Belguidoum Hocine

Chapitre I Gnralits sur les rseaux de transport d'nergie lectrique

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MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

* ,-. /01- 345 UNIVERSITE FERHAT ABBAS SETIF

UFAS (ALGERIE) FacultdeTechnologie

Mmoire de Magister

PrsentaudpartementdElectrotechnique

Pourobtenirlediplmede:

Magister En ElectrotechniqueOption : Rseaux Electriques

Par

Belguidoum Hocine

Thme

Les systmes FACTS utilisant les convertisseurs entirement commands

Soutenu le 01/03/2012 devant la commission dexamen compose de :

BELKHIAT. S Pr. lUniversit de Stif Prsident

RAHMANI. L Pr. lUniversit de Stif Encadreur

BOUKTIR. T Pr. lUniversit de Stif Examinateur

GHERBI. A Pr. lUniversit de Stif Examinateur


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- K LMN,- PN,

Ww|vtvxWw|vtvxWw|vtvxWw|vtvx

Je viens de remercier Allah le Tout Puissant Qui ma donn la force pour achever ce travail puis je ddie ce travail essentiellement mes parents, mes frres et surs. je remercie galement tous ceux qui mont soutenus de prs ou de loin a fin finaliser ce projet en particulier mon encadreur Pr. RAHMANIPr. RAHMANIPr. RAHMANIPr. RAHMANI LAZHARLAZHARLAZHARLAZHAR et tous les autres collgues et enseignants qui mont aid avec leurs conseils et documentation.


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INTRODUCTION GENERALE 1

Chapitre I : Gnralits sur les rseaux de transport

d'nergie lectrique 3

I.1 Introduction ...... 4

I.2 Types des perturbations qui peuvent dgrader la qualit de la tension .................... 4

I.3 Transport de lnergie lectrique........... 5

Chapitre II : Descriptions gnrales des

systmes FACTS 8

II.1 Introduction ....... 9

II.2 Types de FACTS ... 9

II.2.a FACTS de type srie ................ 10

II.2.a.1 Condensateur Srie Command par Thyristors.......... 10

II.2.a.2 Ractance Srie Contrle par Thyristor (TCSR) ............. 12

II.2.a.3 Compensateur Srie Synchrone Statique SSSC ............... 12

II.2.b FACTS de type parallle.. 14

II.2.b.1 Compensateur Statique Synchrone STATCOM .................. 14

II.2.b.2 La Bobine Supraconductrice de Stockage Dnergie SMES................. 17

II.2.b.3 Compensateur Statique de Puissance Ractive SVC. 17

II.2.c FACTS de type hybride..................... 21

II.2.c.1 Transformateur Dphaseur Base de Thyristors TCPAR...................... 21

II.2.c.2 Contrleur de Flux de Puissance d'Interligne IPFC................... 23

II.2.c.3 Variateur de Charge Universel UPFC.... 23

II.3 Conclusion.......................... 25

I/IV


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Chapitre III : Modlisation du Compensateur Statique de Puissance

Ractive CSPR (SVC) 26

III.1 Introduction.. 27

III.2 Principes fondamentaux de la compensation de la puissance ractive ..... .. 27

III.3 Types de base de compensateurs de puissance ractive... 28

III.4 Configurations des compensateurs ractifs statiques... 30

III.4.a Reactance Contrle par Thyristor (TCR) ............ 30

III.4.b Ractance Contrle par Thyristor-Condensateur Fixe (TCR-FC)... 34

III.4.c Ractans Contrle par Thyristor Condensateur Commut Mcaniquement (TCRCMS)...

36

III.4.d Condensateur Commut par Thyristor............ 36

III.4.d.1 Commutation dun condensateur en srie avec une inductance............................ 37

III.4.d.2 Stratgies pratiques de la commutation. 39

III.4.d.3 Stratgie de la fermeture des thyristors de TSC.... 39

III.4.d.4 Caractristiques de fonctionnement du TSC................................ 40

III.4.e Condensateur commut par thyristor et ractance contrle par thyristor (TSC-TCR) 41

III.4.e.1 Configuration.... 41

III.4.e.2 Caractristique dynamique de fonctionnement.................................... 42

III.4.e.3 Calcul des limites de la marge de fonctionnement.................... 42

Les trois modes du courant du SVC.. 43

Caractristiques de la susceptance. 43

III.5 Conclusion........................ 44

Chapitre IV : Gradateur MLI

46

VI.1 Introduction...... 47

VI.2 Schma de principe... 47

VI.3 Principe de fonctionnement.. 48

VI.4 Calcul de la tension et du courant de la charge......................... 48

VI.4 .a Calcul de la tension aux bornes de la charge..... 48

VI.4 .b Calcul du courant .... .......................... 49

II/IV


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Chapitre V : SVC base du gradateur classique

et du gradateur MLI

64

V.1 Introduction........................... 65

V.2 Caractristique de Contrle Tension-Courant de SVC ............................... 65

V.3 Rglage de tension avec un gradateur classique.... 67

V.3.a Systme de puissance ...... 68

V.3.b Composants de puissance de SVC ................................... 68

V.3.c Systme de commande de SVC.... 73

V.3.d Formes d'ondes illustrant la rponse dynamique de SVC en fonction de la variation de la

tension de source . 76

V.3.f Discussion et analyse des rsultats ... 81 V.4 Le SVC amlior par la topologie gradateur MLI..... 81

V.4.a Systme de commande.

