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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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The use of three-phase AC power for the distribution electricity networks requires balance between generators and loads and introduction of security systems with inverters. But DC power may also be used. The DC network is often desirable, because the interconnections and the management of power are simpler with choppers. In this first article, the several possibilities for using AC and DC networks are examined, and how the power from one to the othercan be transfered. In the second article, smart associations AC ?DC are suggested, especially in Brittany.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
Chopper | Inverter | Power transfer | Power filter
DOI (Digital Object Identifier)
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Sources à courant alternatif (AC)
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2. Sources à courant continu (DC)
2.1 Tension imposée
Pourquoi imposer la tension pour le transport en courant continu ? Tout d'abord, l'idée est venue naturellement aux électriciens qui ont dès le XIX e siècle exploité des sources à tension continue quasi constante : les piles, les batteries d'accumulateurs, les dynamos...
La loi physique est plus impérative. Soit un générateur de force électromotrice E, de résistance interne r, où la tension de sortie est U, et débitant un courant I. On écrit alors que :
( 1 )
( 2 )
Le terme r I 2 correspond à des pertes par effet Joule. Pour le réduire, il faut s'efforcer d'obtenir des intensités faibles. Et donc, pour une puissance P donnée à transmettre sur le réseau, on utilise de préférence une tension U = P/I élevée.
Cela va d'ailleurs dans la démarche de l'ingénieur qui s'efforcera :
-
de choisir des intensités nominales faibles pour réduire la section des câbles en cuivre qui sont coûteux ;
-
de choisir des tensions nominales élevées pour faciliter le transport à longue distance.
Un exemple est celui de la ligne de liaison HVDC (très haute tension : 450 kV) Allemagne-Suède installée en 2008 (figure 1).
Un modèle de ligne simple utilisé pour étudier les régimes permanents et les régimes transitoires est présenté à la figure 2. Il s'agit d'un quadripôle en « Γ inversé » comportant :
-
une inductance L de ligne ;
-
une résistance R qui dépend des fils utilisés ;
-
une capacité entre fils C.
La valeur de ces éléments...
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Sources à courant continu (DC)
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.
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
LabVIEW National Instruments France : Acquisition de données ; contrôle-commande temps réel
MATLAB/SIMULINK/DSPACE Acquisition de données ; contrôle-commande temps réel
PSIM Copyright 2001-2012 Simulation de systèmes de puissance http://www.powersimtech.com/
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Câbles sous-marins
ABB's high voltage cable unit in
Sweden
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/
ENEA Consulting 89, rue Réaumur 75002 Paris France [email protected]
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