Simulation dynamique des réseaux d’énergie électriqueprojetbac1/projet_2013_presentation.pdf · 1 Université de Liège – Dépt. d’Electricité, Electronique et Informatique

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Université de Liège – Dépt. d’Electricité, Electronique et Informatique1

Simulation dynamique des réseaux d’énergie électrique

Patricia RousseauxThierry Van Cutsem

Patricia RousseauxUniversité de Liège – Dépt. d’Electricité, Electronique et Informatique

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S’éclairer Se chauffer

Travailler

Se distraire…

Préparer ses repas

C’est banal ...

grâce à … l’énergie électrique

C’est banal ...

grâce à … l’énergie électrique

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Et pourtant …

• Derrière “la prise de courant”, il y a un processus industrielcomplexe

• Un réseau d’énergie électrique est parmi l’un des plus grandssystèmes construits par l’homme


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Réseau interconnecté de l’UCTE

UCTE = Union pour la Coordination du Transport de l’Electricité

Un réseau est constitué de multiples composants de natures différentes


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Unités de productionLignes de transport

différents niveaux de tension

Transformateurs

Consommateurs= charges

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Structure transport - distribution


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Caractéristiques du transport de l’énergieélectrique

• L’énergie électrique est produite et transportée sous forme de courant alternatif ou AC = Alternating Current

– En Europe : fréquence f=50 Hz– En Amérique du Nord : f=60 Hz

• L’énergie se propage du producteur au consommateur à la vitessede la lumière

• L’énergie passe par le réseau et suit les chemins de moindrerésistance. Il faut satisfaire

– Les lois de Kirchhoff

– La loi “d’Ohm”


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Equilibre Demande - Production

• Énergie électrique difficilement stockable en quantités significatives

⇒ Processus de production “just in time”⇒ A tout instant, l’équilibre suivant doit être respecté

Pprod=Pcons + pertes

• La demande imposée par les consommateurs fluctue à tout instant


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Evolution journalière de la demande sur le réseaubelge

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En plus de la variation de la demande…

• Le réseau est soumis à de nombreux aléas

– Foudre– Erreur humaine– ….

• Et pourtant, le plus souvent, ça marche ! Grande fiabilité

Mais, les conséquences d’une panne “géante” ou “black-out” sonttrès importantes pour la société


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Black-out USA-Canada – Août 2003


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• 50 millions de personnes touchées aux USA et au Canada

• 60 MW de charge perdue ≅≅≅≅ 11 % de la consommation de l’EasternInterconection

• Coût estimé ≅≅≅≅ de 4 à 10 milliards USD

• 400 lignes de transport, 531 unités de production déclenchées par des protections, ont dû être remises en service

• La reprise de service à nécessité de quelques heures à quelquesjours selon l’endroit


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En Europe : Italie, dimanche 28/9/2003, 3h28

• Italie isolée, tout le pays sans électricité jusque:• 8h Italie du nord• 12h Italie centrale• 17h Italie du sud• 21h40 Sicile

• Situation initiale : 03:00 - creux de nuit

• Echange plus élevé que prévu entre la Suisse et l’Italie


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0

1000

2000

3000

4000

CH FR SL AU GRE

MW

Observé

Programmé

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Séquences d’événements


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03:01 déclenchement

03:01 surcharge

03:21 diminution import de 300 MW

03:25 instabilité angulaire toutes les interconnexions

déclenchées

03:25 déclenchement

03:28 f=47.5 Hzblackout

Black-out évité de justesseEurope 4 novembre 2006

– Flux Est � Ouest important : 9260 MW

– production totale: 274 100 MW dont 15 000 MW éolien


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Séquences d’événements

• Réseau D, deux opérateurs A et B

– 21:38 : mise hors service par l'opérateur A d'une ligne

380 KV (passage d'un bateau)

– 22:08 : surcharge d'une ligne entre les réseaux A et B

– 22:10 : tentative de réduction de la surcharge par opérateur A

– Cascades de surcharges et de déclenchements automatiques de lignes


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Séparation du réseau Européen en 3 zones


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zone ouest : déficit de G de 8940 MW, sous- fréquence

zone nord-est : surplus de G de ~ 10 000 MW, sur-fréquence

zone sud-est : peu affectée, légère sous-fréquence

51.4 Hz

49 Hz

49.7 Hz

délestage automatique : 17 000 MW (15.106 foyers)mais aussi perte de production, éolien !