82

V.4.b Cas des (M=3).................. 83

V.4.c Cas de (M=5). 87

V.4.d Cas de M=5 (la mthode implicite(IV.5.d)) . 92

V.4.e Discussion et analyse des rsultats ... 95

V.5 Comparaison entre les deux topologies 95 V.5.a M=3.. 95

VI.5 Stratgies de commande implicite par modulation de largeur dimpulsion..... 49

VI.5.a Commande par modulation naturelle..... 49

VI.5.b Commande par modulation rgulire. 50

VI.5.c Commande par modulation conventionnelle.............................. 50

VI.5.d Stratgie de commande par modulation calcul. 51

VI.5.d.1 Rglage du courant et rduction des harmoniques dans la charge...................... 51

VI.5.d.2 Algorithme de calcul... 54

VI.5.d.3 Angle de commutation.... 54

VI.5.d.4 Etude du cas gnral associ M pair..................... 56

VI.5.d.5 Etude du cas gnral associ M impair............................. 58

VI.6 Conclusion... 63

III/IV


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V.5.b M=5. 96

V.5.c M=7. 97

V.5.d M=13... 97

V.5.e Discussion et analyse des rsultats... 98

V.6 Conclusion. 100

CONCLUSION GENERALE 101

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Abrviations : FACTS

: Flexible Alternative Current Transmission System. TCSC

: Thyristor-Controlled Series Capacitor. : TCSR : Thyristor Switched Serie Reactor.

SSSC

: Static Synchronous Series Compensator. STATCOM : Static synchronous compensator. SMES : Superconductor energies stockage.

SVC : Static Var Compensator. TCPAR : Thyristor Controlled Phase Angle Regulator. IPFC : Interline Power Flow Controller. UPFC : Unified Power Flow Controller. PWM : Pulse Width Modulation. THD : Total harmonic distortion.

r ms : root main square.

Variables : VS : Tension de source (gnrateur).

VR : Tension au point darrive (le rcepteur). Vsm : La tension de la bobine supraconductrice.

VC : La tension alternative injecte en srie. VSVC

: Tension de SVC. Vpq

: Tension injecte par lUPFC. : Tension initiale du condensateur. IL : Courant de ligne. IC : Courant inject. Ism : Le courant de la bobine supraconductrice. ILmax : Courant max du TCR. ICmax : Courant max du TSC. ITSC : Courant du TSC. ITCR : Courant de TCR. X0 : La valeur en per unit de lamplitude du fondamentale de la tension aux bornes la

charge vL. ISVC

: Courant de SVC.

VSeff : Tension efficace.. Qpq

: Puissance ractive inject ou absorb par lUPFC. Ppq

: Puissance active inject ou absorb par lUPFC. vab_TCR(V)

: Valeur efficace de la tension de phase de TCR. iab_TCR(A)

: Valeur efficace du courant de phase de TCR. va_TCR(V)

: Valeur efficace de la tension de ligne. ia_TCR(A) : Valeur efficace du courant de ligne. In : Courant efficace harmonique d'ordre n. Wsm : Energie absorb par la bobine supraconductrice. PR : Puissance active transmise (absorbe par la charge).


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QR : Puissance ractive transmise (absorbe par la charge). PS : Puissance active gnre (fournie par le gnrateur).

QS : Puissance ractive gnre (fournie par le gnrateur). : Angle de dphasage entre la tension de la charge et la tension de la source.

: Langle de dphasage entre le courant et la tension de la charge. C : Angle de dphasage maximal entre la tension de la charge et la tension de la

source : Angle de commutation en dgre. xi : Angle de commutation.

Paramtre : XTCSC, : Ractance du Condensateur Srie Command Par Thyristor. XTSSC : Ractance du Condensateur Srie Contrl Par Thyristor. Zch : Impdance de la charge. XL : Ractance de la ligne (inductive). Xbase : Ractance de base. XC : Ractance capacitive. Xind : Ractance inductive. TCR : Susceptance du TCR. SVC : Susceptance totale de SVC. L : Susceptance du TCR. C : Susceptance du TSC. B. : Susceptance du transformateur. BSVC_p : Susceptance du SVC au primaire du transformateur. BSVC_S : Susceptance du SVC au secondaire du transformateur.

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INTRODUCTION GENERALE

L'industrialisation et la croissance de la population sont les premiers facteurs pour lesquels

la consommation de l'nergie lectrique augmente rgulirement. Il devient de plus en plus difficile

dobtenir des endroits de passage pour construire des nouvelles lignes de transport ou de

distribution. Pour ces raisons, les compagnies dlectricit cherchent augmenter la puissance que

peuvent transportes les lignes existantes, sans autant compromettre leur fiabilit et stabilit.

Idalement, on aimerait les charger jusquaux limites de la capacit thermique des conducteurs et

utiliser toutes les lignes pour supporter la charge lectrique [01].

Les rseaux de transport et de distribution de l'nergie lectrique comportent jusqu'

maintenant des appareillages passifs. Par ailleurs, le maillage des lignes exige de plus en plus le

contrle des puissances transites. La complexit des rseaux exige aussi des marges de scurit

accrues afin que les perturbations locales ne provoquent aucune instabilit qui pourrait stendre

sur tout le rseau de transport [01]. Lvolution des topologies de llectronique de puissance et

leurs intgrations dans les rseaux lectriques a engendr des amliorations majeures sur ces

derniers, telles que la compensation flexible de l'nergie ractive, le contrle continu de la tension

aux jeux de barres, l'amlioration du facteur de puissance etc.

La travail de recherche de ce mmoire est motiv par le souci d'amliorer les performances

du systme de contrle des puissances ractives et des tensions aux jeux de barres dans un rseau de

transport d'nergie lectrique au moyen des dispositifs FACTS(Flexible Alternative Curent

Transmission System), comme ceux comportant une branche de ractance commande par

thyristors, tel que le compensateur statique de puissance ractive CSPR (acronyme en anglais

Static Var Compensator SVC ).

Le compensateur statique SVC base des lments de l'lectronique de puissance

contrlable est un dispositif qui sert maintenir la tension en rgime permanent et en rgime

transitoire l'intrieur des limites dsires. Le SVC injecte ou absorbe de la puissance ractive dans

le jeu de barres la o il est install, de manire satisfaire la demande de puissance ractive de la

charge. Il permet un contrle flexible et continu de la tension au jeu de barres.

