area Measurement Systems) qui permet d’obtenir des mesures synchronisées par GPS (Global Positioning Satellite) à la grandeur des réseaux électriques (Kamwa, Gerin-La joie et Trudel, 1998). Les dispositifs F ACTS sont apparus comme des outils efficaces pour augmenter le transit de puissance, la régulation de la tension et pour la mitigation des oscillations de puissance basse fréquence en ajoutant une boucle Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. d’amortissement supplémentaire. Ces boucles sont d’ailleurs plus efficaces en présence des mesures globales comme signaux de commande (Chang et Xu, 2007; Mohagheghi, Venayagamoorthy et Harley, 2007; Ray et Venayagamoorthy, 2008b).

Organisation du document

Ce document évoquera en sept chapitres la coordination des régulateurs automatiques de tension (AVRs) et des contrôleurs de compensateurs statiques (SVCs). L’introduction présente brièvement la motivation, la problématique et les objectifs de la thèse. Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. Le premier chapitre de la thèse est consacré à la revue de la littérature. En effet, dans ce chapitre une étude exhaustive en rapport avec la problématique est présentée. Nous commençons par un rappel sur la commande locale des réseaux électriques, ensuite nous étudions le rôle des équipements F ACTS et enfin nous introduisons quelques définitions relatives aux mesures à la grandeur des réseaux et leurs intérêts pour la commande et la coordination. Cette étude bibliographique nous permet de justifier le choix de notre approche et de mettre en valeur l’originalité et les contributions de notre travail. Le deuxième chapitre a pour objectif la présentation des différents équipements F ACTS, leurs avantages et leurs applications. Dans ce chapitre, nous étudions de façon détaillée le compensateur statique d’énergie réactive (SVC) ainsi que le rôle de sa commande auxiliaire (boucle d’amortissement supplémentaire). Dans le troisième chapitre, nous allons modéliser les différents composants du réseau électrique.

Ensuite, nous allons décrire en détail la méthode suivie pour établir le modèle non linéaire du réseau électrique en présence des SVCs. La linéarisation des équations électriques et la représentation d’état du modèle linéaire sont présentées dans le quatrième chapitre. La conception du contrôleur global de coordination, le principe de coordination et les équations du contrôleur sont également expliqués dans ce chapitre. Le cinquième chapitre présente le réseau étudié et les différents tests effectués pour vérifier l’efficacité de la méthode proposée. Ce chapitre permet aussi de décrire les simulations réalisées et d’analyser les résultats obtenus. Dans le sixième chapitre, nous proposons la méthode du RGA comme un outil pour l’analyse des interactions et la sélection des signaux de coordination. Le contrôleur réduit basé sur les signaux sélectionnés et ensuite tester puis comparer avec le premier contrôleur basé sur tous les signaux pour les mêmes situations et contingences. Cette comparaison permet de vérifier l’efficacité du nouveau contrôleur avec un ensemble réduit de signaux de commande de coordination. Le dernier chapitre est dédié à l’étude de l’impact des délais de communication sur la performance du contrôleur proposé. Ce chapitre présente également une méthode de compensation des délais basée sur le prédicteur de Smith. Nous terminons notre thèse par une conclusion générale qui décrit les avantages et les limitations de notre travail. Les perspectives permettant de compléter le travail réalisé au long de cette thèse sont indiquées à la fin.

REVUE DE LA LITTÉRATURE

Les réseaux électriques sont des infrastructures vitales et stratégiques qui jouent un rôle primordial dans le développement économique et social de tout pays. Cependant, 1 ‘un des problèmes majeurs qui fait face à ces systèmes est la stabilité. Pour que les réseaux soient efficaces, ils doivent garantir un équilibre entre la production et la consommation en alimentant les différents centres de consommation avec une tension et une fréquence constantes en tout temps. Ces systèmes de puissance doivent rester stables face à toutes sorte de perturbations (variation de charge, perte d’une unité de génération, court-circuit sur une ligne de transmission, perte de ligne, etc.). D’où l’intérêt particulier des chercheurs pour le développement de nouvelles méthodes et nouveaux équipements de commande permettant de garantir un bon fonctionnement des réseaux électriques et d’améliorer leur stabilité pour rendre leur exploitation plus flexible.

