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REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO
MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET
UNIVERSITAIRE
INSTITUT SUPERIEUR DE TECHNIQUES APPLIQUEES
«
ISTA- KINSHASA »
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B.P 6593 KIN 31
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE
DEUXIEME
CYCLE
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ANALYSE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DU DISPOSITIF FACTS
DU TYPE
« STATCOM FACE AUX VARIATIONS DE LA TENSION ET DE LA
PUISSANCE REACTIVE » APPLIQUE AU POSTE HT 220 kV DE BANDUNDU
VILLE
DANS LA PROVINCE DE KWILU EN RD-Congo
Mémoire de fin d'études pour l'obtention du
diplôme d'Ingénieur en Génie électrique
« Option: Electrotechnique »
« Présenté et défendu
publiquement le 12/03/2018 par »
TUKA SAMUEL Garcia
« Ingénieur Technicien en
Electricité Industrielle »
Jury d'évaluation composé de:
y' BASSESUKA SANDOKA NZAO Antoine Professeur, promoteur
y' MATHANGILA KIMEYA Julien CT, Copromoteur
y' NDAYE NKANKA Bernard Professeur, membre
y' KABASELE MUKENGE Gustave CT, Secrétaire
y' MWANAMPUTU MBWANZO clément CT, Président
y' MOKE MPORAM Rémy CT, membre
y' BABINGI Gaston CT, membre
Année Académique 2016-2017
I
EPIGRAPHE
« Le plus fort n'est jamais assez fort pour être
toujours le maître, s'il ne transforme sa force en droit et
l'obéissance en devoir »
Jean-Jacques ROUSSEAU
II
Dédicace
A ma famille, ami(e)s et connaissances
TUKA SAMUEL Garcia
iii
Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a
été effectué au Département d'Electricité
Second Cycle option : Electrotechnique de l'Institut Supérieur de
Techniques Appliquées en sigle ISTA/Kinshasa.
Nos remerciements vont tout premièrement à
Dieu Tout Puissant pour la volonté, la santé et la patience,
qu'il nous a donnée durant toutes ces longues années.
Ainsi, nous tenons également à exprimer nos
vifs remerciements aux Directeur et codirecteur de ce mémoire
respectivement le Professeur Docteur Ingénieur Antoine BASSESUKA
et le Chef de Travaux Julien MATHANGILA KIMEYA pour
avoir d'abord proposé ce thème, poursuivi continuel tout le long
de la réalisation de ce travail de mémoire et qui n'ont pas
cessé de nous donner ses conseils et remarques.
Sans oublié le Chef de travaux Jean-Pierre
TSASA MBENZA ancêtre pour ses soutiens tant moral- que
matériel.
Nos sincères remerciements aux membres du jury pour
l'honneur qu'ils nous font en participants au jugement de ce travail.
Nous tenons à remercier vivement toutes personnes
qui nous ont aidés à élaborer et réaliser ce
mémoire, ainsi à tous ceux qui nous ont aidés de
près ou de loin à accomplir ce travail.
Nos remerciements vont aussi à tous les enseignants
de la section Electricité en général et ceux de
l'Electrotechnique en particulier qui ont contribué à notre
formation.
Enfin nous tenons à exprimer notre reconnaissance
à tous nos amis et collègues pour le soutient tant moral et
matériel.
TUKA SAMUEL G arcia
Liste des Symboles et Abréviations
FACTS : Flexible Alternatif Curant Transmission Systems
IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors
SPS : S t a t i c P h a s e Shifter
IGCT : Insulated Gate Commutated Thyristors
STATCOM : Static Synchronous Compensator
SSSC : Static Synchronous Series Compensator
TCSR : Thyristor Switched Serie Reactor
TCSC : Thyristor-Controlled Series Capacitor.
DVR : Dynamic Voltage Restorer
UPFC : Unified Power Flow Controller
VSC : Voltage Source Converter
PI : Proportionnel Intégral (régulateur)
Vs : Tension du jeu de barre de génération
(sending voltage).