La correction du facteur de dplacement est ralise en partie par des batteries de

compensation fixes dont la puissance est limite par la tension maximale admissible vide sur le

rseau. Afin dadapter le niveau de compensation la consommation, la partie fixe est complte

par un dispositif rglable bas sur une ractance contrle par des thyristors. Bien quil soit simple

dans son principe, ce dispositif ncessite un filtrage des harmoniques en basse frquence avec des

circuits LC volumineux.

Sur la base de ce constat, lobjectif de ce travail de mmoire est de proposer une nouvelle

topologie de compensateur de puissance ractive haut rendement et utilisant un contrle

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modulation de largeur dimpulsions dans le but de minimiser le volume des lments de filtrage et

assurer un contrle linaire de la susceptance du TCR du SVC.

Le premier chapitre prsente la tenue de la tension des rseaux lectriques. On retrouve dans

ce chapitre la dfinition d'un rseau et sa stabilit dans diffrents rgimes de fonctionnement ainsi

que pour diffrentes perturbations qui gnent leur fonctionnement. On trouve aussi l'quation

fondamentale des lignes de transport et sa solution en rgime permanent. Les caractristiques des

lignes non compenses sont obtenues partir de cette solution. On prsente clairement un rseau

compens quon caractrise par rapport un rseau non compens et l'intrt de la compensation

des lignes longues, afin de respecter les contraintes requises pour le transport de l'nergie lectrique.

Ces dernires sont galement prsentes dans ce chapitre.

Le deuxime chapitre est une prsentation gnrale du concept FACTS. Il sadresse tout

d'abord aux techniques de la compensation de puissance ractive classiques et modernes et une liste

des problmes lis l'exploitation d'un rseau lectrique, puis nous introduisons les solutions qui

peuvent tre apportes par la technique FACTS. Une classification des diffrents types de FACTS

est propose et les principaux dispositifs de chaque famille sont dcrits dune faon plus dtaille.

Le troisime chapitre est consacr l'tude et la modlisation du compensateur statique

SVC. Dans ce chapitre, nous allons tudier le fonctionnement du SVC, et nous prsentons les

lments qui constituent ces dispositifs. Diffrentes configurations de SVC sont prsentes.

Dans le quatrime chapitre nous, avons consacr une partie importante la stratgie de

commande des convertisseurs AC/AC, o nous avons abord les techniques de modulation de

largeur dimpulsions, qui a pour objectif essentiel lamlioration des performances spectrales

(minimisation des harmoniques) par rapport au convertisseur extinction naturelle, aprs avoir test

les mthodes classiques de modulation.

Dans le cinquime et le dernier chapitre, nous avons dcrit en dtail dans sa premire partie,

le principe de fonctionnement du systme de commande du TCR du SVC, puis on a tudi de

manire approfondie la synthse des rgulateurs et la loi de commande du TCR du SVC. Plusieurs

cas des rsultats de simulation ont t prsents du SVC avec le TCR base de thyristor avec trois

bancs de TSC, et puis dans la deuxime partie de ce chapitre nous avons abord le dveloppement

de la loi de commande du TCR du SVC base de la nouvelle topologie dites hacheur Alternatif de

composants commandables permettant le fonctionnement en PWM avec trois bancs de TSC.

Plusieurs cas des rsultats de simulation ont t prsents pour montrer la supriorit de cette

dernire structure par rapport la structure classique. Une comparaison minutieuse a t faite entre

les deux topologies en termes de contrle de la susceptance du TCR du SVC, de la minimisation du

THD des formes d'ondes du courant fourni par le TCR du SVC et en fin nous terminerons par une

conclusion gnrale.

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Chapitre I Gnralits

Gnralits sur les rseaux de transport d'nergie lctrique

ChapitreI



ChapitreI

sur les rseaux de transport d'nergie lectrique

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I.1 Introduction:

Un rseau d'nergie lectrique est un systme d'lments interconnects qui est conu:

Pour convertir d'une faon continue l'nergie qui n'est pas sous forme lectrique en nergie

lectrique.

Pour transporter l'nergie lectrique sur de longues distances.

Pour transformer l'nergie lectrique sous des formes spcifiques soumises des contraintes

bien dtermines.

Pour un consommateur, le rseau devrait idalement vu, de l'endroit o il prend son nergie

lectrique, comme une source de tension alternative parfaite: c'est--dire une source dont la

frquence et l'amplitude sont constantes quelle que soit la charge connecte.

Pour satisfaire leur clientle, les compagnies d'lectricit doivent donc s'efforcer de maintenir

l'amplitude et la frquence de la tension constantes (valeurs nominales). Donc, il est important de

maintenir le niveau de tension prs de sa valeur nominale aux diffrents nuds du rseau [02].

Une grande majorit des lignes de transport d'nergie lectrique sont courant alternatif,

fonctionnant plusieurs valeurs de tension (10 kV 800 kV), Les rseaux de distribution

fonctionnent gnralement au-dessous de 100 KV, tandis que la puissance est transmise des

tensions trs leves. Les lignes fonctionnant diffrentes tensions sont relies par les

transformateurs qui fonctionnent au rendement lev. Traditionnellement, les lignes courant

alternatif ne prvoient aucune commande du flux de puissance. Les disjoncteurs actionns

mcaniquement sont utiliss pour la protection contre les dfauts. Un disjoncteur actionn

mcaniquement est utilis pour un nombre doprations d'ouverture et de fermeture limit un

moment dfini et ne peut pas tre employ pour la commande de flux de puissances ( la diffrence

des commutateurs de llectronique de puissance frquence de commutation trs leve tel que le

thyristor, le GTO, l'IGBT, l'IGCT, etc.).

I.2 Types de perturbations qui peuvent dgrader la qualit de la tension:[02]

Les creux de tension et coupures brves: Les creux de tension sont produits par des

courts-circuits survenant dans le rseau gnral ou dans les installations de la clientle.

Interruption courte: L'interruption courte est la perte complte ou la disparition de la

tension d'alimentation pendant une priode de temps de 1/2 cycle jusqu' 3s. Elle se produit

quand la tension d'alimentation ou le courant de charge diminue moins de 0.1 pu.