La revue bibliographique que nous allons parcourir vise à présenter les divers concepts liés à la problématique de la coordination des générateurs synchrones et des compensateurs statiques (SVCs). Pour ce faire, nous allons passer en revue les différents éléments de la commande locale (conventionnelle). Ensuite, nous introduisons les équipements F ACTS (Flexible Altemating Current Transmission Systems) et leur rôle comme nouvelle alternative pour l’amélioration de la stabilité et l’amortissement des oscillations de puissance basse fréquence. Nous continuons par présenter les différentes techniques utilisées jusqu’ici pour la synthèse de commande auxiliaire pour les compensateurs statiques. Nous terminons par aborder les travaux de recherche qui évoquent l’intérêt de la coordination de tous ces équipements de contrôle et qui proposent de nouvelles structures de commande pour coordonner leurs actions. Nous évoquerons principalement la coordination des actions des contrôleurs des excitations des générateurs et des SVCs.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Commande et stabilité du réseau électrique
1.2.1 Commande locale (régulateurs conventionnels)
1.2.2 Commande du réseau de transport (équipements F ACTS)
1.3 Rôle du compensateur statique d’énergie réactive (SVC)
1.4 Coordination des générateurs synchrones et SV Cs
1.5 Intérêt de la commande basée sur les mesures à la grandeur du réseau
CHAPITRE 2 ÉTUDE DU COMPENSATEUR STATIQUE (SVC) ET SA COMMANDE AUXILIAIRE
2.1 Introduction
2.2 Définition et concept FACTS
2.3 Différents catégories des F ACTS
2.3 .1 Compensateurs parallèles
2.3.1.1 Compensateur statique d’énergie réactive (SVC)
2.3.1.2 Compensateur statique synchrone (STATCOM)
2.3.2 Compensateurs séries
2.3 .2.1 Compensateur série commandé par thyristors (TCSC)
2.3.2.2 Compensateur série statique synchrone (SSSC)
2.3.3 Compensateurs hybrides (série-série et shunt-série)
2.3.3.1 Contrôleur universel de flux de puissance (UPFC)
2.4 Avantages et applications des FACTS
2.5 Étude du compensateur statique d’énergie réactive (SVC)
2.5.1 Schéma électrique et fonctionnement du SVC
2.5.2 Modèle dynamique du SVC
2.6 Rôle de la commande auxiliaire du SVC
2.7 Validation de la commande auxiliaire du SVC
2.7.1 Étude du réseau à (2) machines et (5) barres
2.7.2 Étude du réseau à (3) machines et (9) barres
2.7.3 Étude du réseau de Kundur à (4) machines
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE
3.1 Introduction
3.2 Modèle du générateur
3.3 Système d’excitation
3.4 Stabilisateur de puissance (PSS)
3.5 Modèle du compensateur statique (SVC)
3.6 Modélisation de l’interconnexion du réseau électrique
3.6.1 Interconnexion du réseau électrique sans SVCs
3.6.2 Interconnexion du réseau électrique avec SVCs
3.6.2.1 Équations des différentes barres
3.6.2.2 Calcul de la matrice d’admittance avec SVCs
3.7 Le modèle non linéaire du réseau électrique avec SVCs
CHAPITRE 4 CONTRÔLEUR GLOBAL DE COORDINATION
4.1 Introduction
4.2 Nouveau modèle linéaire du réseau électrique avec SVCs
4.3 Conception du contrôleur global de coordination
4.3.1 Principe de la coordination
4.3.2 Équations du contrôleur .. ,
CHAPITRE 5 APPLICATION DE LA COORDINATION POUR L’AMORTISSEMENT DES OSCILLA TI ONS LOCALES ET INTERZONES
5.1 Introduction
5.2 Description du réseau test
5.3 Réglages universels du stabilisateur de puissance (MB-PSS)
5.4 Tests et résultats de simulation
5.4.1 Étude des oscillations locales
5.4.2 Étude des oscillations interzones
5.5 Perte des signaux de coordination
5.6 Conclusion
CHAPITRE 6 RÉDUCTION DES SIGNAUX DE COORDINATION
6.1 Introduction
6.2 Définition du RGA (Relative Gain Array)
6.3 Analyse des interactions par la méthode du RGA
6.4 Résultats de simulation avec le contrôleur réduit
6.4.1 Étude des oscillations locales avec le contrôleur réduit..
6.4.2 Étude des oscillations interzones avec le contrôleur réduit
6.4.3 Augmentation du transit de puissance avec le contrôleur réduit
6.5 Validation du contrôleur réduit sur le réseau de Kundur
6.6 Conclusion
CHAPITRE 7 IMPACT DES DÉLAIS DE COMMUNICATION
7.1 Introduction
7.2 Effets du délai sur la performance du contrôleur de coordination
7.2.1 Effets du délai sur l’amortissement des oscillations locales
7 .2.2 Effets du délai sur 1′ amortissement des oscillations interzones
7.3 Compensation des délais par le prédicteur de Smith
7 .3.1 Équations du contrôleur de coordination avec délais
7.3 .2 Application du prédicteur de Smith
7.3.3 Résultats de simulation avec compensation du délai..
7.4 Conclusion
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE 1 PARAMÈTRES DU RÉSEAU TEST D’ANDERSON ET FARMER
ANNEXE II PARAMÈTRES DU RÉSEAU DE KUNDUR
ANNEXE III PARAMÈTRES DU SYSTÈME NON LINÉAIRE
BIBLIOGRAPHIE

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