Vr : Tension du jeu de barre de charge (receiving voltage).
Ps : Puissance active fournie par la source
Qs : Puissance réactive fournie par la source
Pr : Puissance active demandée par la charge
Q : Puissance réactive demandée par la charge
Pl : Puissance active transportée par la ligne
Ql : Puissance réactive transportée par la
ligne
ä : Angle de charge entre Vs et Vr
R : Résistance de la ligne de transport
X : Réactance de la ligne de transport
è : Déphasage du courant de la ligne
Vsh : Tension (shunt) injectée par le STATCOM
Ish : Courant (shunt) injecté par le STATCOM
Rsh : Résistance du transformateur de couplage shunt du
STATCOM
Xsh : Réactance du transformateur de couplage shunt du
STATCOM
Psh : Puissance active délivrée par le
STATCOM
Qsh : Puissance réactive délivrée par le
STATCOM
Vse : Tension (série) injecté par le SSSC
Ise : Courant (série) injecté par le STATCOM
Udc : Tension continu aux bornes du condensateur
Idc : Courant dans le circuit continu
d : (indice) la composante sur l'axe d du repère d-q
q : (indice) la composante sur l'axe q du repère d-q
pu : (indice) la grandeur en unité relative (grandeur
réduite)
1
Introduction générale
1. Motivation
C'est après l'assistance à plusieurs
conférences organisées sur le thème « gestion et
conduite des réseaux électriques », aussi à la
lecture de plusieurs articles scientifiques sur la commande et le
contrôle des réseaux électriques 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 Currant Transmission System,
associés au problème de la surtension qui
déséquilibre le fonctionnement de la ligne HT KINSHASA-BANDUNDU
que ce questionnement a émergé et continue à se construire
à travers cette application.
Par ailleurs, 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.
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)
commandés en ouverture et en fermeture, liés à des
condensateurs comme source de tension continue. Ces systèmes selon leur
connexion au réseau sont distingués en compensateurs shunt,
série et hybride tels que: STATCOM, SSSC, UPFC.
2. Problématique
Plus le réseau est grand, plus il devient complexe et
difficile à contrôler. Ce système qui doit conduire de
grandes quantités d'énergie électrique en l'absence de
dispositifs de contrôle sophistiqués et adéquats, subit
plusieurs problèmes tels que: le transit de puissance réactive
excessif dans les lignes, les creux de tension entre différentes parties
du réseau,
2
surtensions ...etc. L'exemple le plus frappant est celui de la
ligne HT KINSHASA -BANDUNDU au bout de laquelle règne une surtension de
l'ordre de 250 à 265 kV et qui par ailleurs entraine de pertes des
équipements électromécaniques (TI, TP, disjoncteurs,
isolateurs, etc...).
Pour contourner cette difficulté, la SNEL a fait
recours aux inductances shunts de 18 MVAr placées au poste de BANDUNDU
et qui ne réalisent qu'un apport de 7,5 kV de chute de tension et ces
inductances sont jusqu'à ce jours contrôlées
mécaniquement , malgré l'utilisation de la
microélectronique, des ordinateurs et des moyens rapides de
télécommunication, 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 exécutée à une
fréquence faible par rapport aux dispositifs à base
d'interrupteurs statiques (semiconducteurs).
De ce qui précède, nous nous posons une question de
savoir :
- quel est le mécanisme à mettre en place pour
pouvoir résoudre le problème de surtension au bout de la ligne HT
KINSHASA-BANDUNDU ?
- comment se comportent les équipements
électromécaniques du poste Bandundu face à la surtension
?
Ce sont les éléments de réponse à
ces préoccupations qui constitueront les lignes suivantes.