Chutes de tension: Lorsque le transit dans une ligne lectrique est assez important, la

circulation du courant dans la ligne provoque une chute de la tension.

Tension et/ou courant transitoire: Les surtensions transitoires sont des phnomnes

brefs, dans leur dure et alatoires dans leur apparition. Elles sont considres comme tant

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des dpassements d'amplitude du niveau normal de la tension fondamentale la frquence

50Hz ou 60Hz pendant une dure infrieure une seconde.

Dsquilibre de tension: Un rcepteur lectrique triphas, qui n'est pas quilibr et que

l'on alimente par un rseau triphas quilibr conduit des dsquilibres de tension dus

la circulation des courants non quilibrs dans les impdances du rseau.

Perturbations harmoniques: Les harmoniques sont des composantes dont la frquence

est un multiple de la frquence fondamentale, qui provoquent une distorsion de l'onde

sinusodale. Ils sont principalement dus des installations non linaires telles que les

convertisseurs ou les gradateurs lectroniques, les fours arc, etc.

I.3 Transport de lnergie lectrique:[03]

La plupart des charges sont de nature inductive et ont besoin dune certaine quantit de

puissance ractive. Cette quantit est dtermine par le facteur de puissance de la charge.

La figure I.1.a montre le circuit quivalent dune ligne de transmission avec une source de

tension VS, une ractance jXL et une charge dimpdance Zch(VR).

Figure I.1.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique.

b) Diagramme vectoriel associ.

Si la charge est de nature inductive, le courant efficace IL de iL qui la traverse sera en retard de

phase avec un angle par rapport la tension aux bornes de celle-ci Zch(VR). Ce courant comprend deux composantes : la composante active IR qui est en phase avec la tension VR et la composante ractive IX qui est en quadrature avec la tension VR. La racine de la somme au carr de ces deux courants donne le courant de ligne IL. Le courant IR est porteur de la puissance active et le courant Ix est responsable au besoin de la puissance ractive de la charge (figure. I.1.b) [03].

O est langle de dphasage entre VR et VS.

Le diagramme vectoriel de la figure I.1.b, nous permet dextraire les quations suivantes: V c() V XI() (I.1) V() XIc() (I.2) j VI VIc() jVI() (I.3) 5


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A partir des deux quations (I.1) et (I.2), on peut calculer la puissance active et ractive

transitant dans la ligne comme suit:

VVX () (I.4) VX VVX c() (I.5)

Evidement que PS=PR, dans le cas o les pertes sont ngligeables.

Les puissances au niveau de la source :

On obtient

VX VVX c() (I.9) Aprs lanalyse des quations ci-dessus, nous pouvons remarquer que le flux de puissance

active et ractive peut tre command par le contrle de langle de dphasage , par le contrle de la

ractance XL ou par le contrle des tensions VR et VS. Pour bien comprendre, on suppose dans ce

cas que la tension VS=VR=Vbase et XL=Xbase

Tenant compte de ces considrations, nous pourrions convertir les paramtres de la ligne de

transmission en valeurs rduites qui sont comme suit : VS=VR=1pu, XL1pu. La figure. I.2 montre la variation de la puissance active et ractive en fonction de langle dphasage .

La figure I.3 montre la variation de la puissance ractive en fonction de la puissance active

pour un angle de charge 0 90.

j VI VI c( ) j VI ( ) (I.6) VI"c() () () c()# (I.7) V V()X V c() V c() VX (I.8)

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Figure I.2 PR et QR transmises en fonction de .

Figure I.3 QR en fonction PR pour (0 90).

Sur la figure I.2, nous pouvons conclure que la puissance active prend sa valeur maximale

pour une valeur de gale 90, donc on peut dire que dans cet intervalle le rseau reste stable (la

stabilit est limite par la valeur de 90), mais ailleurs, ce dernier peut devenir instable. La figure I.3 montre bien linfluence de laugmentation de la puissance active sur la puissance ractive

transmise par la ligne, donc on peut dire, pour plus de puissance active transmise, on aura plus de

puissance ractive fournir par le gnrateur. Pour satisfaire la demande de la charge, alors on aura

plus de pertes dans la ligne de transport. Pour ces raisons, la compensation devient un facteur

important pour lamlioration du transport de la puissance active [02].

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Chapitre I Gnralits

Descriptions

ChapitreII


Descriptions gnrales des systmes FACTS

ChapitreII


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gnrales des systmes FACTS

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II.1 Introduction:

Un FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) est un quipement

d'lectronique de puissance d'appoint utilis pour contrler la tension, augmenter les capacits de

transit, ou assurer la stabilit dynamique des rseaux de transmission d'lectricit. Il agit

gnralement en fournissant ou en consommant dynamiquement de la puissance ractive sur le

rseau. Ceci a pour effet d'augmenter ou de diminuer l'amplitude de la tension son point de

connexion, et par consquent la puissance active maximale transmissible.

Les condensateurs shunts fournissent la puissance ractive, et augmentent localement la

tension du rseau (utilis en priode de forte consommation ou dans les zones loignes des centres

de production). Les ractances shunts consomment la puissance ractive, et diminuent la tension du

rseau (utilis en priode de faible consommation). Les condensateurs sries permettent de

diminuer l'impdance des liaisons lectriques et daugmenter la puissance transmissible par ces

liaisons (une liaison lectrique haute-tension est en effet essentiellement inductive). Les ractances

srie augmentent l'impdance d'une liaison lectrique, afin de mieux rpartir les courants sur les

diffrentes liaisons [03].