actions automatiques en vue de réduire f très élevée, dont déconnexions de groupes (6 200 MW éolien)mais redémarrage automatique de G éolien !réseau très chargé,risque de black-out élevé !

reconstitution du réseau UCTE à 23:57(resynchronisation ouest, nord-est à 22:47, 3 régions à 22:49)

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Evolution actuelle et facteurs favorisants

• Augmentation de la demande en électricité

• Difficulté de développer et renforcer le réseau

• Création de grandes interconnexions

• Au niveau de la production:

– construction d’unités de plus en plus puissantes mais aussi

– multiplication du nombre d’unité de taille moyenne


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Le réseau est amené à fonctionner de plus en plus près de ses limites

Encore plus complexe

• Introduction de petites unités de production au niveau des réseauxde distribution, et en particulier des productions à partir d’énergiesrenouvelables :

– hydraulique

– éolien

– photovoltaïque

– biomasse


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objectif 20-20-20 de l’Union européenne

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Le nouveau paradigme : Smart Grids


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A smart Grid is a combination of an electrical power system and atelecommunication network that can intelligently integrate the action of all usersconnected to it – generators, consumers and those that do both – in order toefficiently deliver sustainable, economic and secure electricity

Conduite du réseau

• Le réseau électrique est surveillé et piloté depuis un centre de conduite ou dispatching

• Des fonctions d’analyse de la sécurité aident l’opérateur à prendreles bonnes décisions

• Permettent à l’opérateurde tester, “sur un modèledu réseau”, des stratégiesde sauvegarde

• En Belgique :– ELIA : gestionnaire du réseau

de transport– Dispatching national à Linkebeek

en charge du réseau à 380 kV– 3 dispatchings régionaux en charge

des réseaux de 220 à 30 kV


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Evénements initiateurs de black-out


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instabilité de tension

déclenchements en cascadepar surcharge thermique

morcellement du réseau

instabilité de fréquence

instabilité angulaire

aléas(de consommation, climatiques, pannes, facteur humain)

perte d'unou plusieurscomposants

perte deproduction

éliminationretardée

d'un défaut

capacité de maintenir la fréquence proche

de sa valeur nominale

capacité de maintenir les tensions près deleur valeur nominale

capacité de maintenir le synchronisme entre

les générateurs

protections réagissant à la dégradation du fonct.

cascade de pertes d'équipements

BLACKOUT

Le moteur d’un black-out…

• Besoins:

– méthodes efficaces de simulation temporelle des équations différentielles qui gouvernent le comportement du système

– recours à des modèles simplifiés, dédicacés aux phénomènes étudiés

Un réseau d'énergie électrique, un très grand système ?exemple : réseau de transport UCTE


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le comportement dynamique des composants du réseau suite à une perturbation

15500 nœuds élec. 146000 eqs.

RAMSES (ULg)Logiciel de simulation

Évolution temporelle 5 min calculée en 4 min temps CPU

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Evolution de la tension en un noeud du réseauPerte d’une ligne de transport


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Le projet : Simulation du comportement d’unecentrale de production hydroélectrique

• Composants– Barrage et conduite d’eau– Turbine– Alternateur triphasé– Tranformateur– Ligne de transport– Réseau haute tension


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Turbine Alternateur

Energiehydraulique

Energiemécanique

Energieélectrique

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Rappel : Induction électromagnétiqueloi de Faraday, loi de Lenz

• Si l’on déplace l’aimant, un courant induit circule dans le circuit conducteur

• Ce courant est provoqué par uneforce électromotrice induite donnéepar

où ψ représente le flux d’inductionmagnétique à travers le circuit


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Le courant induit engendre un champ d’induction magnétique qui s’oppose à la variation de flux qui lui a donné naissance

Alternateur triphasé : principe de fonctionnement

• Une partie mobile : le rotor = électroaimant

L’enroulement d’excitation, bobiné surle rotor, est alimenté par une source de tension continue vf

Tourne à la vitesse angulaire ω et crée uneinduction magnétique qui tourne à la mêmevitesse

• Une partie fixe : le stator

Comporte 3 circuits ou enroulements qui “voient passer” l’inductioncréée par le courant circulant dans l’enroulement d’excitation⇒ courants induits

Système triphasé équilibré : comporte 3 circuits identiques⇒ se réduit à l’analyse d’une seule “phase”