3. Hypothèses de travail
Pour répondre à la préoccupation
posée ci-haut, les hypothèses sur les motivations pour s'investir
dans de telles études sont :
? Se conformer à la matière (comment
élaborer une telle étude ?, quelles sont les données
nécessaires à la réalisation de l'étude ?, quels
sont les calculs à faire ?) ;
? Echanger de nouveaux savoirs et grandir scientifiquement ;
? Concevoir autrement en respectant les règles de l'art
;
3
? Renforcer le learning by doing qui est plus efficace que des
théories sans fin ;
? Temps de réflexion et de construction de notre
pensée sur le futur rôle qui nous attend dans la
société congolaise.
4. Positionnement personnel
C'est à partir du constat de la deuxième partie
de la problématique que nous avons formulées les questions pour
pouvoir cadrer notre positionnement d'Ingénieur électrotechnicien
: quel est le rôle d'un Electrotechnicien dans la gestion et conduite de
réseaux électriques ? Quelles sont les étapes qui
constituent sa principale zone d'intervention ?
5. Objectif poursuivi
L'objectif de ce modeste travail est d'étudier les
fonctions de contrôle offertes par le STATCOM dans la compensation de la
puissance réactive et du maintien de la tension des lignes de transports
électriques, qui seront appliquées sur la ligne HT
KINSHASA-BANDUNDU afin d'éradiquer au problème de surtension qui
entraine des pertes énormes des équipements
électromécaniques dans le poste HT/MT BANDUNDU.
6. Méthodologie proposée
La base de la démarche est l'analyse systémique
assise sur les écrits existants sur ce thème (Livres, cours,
articles conférence documentaires films). L'interview sera aussi
suffisamment exploitée pour recueillir les expériences des
autres.
7. Subdivision du travail
Hormis l'introduction générale et la conclusion
générale, cette étude est organisée en cinq
chapitres :
Chapitre I : Notions sommaires sur la qualité
d'énergie électrique
Chapitre II : Concept de base des systèmes FACTS Chapitre
III : Étude et Modélisation d'un STATCOM
4
Chapitre IV : Etat actuel du réseau de transport HT
220kV MALUKU-BANDUNDU
Chapitre V : Dimensionnement et Simulation du
dispositif
FACTS/STATCOM sur le réseau étudié
5
CHAPITRE I : QUALITE D'ENERGIE ÉLECTRIQUE
I.1 Introduction
La problématique de la qualité de
l'électricité concerne tous les acteurs en présence,
qu'ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs de ces
réseaux (producteurs ou consommateurs d'électricité), ou
intervenants divers (fournisseurs d'électricité ou de services,
organismes de régulation...).
Depuis toujours, le fonctionnement de certains
équipements électriques et électroniques est
affecté par des «perturbations»
I.2 Types de perturbations qui peuvent dégrader
la qualité de la tension:
· Les creux de tension:
Les creux de tension sont produits par des courts- circuits
survenant dans le réseau
Général ou dans les installations de la
clientèle.
· Interruption courte:
L'interruption courte est la perte complète ou la
disparition de la tension d'alimentation pendant une période de temps de
1/2 cycle jusqu'à 3s. Elle se produit quand la tension d'alimentation ou
le courant de charge diminue à moins de 0.1 pu.
· Chutes de tension:
Lorsque le transit dans une ligne électrique est assez
important, la circulation du courant dans la ligne provoque une chute de la
tension.
· Tension:
Les surtensions transitoires sont des
phénomènes brefs, dans leur durée et aléatoires
dans leur apparition. Elles sont considérées comme étant
des dépassements d'amplitude du niveau normal de la tension fondamentale
à la fréquence 50Hz ou 60Hz pendant une durée
inférieure à une seconde.
6
· Déséquilibre de
tension:
Un récepteur électrique triphasé, qui
n'est pas équilibré et que l'on alimente par un réseau
triphasé équilibré conduit à des
déséquilibres de tension dus à la circulation des courants
non équilibrés dans les impédances du réseau.