II.2 Types de FACTS:

Les contrleurs FACTS peuvent tre classs comme suit:

a) FACTS sries: modifier l'impdance de la ligne, XL est diminu afin d'augmenter la

puissance active transmissible. Le FACTS est connect en srie avec le systme de puissance. Il

fonctionne comme une source de tension contrlable. L'inductance srie existe dans toutes les

lignes de transmission AC. Sur les lignes longues, quand un courant fort circule, ceci provoque une

chute de tension importante. Pour compenser, des condensateurs sries sont connects, diminuant

l'effet de l'inductance.

b) FACTS shunts: dans la compensation shunt, le systme de puissance est connect en shunt

avec le FACTS. Il fonctionne comme une source de courant contrlable. Un courant ractif est

inject dans la ligne pour maintenir l'amplitude de la tension. La puissance active transmissible est

augmente.

c) hybrides (sries- parallles);

Selon les topologies et les dispositifs lectroniques de puissance utiliss, les contrleurs

FACTS peuvent tre classs en deux types:

1. Type d'impdance variable.

2. Type convertisseur source de tension (VSC).

Nous dcrivons sommairement certains dentre eux et nous intressons en dtail la

description, au principe de fonctionnement et la modlisation du SVC qui fait lobjet de notre

travail dans ce mmoire.

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II.2.a FACTS de type srie:

Ces types de FACTS connects en srie avec le rseau peuvent tre utiliss comme une

impdance variable (inductive, capacitive) ou une source de tension variable. En gnral, ces

compensateurs modifient limpdance des lignes de transport en insrant des lments en srie avec

celles-ci [01-04].

II.2.a.1 Condensateur srie command par thyristors:

Ceci peut tre ralis de deux manires:

Par un contrle continue.

Un module de TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor) (figure II.1.a) est compos

dun banc de condensateurs XC en parallle avec une inductance Xind contrle par deux thyristors.

Limpdance totale XTCSC vue par la ligne est une combinaison parallle de la capacit et de

linductance quivalente variable selon langle d'amorage des thyristors. On peut aligner plusieurs

modules commands en srie dans la ligne compenser. Ce systme permet:

a. Accroitre la longueur lectrique dune ligne de transmission courant alternatif;

b. Lamortissement des oscillations de puissance;

c. La stabilit de la tension;

d. Lquilibrage des flux de charge dans les rseaux de transmission;

e. Une grande plage de variation de limpdance quivalente capacitive et inductive;

f. La rduction des problmes dus aux phnomnes de rsonance sub-synchrone.

Par une commande discrte

La diffrence entre TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor) (figure II.1.b) et le TCSC est

que langle damorage est soit de 90 degrs soit de 180 degrs.

Figure II.1. Schma de principe de a)TCSC et b) TSSC

La figure II.2.a, montre le circuit quivalent dune ligne de transmission dune ractance jXL

avec deux gnrateurs de tension VS et VR, et un TSSC de ractance XTSSC plac en srie avec la

ractance jXL [04].

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Figure II.2.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec TSSC.


A partir de lquation(I.4), on peut calculer la puissance active transite dans la ligne comme

suit:

Pour mieux tracer les caractristiques PR() avec diffrentes valeurs de K, on suppose dans ce

cas que la tension VS=VR =Vbase, XL=Xbase et 0 .

Figure II.3 PR en fonction de avec un TSSC.

La figure II.3, montre que la puissance active PR prend sa valeur maximale pour =C=90et

VVX(% &) () (II.1) & '())*'+ Pour un TSSC (II.2) & '(*)*'+ Pour un TCSC (II.3) X,-- X-X./0X- X./0 (II.4)

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dpend fortement de la valeur K, quand celle-ci augmente la puissance active maximale transmise

augmente, et elle diminue avec la diminution de K, c'est--dire la puissance active transmise dpend

de la ractance XTCSC insr dans la ligne de transmission.

II.2.a.2 Ractance Srie Contrle par Thyristor TCSR:

Thyristor Switched Serie Reactor (TCSR):

Le TCSR (Figure II.4) est un compensateur inductif plac en srie avec la ligne de

transmission, qui se compose d'une inductance X ind1 en parallle avec une autre inductance Xind2

commande par thyristor afin de fournir une ractance inductive srie variable. Lorsque l'angle

d'amorage de la ractance commande par thyristor est de180, le thyristor cesse de conduire, et la ractance non contrlable Xind1 agit comme un limiteur de courant de dfaut. Pendant que l'angle

d'amorage diminue au-dessous de180, la ractance quivalente diminue jusqu' l'angle de 90, o

elle est la combinaison parallle de deux ractances [04].

Figure II.4 Structure d'un TCSR.

II.2.a.3 Compensateur Srie Synchrone Statique (SSSC):

Static Synchronous Series Compensator (SSSC):

Le SSSC est constitu dun convertisseur statique avec une source dnergie Vdc, connecte

en srie avec la ligne de transmission travers un transformateur de tension plac en srie comme le

montr la figure II.5.

Le SSSC injecte en srie une tension alternative VC en quadrature avec le courant de ligne IL

laide dun transformateur srie. Le SSSC peut produire ou absorber la puissance ractive Q suivant

la commande D du convertisseur statique (prend la mesure de la tension laide dun

transformateur de tension TT, et du courant laide dun transformateur de courant TC).

Le SSSC a une fonction comparable au TCSC. Mais contrairement ce dernier qui prsente

une zone morte la rsonance parallle, le rglage est continu. De plus, lintroduction dun

stockage dnergie est possible du fait de la structure du convertisseur VSC. En distribution, il a des

niveaux de puissance plus faibles, cette topologie est utilise pour fiabiliser les utilisations critiques,

face aux microcoupures: celle-ci porte alors le nom de DVR stockage dynamique de tension,

(Dynamics Voltage Restorer) [04].

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Figure II.5 Schma de principe dun SSSC.

La figure II.6.a, montre le circuit quivalent dune ligne de transmission de ractance jXL

avec deux gnrateurs de tension VS et VR, et un SSSC placer en srie [04].

Figure II.6.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec un SSSC.


Le diagramme vectoriel de la figure II.6.b, nous permettons dextraire les quations suivantes:

A partir des quations (II.5), (II.6) et (II.7), on peut calculer la puissance transmise comme

suit.

23 456476489:; (II.5) < =>?@23A (II.6) B?C ?@B= D?@ ?C E?@?Cc (F) (II.7)


1/2

Pour mieux tracer les caractristiques PR() avec diffrentes valeurs de VC, on suppose dans

ce cas que la tension VS=VR =Vbase, XL=Xbaseet0 .