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ω

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Courants induits au stator


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) cos(2 jj tIi φω +=

Vitesse angulaire du rotor et pulsation des courants

Vitesse angulaire du rotor = pulsation des courants induits

• Fréquence : f=50 Hz ⇒ ωN = 2πf est appelée la vitesse de synchronisme

• Les alternateurs de toutes les machines présentes dans le réseauinterconnecté tournent à cette même vitesse

• Le rotor effectue 50 tours/s, soit 3600 tours/min

• En pratique, cette vitesse est trop élevée pour les turbines hydrauliques

• Solution : – rotor à p paires de pôles– vitesse mécanique divisée par p

• En situation perturbée, ω ≠ ωN


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Le modèle, les variables

• 6 équations différentielles ordinaires du 1er ordre

• 6 variables “d’état” :– Q : le débit d’eau dans la conduite– δ : la position du rotor de l’alternateur– ω : la vitesse angulaire du rotor– ψf : le flux d’induction magnétique embrassé par l’enroulement

d’excitation– ψq1 : le flux d’inductiion magnétique embrassé par le circuit

d’amortissement– vf : la tension d’alimentation du circuit d’excitation


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Les paramètres

• On suppose une seule paire de pôles : p=1

• Vitesse à l’équilibre = vitesse de synchronisme

• Puissance nominale produite par la turbine

• toutes les variables (à l’exception de δ, ω et t ) et tous les paramètres sont adimensionnels et exprimés en fraction de leurvaleur nominale

• Exemple : puissance


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rad/s 50 2πω =N

W10 . 500MW 500 6==NP

8.0500400

MW 400 ,MW 500 si ==⇒= PPN

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Puissance mécanique recueillie par la turbine

• Puissance cédée par l’eau

z est le degré d’ouverturedes vannes d’admission de l’eau

• Puissance mécanique recueillie par la turbine Pm < Phpertes liées aux frottements de l’eau avec la conduite et la turbine (QV)

• Ce qui nous intéresse : le couple mécanique

• C’est z qui fixe la puissance produite. Après une modification de z, le débitn’atteint pas directement sa valeur finale (inertie de l’eau)


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et ),( eeh HzQHQfP ==eH

z

Equations de mouvement du rotor

• Le mouvement du rotor est soumis à deux couples– Tm le couple mécanique fourni par la turbine– Te le couple de rappel ou électromagnétique lié aux courants induits

dans les circuits du stator

• L’application de la loi de Newton au rotor fournit :

• A l’équilibre = régime établi


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δ = position du rotor (rad)ω = vitesse angulaire (rad/s)

et emN TT ==ωω

Nω

δ

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Après une perturbation…

Suite à l’action des couples,

le rotor oscille autour de sa position d’équilibre


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Le réseau et l’alternateur : partie électrique


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enroulement d’excitation

La réactance Xe modélise la ligne de transport et le transformateur

Le réseau = source de tension d’amplitude constante

V et VR liés par loi de Kichhoff ),,( Rfff VfiR δψ=

),,,( 1 Rqfe VfT δψψ= Circuit d’amortissement

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Le circuit d’amortissement


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Barres du circuit d’amortissement

Le circuit d’amortissement

• But : amortir les oscillations du rotor survenant après uneperturbation

• Moyen : circuit fermé sur lui-même constitué de barre métalliquesconductrices placées sur le rotor

• Les courants induits dans ce circuit créent un couple de rappel supplémentaire ⇒ amortissement


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),,( 111 Rqqq VfiR δψ=

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Le régulateur de tension


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• V, l’amplitude de la tension délivrée par l’alternateur, doit êtremaintenue dans des plages acceptables

• Elle est régulée par un circuit électronique, le régulateur de tension, qui agit sur vf la tension d’alimentation du circuit d’excitation

• Objectif : maintenir V proche d’une valeur de consigne V0

Les scénarios

1. Montrer qu’il existe un point d’équilibre stable

2. Simuler une augmentation de la puissance produite

3. Simuler le comportement du système suite à l’apparition d’un coup de foudre qui frapperait la ligne de transport à haute tension

Quelle est la durée maximale du court-circuit qui préserve le bon fonctionnement du système ?

4. Etudier la sensibilité au paramètre du circuit d’amortissement :

Quelle est son influence sur la qualité de l’amortissement ? (mesurée par “le temps d’établissement”)


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