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RÉSUMÉ
Le courant alternatif triphasé (AC) exige des réseaux de distribution un équilibre générateur-récepteur, et notamment l'introduction de systèmes de sécurité par exemple par onduleurs. Le courant continu (DC) est aussi utilisable. Il présente de nombreux avantages, avec une plus grande simplicité des interconnexions notamment par hacheurs. Dans cet article, sont présentées les diverses possibilités de l'utilisation du réseau AC et du réseau DC, et les moyens de transmettre de la puissance d'un type de réseau à l'autre.
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Michel PINARD : Normalien, Professeur agrégé Hors Classe - Professeur au conservatoire national des arts et métiers et à l'ESIEE
INTRODUCTION
Qu'est-ce qu'un réseau de distribution électrique de puissance ? Un ensemble de lignes reliant un grand nombre de générateurs, généralement à courant alternatif triphasé, à des récepteurs (ou charges) par l'intermédiaire de transformateurs ou de convertisseurs, car le transport exige l'utilisation de la haute tension.
Au niveau de la charge (ou du consommateur) il faut impérativement :
-
que la valeur efficace de la tension soit constante ;
-
que la fréquence soit constante.
L'opérateur gestionnaire du réseau alternatif triphasé doit, à tout instant :
-
s'assurer que la production de la puissance active équilibre la consommation au niveau des charges et sur les lignes : c'est l'équilibre production-consommation ;
-
s'assurer que la production de la puissance réactive est égale à la consommation au niveau des charges et sur les lignes ;
-
que le système triphasé soit équilibré, et que les déphasages entre générateurs soient contrôlés pour la mise en parallèle ;
-
que le réseau puisse acheminer les transferts de puissance quels que soient les aléas de la consommation ;
-
faire face aux dysfonctionnements possibles dans l'acheminement de la puissance, en particulier en cas de défaut (court-circuit ou circuit ouvert) et prévoir les systèmes de sécurité en conséquence.
L'arrivée des énergies nouvelles (éoliennes, hydroliennes, photovoltaïque…) et des convertisseurs statiques de puissance (à transistors IGBT) incite les installateurs à reconsidérer l'utilisation du régime continu de courant et de tension pour le transport de l'électricité. Cette nouvelle donne amène les électriciens à réfléchir sur l'opportunité de l'utilisation de réseaux à courant continu haute tension au côté des réseaux à courant alternatif. Cette approche est maintenant dénommée réseau HVDC (High-Voltage Direct Current) ou même Smart Grid (réseau intelligent) ou Super Grid…
Parmi les avantages du courant continu (par rapport au triphasé) on constate :
-
qu'il n'y a pas de puissance réactive ;
-
que le réglage de la fréquence n'existe pas ;
-
qu'il n'y a pas de déséquilibre des phases ;
-
que le contrôle des régimes transitoires en cas de court-circuit est plus simple ;
-
qu'il est possible de stocker de l'énergie dans des accumulateurs (batteries ou autres…) mais seulement pour des quantités d'énergie faibles ou moyennes ;
-
que beaucoup de générateurs issus des énergies nouvelles sont à courant continu ;
-
que le contrôle de la tension est facile grâce aux commandes numériques agissant sur les convertisseurs de puissance.
Parmi les inconvénients du courant continu on observe :
-
que le non-passage par zéro du courant rend son interruption difficile ;
-
qu'il est nécessaire de bien dimensionner un hacheur pour élever ou abaisser la tension en passant d'un réseau à l'autre ;
-
que le courant de court-circuit est plus important dans des conditions analogues, ce qui exige un disjoncteur de pouvoir de coupure plus élevé ;
-
que les installateurs de systèmes triphasés ont une longue pratique des réseaux alternatifs, aussi bien pour la régulation en tension et en fréquence des réseaux que pour leur protection ;
-
que le stockage hydraulique de l'énergie reste préférable pour des niveaux d'énergie élevé, et dans ce cas on préfère utiliser un générateur AC.