Figure II.7 PR en fonction de avec un SSSC.

La figure II.7, montre que la puissance active transmise PR atteint une valeur maximale puis

diminue jusqu' zro pour = , En plus, la valeur maximale de PR augmente et se dplace vers la

gauche quand la tension VC injecte dans la ligne par le SSSC diminue.

II.2.b FACTS de type parallle:

II.2.b.1 Compensateur Statique Synchrone(STATCOM):

Static synchronous compensator (STATCOM):

Le compensateur statique synchrone STATCOM est constitu d'un convertisseur source de

tension, d'un transformateur daccouplement et d'un circuit de commande. Dans cette application, la

source d'nergie Vdc peut tre remplace par un condensateur C, de sorte que l'change d'nergie en

rgime permanent entre le compensateur statique et le rseau soit uniquement ractif, comme il est

illustr dans la figure II.8 o IC est le courant de sortie du convertisseur, perpendiculaire la tension

du convertisseur VC. L'amplitude de la tension du convertisseur et la puissance ractive la sortie

du convertisseur sont rglables. Si VC est suprieure la tension VL du rseau, le compensateur

statique fournit la puissance ractive au systme, si VC est infrieure VL le compensateur statique

absorbe la puissance ractive [04-05]. Le modle simplifi du STATCOM considre le STACOM

comme une source de tension variable qui est ajuste automatiquement pour atteindre la tension

dsir, le jeu de barres o il est connect est considr comme un jeu de barres o lamplitude de la

tension et la puissance active et ractive sont spcifis [16].

14

Chapitre I Gnralits

Figure

La figure II.9.a, montre le circuit quivalent dune ligne de transmission de

avec deux gnrateurs de tension V

de celle-ci.

Figure II.9.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec STATCOM.

O Vr: est la tension de non fonctionnement du STATCOM, c'est

est dphas de 90 par rapport

par le STATCOM.

Le diagramme vectoriel de la

~

VL1

VS

IL1

VC

jXL1


ure II.8 Schma de principe du STATCOM.

montre le circuit quivalent dune ligne de transmission de

avec deux gnrateurs de tension VS et VR, et un STATCOM plac en parallle au

Circuit quivalent dun rseau lectrique avec STATCOM.


: est la tension de non fonctionnement du STATCOM, c'est--dire I

par rapport VC, donc il ny a aucune puissance ractive produit

Le diagramme vectoriel de la figure. II.9.b, nous permet dextraire les quations suivantes

~ VR

VL2

VS

a)

IC

IL2 VL1 V

jXL2


1/2

montre le circuit quivalent dune ligne de transmission de ractance jXL

plac en parallle au point quelconque

Circuit quivalent dun rseau lectrique avec STATCOM.

dire IC =0. Le courant IC

il ny a aucune puissance ractive produite au absorbe

xtraire les quations suivantes:

(II.9)

(II.10)

IL2 VR

b)

VL2

Vr

VC

IC

VL

15


1/2

Et en substituant de (II.10) dans (II.9), on obtient lquation (II.11):

Et en substituant de (II.12) dans (II.13), on obtient lquation (II.14):

Des quations (II.11) (II.14), on peut calculer la puissance transmise PR comme suit:

VVXP X () Q% IRVS XPXXP XT (II.16) Pour mieux tracer les caractristiques PR() avec diffrentes valeurs de IC, on suppose dans ce

cas que la tension VS=VR =Vbase,XL1=XL2=Xbase/2 et 0 .

Figure II.10 PR en fonction de avec un STATCOM.

La figure II.10, montre que la puissance active transmise PR dpend du courant IC inject par

le STATCOM, Quand la tension VC du STATCOM est inferieure la tension au point de

connexion avec la ligne de transmission, le STATCOM absorbe un courant IC dphas de -/2 par

rapport la tension VC. Donc, le STATCOM joue le rle dun compensateur inductif et la puissance

V- VS Q% I-VS XPXXP XT (II.11) ./ ()UV = ./ (W)B45648B (II.12) ./ ()BU)6UVB XYX+YZX+[ = ./ ()U\ (II.13)

VRVXP (]) VVXP X () V-VS (II.14) BVSB= DUV['+Y[^U)['[[^UV'+[U_'+YR` (a)'+Y^'+[ (II.15)

16


1/2

active maximale PR(c) diminue avec la diminution de IC. Dans le cas contraire, la tension VC est

suprieur la tension au point de connexion de la ligne de transmission, le STATCOM gnre un

courant IC dphas de +/2 par rapport la tension VC, Dans ce cas, le STATCOM joue le rle dun

compensateur capacitif et la puissance active maximale PR(C) augmente avec l'augmentation de IC.

II.2.b.2 Bobine supraconductrice de stockage dnergie SMES:

La figure II.11 ci-dessous donne le schma de principe d'un tel dispositif, dont la bobine

supraconductrice ne prsente aucune rsistance: tout courant qui y est induit, en appliquant par

exemple une tension ses bornes puis en la court-circuitant, va se maintenir jusqu' ce qu'une

tension de polarit inverse soit applique. Aucune rsistance ne soit introduite dans le circuit pour la

dcharger. Si linductance de la bobine est Lsm, elle accumulera une nergie Wsm et se charge

conformment aux quations (II.17) et (II.18)

bc %E Lc(Ic) (II.17) Vc Lc dIcde (II.18)

Ism et Vsm sont respectivement le courant et la tension de la bobine supraconductrice.

L'association d'une bobine supraconductrice utilise comme accumulateur magntique

supraconducteur d'nergie et d'un convertisseur commutation force de grande puissance constitue

le SMES. Les changes des puissances active et ractive entre la bobine supraconductrice et le

rseau lectrique travers le convertisseur convenablement command font que le SMES ralise les

deux fonctions de rgulation, savoir la rgulation de vitesse et celle de tension [05].

Figure II.11 Schma de principe du SMES.

