Présentation
Auteur(s)
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Bruno MEYER : Chef du département Conception et économie des réseaux, Direction des études et recherches d’Électricité de France
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Michel JEROSOLIMSKI : Chef du groupe Outils de simulation des réseaux, Direction des études et recherches d’Électricité de France
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Marc STUBBE : Chef du service Développement et assistance à l’exploitation, Tractebel Energy Engineering
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans cet article, on désignera par réseau électrique s’il n’y a pas d’ambiguïté, ou alors par système électrique, l’ensemble des réseaux proprement dit (incluant lignes, câbles, postes électriques, transformateurs), des moyens de production active et réactive et des consommations.
Le lecteur peu familiarisé avec l’étude des réseaux électriques trouvera intérêt à consulter, en guise d’introduction, l’article D 4 090 « Réseaux de transport et d’interconnexion de l’énergie électrique. Fonctionnement et réglage » des Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique, exposant les bases du fonctionnement et du réglage des réseaux.
Si les lois physiques régissant le fonctionnement statique des réseaux électriques sont bien connues et permettent donc de construire un modèle mathématique précis, le fonctionnement du système en dehors de l’équilibre ne peut être décrit qu’en tenant compte du comportement dynamique des moyens de production et de la charge, souvent mal connu. En outre, l’étude des grandes perturbations conduit à analyser des fonctionnements très éloignés des conditions normales d’exploitation et exige donc des modèles dont le domaine de validité est très étendu.
Malgré la difficulté intrinsèque de modélisation, le recours à la simulation dynamique est de plus en plus fréquent et nécessaire pour pouvoir satisfaire, au moindre coût, à des exigences toujours plus sévères. Cette tendance résulte de l’évolution du contexte de l’industrie électrique illustrée à titre d’exemple par les points suivants :
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des exigences plus fortes des clients relatives au « produit » électricité (qualité de la tension, de la fréquence, absence d’interruptions de service...) ;
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le formidable développement de l’interconnexion des réseaux, symbole de convergence politique où en Europe par exemple, émerge en cette fin de siècle un réseau synchrone du Maghreb aux frontières de la Russie avec l’ambition de l’étendre à la quasi-totalité des pays de l’ex-URSS ;
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la pression environnementale qui oblige les compagnies à retarder voire à annuler des investissements pourtant justifiés pour faire face à la demande et donc à exiger plus des installations existantes ;
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la déréglementation du secteur économique de l’électricité et l’émergence d’une production indépendante et de l’accès de tierces parties au réseau ;
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le développement de nouveaux matériels et de nouvelles techniques (composants basés sur l’électronique de puissance ou les supraconducteurs, moyens de calculs, techniques de mesure et de transmission de l’information). Ces nouveaux moyens permettent un pilotage plus fin du système et le développement de régulateurs et d’automates dont le fonctionnement de plus en plus sophistiqué doit être maîtrisé en toutes circonstances.
Toutes ces évolutions ont un effet commun : les réseaux sont exploités plus près de leur limite physique qu’il faut donc connaître de plus en plus précisément pour assurer leur bonne marche. L’étude du comportement dynamique des réseaux devient une étape obligée de la planification à long terme, du développement de nouveaux composants et de leurs régulations, de l’exploitation des réseaux et de la formation des opérateurs.
Un réseau électrique en fonctionnement peut subir une grande variété de perturbations ou d’incidents, tels que :
-
la variation de la charge au cours de la journée ;
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la manœuvre d’un ouvrage de couplage ;
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le déclenchement d’une unité de production ou d’une charge ;
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la foudre atteignant une ligne ;
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un court-circuit en réseau.
Ces perturbations provoquent des phénomènes physiques très variés au sein du réseau, tels que :
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la propagation d’ondes de surtension ;
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la ferrorésonance ;
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la circulation de courants de court-circuit ;
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les oscillations rotoriques des alternateurs et la perte du synchronisme ;
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les phénomènes d’écroulement de la fréquence ou de la tension.
Ces divers phénomènes mettent en jeu des constantes de temps très différentes allant de la microseconde à l’heure, comme indiqué à la figure 1.
Pour l’exploitant, ces phénomènes sont pris en considération prioritairement dans des domaines différents de son activité, même si la séparation de ces domaines est souvent bien perméable.
On distingue (voir figure 1) :
-
la protection, qui vise à prévenir les risques physiques des personnes, les dégâts au matériel tout en minimisant l’impact de la perturbation sur la marche du système ;
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le réglage automatique ou manuel qui vise à maintenir le système, en dépit des perturbations, autour d’un point de fonctionnement ou d’une trajectoire définie en fonction de critères économiques, de qualité de service ou de sécurité ;
-
la conduite, qui garantit la disponibilité des ouvrages, aligne les moyens de réglages, afin de permettre à tout moment l’équilibre production-consommation et de maintenir au niveau requis les marges de sécurité tout en minimisant les coûts d’exploitation. L’analyse en ligne de la sécurité dynamique est dans ce domaine une application nouvelle qui permet au personnel de conduite d’agir sur le risque d’instabilité du réseau.
Enfin, on retrouve la problématique du fonctionnement dynamique dans la planification des investissements sur des horizons de plusieurs années, et dans la gestion prévisionnelle.