Ce premier article a pour but de présenter une association complémentaire de deux réseaux, l'un triphasé, le plus souvent déjà installé, l'autre à courant continu, à installer de manière à obtenir des transferts de puissance optimaux entre eux sur les lignes vis-à-vis des consommateurs. Il s'agit d'utiliser au mieux les convertisseurs de puissance, pour gérer grâce aux signaux électroniques de commande :
-
les échanges de puissance active, selon la production des générateurs ;
-
la fourniture de puissance réactive au réseau triphasé ;
-
la réduction de certains harmoniques de courant dans le réseau alternatif ;
-
la protection en cas de court-circuit rendue rapide grâce à l'intervention des convertisseurs de puissance.
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Étude de lignes et de réseaux
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4. Convertisseurs de puissance
4.1 Utilisation de hacheurs
Si le réseau à courant continu prend de l'importance, il est essentiel d'introduire un convertisseur de puissance continu- continu qui convient bien à ce type de réseau : le hacheur.
Si le hacheur à thyristors au silicium est utilisé depuis les années 1970, il est avantageusement remplacé aujourd'hui dans bien des cas par le hacheur à transistors au silicium, surtout IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ).
Les transistors MOSFET (MOS Field Effect Transistor ) de puissance au silicium ont surtout l'avantage d'être utilisés en commutation rapide, par exemple pour des alimentations à découpage fonctionnant à des fréquences allant de quelques dizaines de kilohertz à des centaines de kilohertz.
Mais les convertisseurs prévus pour fonctionner à des puissances nominales élevées (supérieures à 100 kW) ne peuvent pas être conçus avec des transistors MOSFET, d‘autant plus que la tension continue de travail est très élevée. Les pertes par conduction et par commutation conduisent à ne retenir que les transistors IGBT. Des composants de puissance en carbure de silicium sont susceptibles de supplanter leurs homologues en silicium. Seules des valeurs de performances (rendement énergétique) se trouveront influencées, généralement à la hausse. On peut se reporter à ce sujet à l'article [D 3 160].
La caractéristique puissance installée (ou nominale) en fonction de la fréquence de découpage est présentée à la figure 18.
Le convertisseur de base est le hacheur deux quadrants reliant deux sources de tension par l'intermédiaire d'une inductance (figure 19).
À la figure 19 on représente la conversion « continu-continu » où la source génératrice de tension vaut 1 500 V et alimente un réseau de tension 600 V. Ce type de réseau continu est souvent utilisé pour relier les éoliennes offshore.
Le hacheur deux quadrants a pour rapport cyclique 0,43. Il fonctionne en hacheur série.
La simulation de la figure 19 b montre que la puissance...
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Convertisseurs de puissance
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DAHMANI (O.) - Évaluation de l'architecture optimale du réseau électrique d'un champ éolien offshore. - [nbsp ]
-
(2) - BERNARD (C.), SEBRAO-OLIVEIRA (C.), LAVAL (B.), VAUDOUER (C.) - Panneau photovoltaïque et algorithme MPPT à base de logique floue. - http://www.solar-fabrik.de/
-
(3) - FOCH (H.), MEYNARD (T.) - Les convertisseurs statiques. - Percées dans les applications – Révolution dans les architectures.
-
(4) - DEFAY (F.) - Commande prédictive directe d'un convertisseur multicellulaire triphasé pour une application de filtrage actif. - Université de Toulouse, déc. 2008.
-
(5) - IEA International Energy Agency - Mini réseau PV pour électrification rurale. - Rapport AEI-PVPS T9-13:2013 CLUB-ER, Publication Thématique, juil. 2013.
-
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Câbles sous-marins
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Phone : + 46 455 556 00
Fax : + 46 455 556 55
E-Mail : [email protected]
Réseau DC grid autour de l'Europe http://www.leonardo-energy.org/
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