· Perturbations harmoniques:
Les harmoniques sont des composantes dont la fréquence
est un multiple de la fréquence fondamentale, qui provoquent une
distorsion de l'onde sinusoïdale. Ils sont principalement dus à des
installations non linéaires telles que les convertisseurs
d'électroniques, les fours à arc, etc. [02]
I.3 Puissance transmise par une ligne
électrique
L'énergie électrique est transportée par
des lignes électriques de capacités limitées à
cause des limites thermiques des câbles, des tensions appliquées
aux bornes et de l'angle de charge (P+JQ) :
Figure I.1 Réseau électrique alimentant une charge,
(a) schéma unifilaire, (b) diagramme
des tensions
En prenant la tension aux bornes de la charge comme
référence des phases (figureI.1.b) et en négligeant la
résistance Rs, La puissance apparente demandée par la charge sera
donnée par l'équation (I.1):
Sr = P + jQ = Vr.j* (I.1)
V5-Vr
j = (I.2)
z5
Dans ce cas, on ne peut transporter qu'une puissance maximale
pour un angle
7
|
????????.????????
????
=
|
????????????????
???? =
???????????????? -
|
???????? -
(????????2
|
????????
|
(I.3)
(I.4)
|
|
????????
Avec
????????.????????
|
|
???? =
????????
|
???????? )
|
La relation entre la tension au jeu de barres de charge et le
courant de charge I est décrite par la droite de la figure (I.1)
appelée ligne de charge du système qui est définie par
l'équation d'une droite qui passe par Vs et de pente (-????????) :
????????-???????? =-?????????????????????????
=-????????????????+???????? (I.5)
Figure (I.2) Perturbation d'énergie électrique
transportée
On peut démontrer facilement le besoin du maintien de
la tension aux bornes de la charge pour permettre un maximum de puissance
à transmettre. Si la charge varie et aucune précaution n'est
prise pour maintenir la tension???????? égale à Vs alors depuis
le diagramme de phase de la figure (I.1 b) :
???????? = ????????.???????????????? (I.6)
En remplaçant (I.6) dans (I.3) en aura :
|
????????2.
???? = ????????
|
????????2.
????????????????. ???????????????? = 2????????
|
????????????2???? (I.7)
|
8
|
ä=45° égale à :
????????2.
???? ???????????? = 2????????
|
(I.8)
|
|
Dans le cas où on maintient la tension ????????
égale à Vs on peut avoir, depuis l'équation (1.2),
unepuissance maximale : [01]
????????2.
???????????????? = ????????
I.4 Compensation d'énergie
réactive
|
(I.9)
|
Les réseaux électriques ont pour but de
véhiculer de la puissance depuis la source jusqu'aux centres de
consommation dans un réseau à courant alternatif. La puissance
apparente S a deux composantes la puissance active P et la
puissance réactive Q :
???? = ???? + ???????? == U. I(Cosö + JSinö) (I.10)
En général, l'écart de tension entre deux
extrémités d'une ligne est lié au transit de la puissance
réactive consommée par la charge. Pour obtenir une tension
identique (ou proche) aux deux bouts de la ligne, il faut donc pouvoir produire
localement de la puissance réactive.
?????
????
????.????+????.????
= (I.11)
????2
La présence des moyens de production d'énergie
réactive (alternateurs, bancs de
Condensateurs ou compensateurs statiques) à
proximité des zones de consommation contribue donc à maintenir la
tension constante sur le réseau (figure I.3). Il est à noter que
les solutions peuvent reposer sur des moyens de compensation de puissance
réactive statiques (bancs de condensateurs, bancs de bobines) ou
dynamiques (alternateurs, FACTS) figure(I.3). [03]
D'après la figure (I.3), on voit que ces
équipements permettent aussi d'augmenter la puissance active
transitée. La puissance transitée peut
9
Figure I.3 : Intérêt de la compensation dans
l'échange d'énergie électrique.
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