II.2.b.3 Compensateur Statique de Puissance Ractive SVC:

Static Var Compensator(SVC):

Dans la pratique, il y a plusieurs modle de SVC, le modle dfini par (Confrence

Internationale des Grandes Rseaux Electrique) et considre le SVC comme un gnrateur

synchrone qui ne produit aucune puissance active, identique un condensateur synchrone en

Convertisseur Multi-phase

17


1/2

parallle avec une ractance inductive. Le jeu de barres au point de raccordement est comme un jeu

de barres PV bus, devient PQ bus quand le SVC fonctionne sa limite [16].

Le compensateur statique de puissance ractive SVC rend possible le contrle rapide de la

tension. La figure II.12 ci- dessous illustre le schma dun SVC.

Figure II.12 Schma de principe dun SVC.

Le SVC est lassociation dune inductance commande par thyristor (Thyristor-Controlled

Reactor: TCR), dun condensateur commut par thyristor (Thyristor- Switched Capacitor: TSC) et

dun filtre dharmoniques. La caractristique statique de ce type de FACTS est donne par la figure

II.13.

Figure II.13 Caractristique du SVC.

ICmax et ILmax sont les courants limites que peuvent supports respectivement le TCR et le TSC

[05-07].

Le SVC est un dispositif qui met en jeu des thyristors monts en tte-bche;

Un Static Var Compensator est un dispositif shunt, branch en gnral travers un

transformateur HT/MT ou BT.

Un SVC est un gnrateur de puissance ractive qui produit / absorbe une puissance variant

de faon continue depuis : + Qc Ql

ISVC

VSVC

18


1/2

Le SVC rpond en dynamique, dans un temps court, de lordre de deux cycles, pour

compenser une variation brusque de la tension conscutive un -coup de charge ou un dfaut.

Le TSC fournit: rien ou sa pleine puissance: 0/+Qc

Le TCR absorbe de faon continment variable: 0/-Ql

Le filtre fournit en permanence sa puissance : + Qf

Le bilan du SVC est donc : Q = +Qc +Qf Ql

Le SVC en rgime permanent:

Rgule le profil de tension, particulirement sur les systmes faibles, en absorbant ou en

fournissant de la puissance ractive

Augmente la capacit de transport du systme

Rduit ou limine les exigences pour de nouvelles lignes

Rduit les pertes (en vitant de transporter du ractif) et donc optimise les investissements

Le SVC en rgime dynamique:

Participe la Restauration dun systme aprs un dfaut

Amortit les oscillations de puissance

Amliore les marges de stabilit

Rduit les oscillations de (flicker)

Equilibre les effets dus aux charges dsquilibres


avec deux gnrateurs de tension VS et VR, et un SVC plac en parallle au point milieu de celle-ci,

le diagramme vectoriel associ est montr dans la figure II.14.b [04].

Figure II.14.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec un SCV.

b) Diagramme vectoriel associ avec = fg. De l'quation(I.4), on peut calculer la puissance active transmise dans la ligne:

~ ~

VL/1

VS VR

VL/2 IL1

IL2 VR VS

b) a)

VSVC

ISVC

IL2 j(XL/2)IL2

/2

jXL/2 jXL/2

ISVC

1/jBSVC

j(XL/2)IL1

VSVC

19


1/2

La figure II.15, montre le transformation Y de la figure II.14.a

Figure II.15 Transformation Y de circuit de la figure II.14.a.

Il ny a aucun effet pour les ractances parallles XA et XB, parce que VS et VR sont suppos

constants, la puissance active transmise est donne par lquation suivante:

De la mme manire, on suppose que la tension VS=VR=VSVC=Vbase, XL=Xbase et 0 ,

pour diffrentes valeurs de BSVC.

Figure II.16 PR transmise en fonction de avec un SVC.

EVVX (fE) (II.19)

VVX '+[h)i*j (II.20)

20


1/2

La figure II.16, montre que la puissance active maximale transmise PR() avec le SVC est

deux fois suprieur la puissance active transmise maximale PR() sans SVC, dans ce cas, on

cherche la ractance BSVC pour maintenir la tension au point de connexion gale 1pu et PR() au

maximum.

II.2.c FACTS de type hydride:

II.2.c.1 Transformateur dphaseur base de Thyristors (TCPAR) :

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator (TCPAR):

La figure II.17, montre le schma d'un TCPAR

Figure II.17 Schma de principe d'un TCPAR.

C'est un transformateur dphaseur base de thyristors. Ce dispositif a t cr pour

remplacer les dphaseurs transformateurs rgleur en charge (LTC; Load Tap Changer) qui sont

commands mcaniquement. Il est constitu de deux transformateurs, lun est branch en srie avec

la ligne et lautre en parallle. Ce dernier possde diffrents rapports de transformation (n1, n2, n3).

Ces deux transformateurs sont relis par lintermdiaire des thyristors. Son principe de

fonctionnement est dinjecter, sur les trois phases de la ligne de transmission, une tension V en

quadrature avec la tension dphaser. Il a lavantage de ne pas gnrer dharmoniques car les

thyristors sont commands en interrupteurs en pleine conduction. Par contre, comme le dphasage

na pas une variation continue, il est ncessaire d'ajouter un compensateur shunt, ce qui entrane des

surcots dinstallation. Lamplitude de la tension injecte est une combinaison des secondaires du

transformateur parallle dont les rapports de transformation sont n1, n2, n3 [06]

La figure II.18.a, illustre le circuit quivalent dune ligne de transmission de ractance jXL

avec deux gnrateurs de tension VS et VR et un TCPAR plac en srie [04]

21


1/2

Figure II.18.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec TCPAR.


Du diagramme vectoriel de la figure II.18.b) et de lquation (I.4), on peut calculer la

puissance active transmise dans la ligne comme suit:

De la mme manire, on suppose dans ce cas, que la tension VS=VR =Vbase, XL=Xbaseet0

avec diffrentes valeurs de .

Figure II.19 PR en fonction de radian avec un TCPAR.