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5. Simulateurs analogiques et hybrides
Dès le début de l’électrotechnique des réseaux électriques, pour l’étude de ces différents régimes, l’ingénieur s’est heurté aux difficultés du calcul manuel du fait du volume d’opérations à effectuer : réseaux complexes, découpage en une succession d’états permanents pour l’étude des phénomènes dynamiques, etc.
Pour pallier cette difficulté, différents outils ont été développés : modèles analogiques, modèles numériques, modèles hybrides. Ces divers modèles étant adaptés aux problèmes à traiter dans le cadre d’hypothèses déterminées.
5.1 Modèles analogiques
Ils sont composés d’éléments représentant, à une certaine échelle, les composants du réseau. On trouvera ainsi des générateurs, des transformateurs, des lignes, des câbles, des convertisseurs, des charges, etc., connectés suivant le schéma du réseau réel.
Cette catégorie comprend :
-
les réseaux artificiels, représentant un schéma simple de réseau de puissance suffisamment importante pour réaliser des essais d’équipements (protection, automates, etc.). Avec des sources statiques, ils simulent les grandeurs électriques vues par ces équipements en régime permanent et transitoire ;
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les microréseaux, représentant des réseaux complexes destinés à simuler les phénomènes dynamiques. Ils comprennent des modèles détaillés d’unités de production dont l’élément moteur est constitué par un moteur à courant continu, dont le courant d’induit est contrôlé afin de reproduire les caractéristiques du couple moteur. La difficulté est de réaliser des alternateurs qui soient « homothétiques » des machines réelles, notamment dans le respect des constantes de temps des enroulements, homothétie d’autant plus difficile à réaliser que le modèle est de faible puissance (quelques kilowatts). Il peut alors être nécessaire de réaliser des machines spéciales et de recourir à des artifices comme des résistances négatives de compensation ;
-
les analyseurs transitoires, destinés à la simulation des phénomènes transitoires rapides....
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Simulateurs analogiques et hybrides
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ANDERSON (P.M.), FOUAD (A.A.) - Power System Control and Stability. - The Iowa State University Press, 1977.
-
(2) - BARRET (J.P.), BORNARD (P.), MEYER (B.) - Simulation des réseaux électriques - . Édition Eyrolles, 1977.
-
(3) - BERGERON (L.) - Du coup de bélier en hydraulique au coup de foudre en électricité. - Dunod, 1949.
-
(4) - KUNDUR (P.) - Power system stability and control. - McGraw Hill, 1994.
-
(5) - TAYLOR (C.) - Power system voltage stability. - McGraw Hill, 1993.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Régimes transitoires des machines électriques tournantes.
-
Réseaux de transport et d’interconnexion de l’énergie électrique. Fonctionnement et réglage.
-
Réseaux de puissance. Méthodes de résolution des équations
-
Ferrorésonance dans les réseaux.
-
Réseaux de transport et d’interconnexion de l’énergie électrique. Développement et planification.
-
Transport d’énergie en courant...
ANNEXES
Autres articles
ASTIC (J.Y.) - BIHAIN (A.) - JEROSOLIMSKI (M.) - The mixed Adams-BDF variable step size algorithm to simulate transient and long term phenomena in power systems. - IEEE SM 93. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 9, n 2, mai 1994.
BORNARD (P.) - ERHARD (P.) - FAUQUEMBERGUE (P.) - Morgat : a data processing program for testing transmission line protective relays. - IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 3, n 4, 1988.
CHOW (J.H.) - KOKOTOVIC (P.) - THOMAS (R.J.) - Systems and Control Theory for Power Systems. - Springer-Verlag, 1995.
Tools for simulating Long Term Dynamics. - Cigré [Groupe d’action 38.02.08 ; chef de file : STUBBE (M.)]. Electra n 163, p. 150-166, déc. 1995 ; et brochure Cigré réf. 102 (1995).
New trends and techniques for Dynamic Security Assessment - . Cigré Brochure [Groupe d’action 38.02.13 ; chef de file : MEYER (B.)] , 1997.
DEUSE (J.) - STUBBE (M.) - Dynamic Simulation of Voltage Collapse. - IEEE Transactions on Power Systems. vol. 8, n 3, août 1993, p. 894-904.
DEVAUX (O.) - LEVACHER (L.) - HUET (O.) - An advanced and powerful real-time digital transient network analyser. - IEEE Summer Meeting Berlin, juillet 1997, réf. PE - 825 - PWRD ‐ 2, juin 1997.
ERHARD (P.) - BOUSSION (J.Y) - LASBLEIZ (P.) - Morgat, l’outil d’étude des transitoires électriques rapides. - Revue EPURE, Électricité de France, n 28, oct. 1990.
GRIEWANK (A.) - On automatic differentiation, Mathematical Programming : Recent Developments and Applications. - In M. IRI, K. TANABE (editors), p. 83-108, Kluwer Academic publishers (1989).
IEEE Dynamic models for steam and hydro turbines in power system studies. - IEEE Committee Report, IEEE PES Winter Meeting, New York, 1973.
JEROSOLIMSKI (M.) - LEVACHER (L.) - A new method for fast calculation of Jacobian matrices : automatic differentiation for power system simulation. - IEEE PICA’93. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 9, n 2, mai 1994.
MEYER (B.) - BOURLÈS (H.) - CHOLLEY (P.) - VIELPEAU (D.) -...
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