Les réseaux à courant continu et haut niveau de tension : HVDC

Les réseaux à courant continu et haut niveau de tension : HVDC

Dans le domaine aéronautique, l’électricité a pris progressivement une place prépondérante sur le plan énergétique vis à vis l’énergie hydraulique ou pneumatique. Comme l’illustre la Fig.4, le besoin en puissance électrique embarqué à bord des aéronefs est en pleine croissance au cours de ces dernières années. Pour obtenir ces niveaux de puissance de plus en plus élevés, les réseaux électriques ont migré vers de nouvelles architectures de distribution. Parmi les différentes technologies, nous retrouvons les réseaux de type HVDC (High Voltage Direct Current), nous enchainons ainsi avec la présentation de l’architecture de ce réseau en mettant l’accent sur les principales motivations, les gains attendus et les nouvelles problématiques associées suite à leurs exploitation au niveau des avions.

Présentation du réseau HVDC : contexte aéronautique

A présent, les réseaux électriques embarqués en aéronautique évoluent vers l’utilisation en tout ou partie du courant continu associé à un niveau de tension élevé: il s’agit des solutions « HVDC ». L’architecture simplifiée d’un tel réseau est présentée au schéma de la Fig.8. Ce réseau est obtenu par un redresseur RU (Rectifier Unit) ou ATRU (Auto Transformer Rectifier Unit) alimenté par un réseau alternatif conventionnel 200/230 VAC ; la tension continue obtenue vaut 540V. Il utilise une topologie de type Bus qui se caractérise par un courant de ligne continu, associé à un niveau de tension élevé (RUF,07). Cette structure facilite l’interconnexion de sources de natures variées auxquelles des équipements hétérogènes, ayant par exemple des régimes de fonctionnement différents, seront raccordés ce qui exige de répondre à des problèmes de synchronisation et de stabilité. Parmi les architectures basées sur la technologie HVDC, nous pouvons citer les réseaux maillés.

Réseaux électriques embarqués maillés

Cette architecture a été présentée dans la thèse de Cédric Baumann, l’intérêt d’une telle structure est de permettre de gérer de façon optimale la qualité de l’énergie électrique distribuée. Elle se caractérise par le fait que les équipements sont alimentés en énergie électrique par des cœurs de distribution électrique, eux-mêmes reliés entre-eux par des liens actifs pouvant maîtriser ces transferts : l’ensemble forme un réseau maillé (BAU,09).

Ce réseau permet des échanges de puissance bidirectionnels entre les cœurs d’une part, et d’autre part il permet la régulation de la tension d’un cœur lorsque celui-ci ne dispose pas (ou plus, à la suite d’une défaillance) d’un générateur associé. Les éléments permettant de faire la liaison entre deux cœurs électriques sont le DCPFC (Direct Current Power Flow Controler) et le MAPFC (Mixed function for Actuation and Power Flow Control). Cette solution contribue à assurer un équilibrage des puissances selon les besoins des charges et à réduire la distance entre les charges et leurs sources électriques, ce qui conduit à réduire les longueurs du câblage et par la suite réduire leur effet inductif .

❖ Le cœur électrique, EPC (Electrical Power Center) : Le réseau est équipé d’un certain nombre de cœurs, 3 cœurs pour le réseau expérimental mis au point par le LAPLACE/GENESYS dont deux de ces cœurs sont alimentés par des générateurs de tension. C’est la partie puissance du réseau qui englobe les contacteurs et les disjoncteurs. Il sert à distribuer l’énergie sur tous les équipements et tous fonctionnent sous 540 volts.
❖ Le DCPFC est la brique de base de la réalisation du maillage du réseau. Il permet de réaliser un transfert d’énergie au sein du réseau maillé et contribue à la stabilisation de la tension. C’est un convertisseur statique basé sur deux hacheurs liés entre eux par une inductance.

Problématiques liés à l’utilisation des réseaux HVDC

Certainement, le passage au mode de distribution continue n’apporte pas que des solutions, son exploitation est limitée par certaines problématiques concernant notamment la qualité et la stabilité de réseau. En effet, les équipements échangent de fortes puissances sur des distances importantes. Un équipement, tel qu’il est représenté sur la Fig.9, regroupe pour de nombreuses charges du réseau avion : l’actionneur, son convertisseur associé et la commande. Afin de respecter les spécifications qui définissent la qualité relative à la tension d’alimentation et aux courants absorbés par chaque équipement connecté au réseau, un tel ensemble est toujours associé a des filtres d’entrée. Ces filtres ont pour rôle d’atténuer les variations de la tension réseau vis-à-vis du convertisseur et les perturbations à haute fréquence en courant vis-à-vis du réseau.

Par contre, l’interaction entre le filtre et le convertisseur peut donner lieu à des phénomènes d’instabilité. Ainsi le dimensionnement du filtre d’entrée est soumis non seulement à des contraintes de qualité, mais il doit aussi satisfaire à des conditions de stabilité de l’ensemble de système. Nos travaux s’articulent par la suite autour de ces deux challenges qui conditionnent le réseau électrique : nous nous intéressons à la qualité de l’énergie fournie dans une telle distribution sous haute tension continue et à la stabilité qui caractérise ces réseaux HVDC, en considérant l’impact de la connexion des équipements.

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 Contexte de l’étude et état de l’art
1.1. Introduction
1.2. Evolutions vers l’avion plus électrique
1.2.1. Sources d’énergie de bord
1.2.2. Avantages de la distribution électrique
1.2.3. Projets PREMEP et ISS
1.2.3.1. Description des projets
1.2.3.2. Contribution de la thèse dans le cadre des projets PREMEP et ISS
1.3. Les réseaux à courant continu et haut niveau de tension : HVDC
1.3.1. Présentation du réseau HVDC : contexte aéronautique
1.3.2. Réseaux électriques embarqués maillés
1.3.3. Problématiques liés à l’utilisation des réseaux HVDC
1.3.4. Couplage entre les équipements et le risque de stabilité
1.4. Normes standards de qualité des réseaux électriques embarqués
1.4.1. Qualité de l’électricité
1.4.2. Qualité du réseau électrique embarqué : Problématique des harmoniques
1.5. Quelques structures des cellules de filtrage
1.5.1. Filtre passif
1.5.2. Filtre actif
1.6. Analyse de stabilité
1.6.1. Introduction
1.6.2. Les critères de Middlebrook
1.6.3. Le critère de Routh-Hurwitz
1.6.4. Etude comparative
1.7. Conclusion
Chapitre 2 Modélisation des équipements électriques embarqués
2.1. Introduction
2.2. Modélisation des équipements : détermination de l’admittance équivalente
2.2.1. Présentation de l’équipement
2.2.2. Mise en équation
2.2.3. Détermination des paramètres de l’admittance
2.2.3.1. Les paramètres de l’équipement
2.2.3.2. Les paramètres de la boucle de régulation
2.2.4. Modélisation automatique de l’équipement
2.3. Modélisation des charges par simulation numérique
2.3.1. Principe de la modélisation numérique
2.3.2. Automatisation de la démarche de caractérisation
2.4. Approche expérimentale
2.4.1. Introduction
2.4.2. Dispositif de caractérisation expérimentale de l’équipement
2.4.3. Description des éléments du dispositif expérimental
2.4.3.1. Principe de la commande numérique
2.4.3.2. L’environnement de supervision
2.4.3.3. Caractérisation du condensateur d’entrée du hacheur
2.4.4. Caractérisation de l’ensemble : hacheur dévolteur et la charge RL
2.4.5. Caractérisation des équipements aéronautiques embarqués
2.4.5.1. Drive Laplace
2.4.5.2. Caractérisation du drive Technofan
2.4.5.3. Etude du modèle du drive Liebherr
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Identification des modèles équivalents des équipements
3.1. Introduction
3.2. Recherche optimale des paramètres du modèle équivalent : « System d’identification Toolbox »
3.2.1. Présentation
3.2.2. Principe
3.2.3. Décryptage et automatisation de code de processus d’identification
3.2.3.1. Description de l’approche
3.2.3.2. Présentation d’un exemple d’identification
3.2.4. Explication
3.3. Recherche optimale des paramètres du modèle équivalent : Algorithme génétique
3.3.1. Introduction
3.3.2. Les Algorithmes Génétiques avec méthodes de nichage
3.3.2.1. Définition de l’algorithme
3.3.2.2. La méthode d’éclaircissement : CLR (Clearing)
3.3.3. Application à l’identification d’un système fréquentiel
3.3.3.1. Présentation des critères de modélisation
3.3.3.2. Les contraintes
3.3.3.3. Processus d’optimisation
3.3.3.4. Résultat
3.4. Conclusion
Chapitre 4 Dimensionnement du filtre d’entrée des équipements électriques embarqués
4.1. Introduction
4.2. Influence de la charge sur la qualité du bus continu
4.2.1. Caractérisation de la cellule de filtrage du courant d’entrée du convertisseur statique
4.2.2. Contrainte de qualité
4.3. Recherche des valeurs optimales des paramètres du filtre
4.3.1. Algorithme génétique
4.3.1.1. Définition des variables de conception
4.3.1.2. Définition des critères de conception
4.3.1.3. Résultats
4.3.2. Balayage de l’ensemble des solutions
4.3.2.1. Construction de la matrice des paramètres du filtre
4.3.2.2. Calcul des valeurs optimales
4.4. Qualité du bus continu avec prise en compte des imperfections de la source HVDC
4.4.1. Description de la source HVDC
4.4.2. Superposition des perturbations provenant de la source HVDC et du convertisseur statique
4.4.2.1. Dimensionnement du filtre
4.4.2.2. Conclusion
Conclusion Générale