Lide de base de ce type de FACTS est de maintenir la puissance active transmise PR() sa

valeur dsire et indpendante de la valeur actuelle de langle de dphasage . Si dpasse /2,

lamplitude de V est choisie de telle sorte que le dphasage entre les tensions VR et VS reste /2

( = C) [04].

VVX ( k l) (II.21)

22


1/2

II.2.c.2 Contrleur de flux de puissance d'interligne (IPFC):

Interline Power Flow Controller (IPFC):

L'IPFC a t propos afin de compenser un certain nombre de lignes de transmission d'une sous-

station. Sous sa forme gnrale, l'IPFC utilise des convertisseurs DC-DC placs en srie avec la

ligne compenser. En d'autres termes, l'IPFC comporte un certain nombre de SSSC et peut ajouter

le STATCOM.

Figure II.20 Schma de principe dun IPFC.

II.2.c.3 Variateur de charge universel UPFC :

Unified Power Flow Controller (UPFC):

En principe, le variateur de charge universel lUPFC possde la fois la fonctionnalit des

autres compensateurs FACTS (parallle, srie et dphaseur), savoir le rglage de la tension, le flux

de puissances, lattnuation des oscillations de puissance et lamlioration de la stabilit.

Loriginalit de ce dispositif est de pouvoir contrler les trois paramtres associs au transit de

puissance dans une ligne lectrique savoir : la tension, limpdance de la ligne, le dphasage des

tensions aux extrmits de la ligne o il est install. La configuration de lUPFC comprend un

compensateur shunt STATCOM et un compensateur srie SSSC. Les deux compensateurs sont

interconnects avec un jeu de barres de tension continue Vdc comme le montre la figure II.21 [05-

06] et [08].

23


1/2

Figure II.21 Schma de principe dun variateur de charge universel.


avec deux gnrateurs de tension VS et VR et un UPFC [04].

Figure II.22.a) Circuit quivalent dun rseau lectrique avec UPFC.


Le diagramme vectoriel de la figure II.22.b, nous permet dextraire les quations suivantes:

A partir des deux quations (II.22) et (II.23), on peut calculer la puissance transmise:

=>VIA (II.22) I Vmnn VjX Vo

pa Vqrops VjX (II.23)

~ ~

~ Qpq

VS VR

VL IL

b) a)

VS eff

Vpq

Ppq

IL VL

VR

-

Vpq

VS eff VS

- +

24


1/2

De la mme manire, on suppose dans ce cas, que la tension VS=VR =Vbase, XL=Xbase et 0

avec diffrentes valeurs de Vpq.

Figure II.23 PR en fonction de avec un UPFC et = 90.

La figure II.23, montre le cas, o la tension injecte par lUPFC et au maximum influence,

lorsque langle () est gale 90, donc la puissance active transmise maximale (C = /2) dpend

de la valeur de Vpq injecte. La puissance maximale augmente avec l'augmentation Vpq et l'inverse.

II.3 Conclusion:

Dans ce chapitre, nous avons prsent quelques types des systmes FACTS. Concernant la

modlisation et l'intgration de ces dispositifs de compensation dynamique dans les rseaux

lectriques, on peut conclure que l'intgration de cette nouvelle technologie (FACTS) dans la

structure des rseaux lectriques, permet le rglage des tensions, le contrle du transit de la

puissance active et ractive, ce qui permet une meilleure gestion de l'nergie et une amlioration des

indices de qualit de l'nergie lectrique.

Les quipements base de l'lectronique de puissance, y compris leurs commandes

appropries, offrent des solutions efficaces ce problme. Grce aux avances rcentes dans la

technologie des IGBT/GTO, le temps de raction des dispositifs FACTS est diminu quelques

milli- secondes

Nous avons choisi dtudier le SVC pour amliorer les proprits de celle-ci, afin que ce

dernier tre fiable pour garder la tension de raccordement un rseau lectrique dans la marge de

tension dsire et pour amliorer le transit de puissance active.

VVX () VVqrX (t) (II.24)

25

Chapitre I Gnralits

Modlisation du Compensateur Statique de Puissance Ractive

ChapitreIII



ChapitreIII


1/2


26


1/2

III.1 Introduction:

Le SVC est un dispositif shunt de la famille Flexible Alternating Current Transmission

Systme (FACTS) utilisant l'lectronique de puissance.

Durant les dernires annes, lutilisation des compensateurs statiques de puissance ractive

(SVC: Static Var Compensator) demeure indispensable dans le systme de transmission. Il est

destin la compensation de lnergie ractive et lamlioration de la stabilit de la tension, aussi

bien que la stabilit des petites et grandes perturbations dans les rseaux lectriques. Le rle

principale du SVC est de maintenir essentiellement la tension constante au jeu de barre l o il est

install en gnrant ou en absorbant de l'nergie ractive, et bnficie l'quilibre de la puissance

ractive du systme de transmission ltat stable du rseau.

Si le SVC est install au point milieu dune ligne de distribution, il est possible de rendre la

tension au jeu de barre au point de raccordement gale la tension de rfrence par rglage continu

de la puissance ractive [07].

III.2 Principes fondamentaux de la compensation de la puissance ractive:

Dans cette section nous dfinissons certains symboles et termes utiliss dans ce mmoire,

dans le but de dcrire les principes fondamentaux de la compensation de la puissance ractive.

Linductance ou le condensateur connect un nud du rseau est traits comme une charge

(Figure. III.1).

La puissance est dfinie comme suit: j VI (III.1) O V: Tension au jeu de barres.

I : le courant de charge.

Figure III.1 Inductance et condensateur traits comme une charge.

Avec lquation (III.1), les puissances active et ractive consommes par une inductance pure

et un condensateur pur sont exprimes respectivement comme suit:

Inductance:

j j U[ (III.2.a) 27


1/2

u v j j U[ (III.2.b) Condensateur: - jR jwV (III.3.a) 0), alors la charge aura des caractristiques inductives. Elle absorbe la puissance

ractive du systme, et si la charge aura des caractristiques capacitives, elle fournit la puissance

ractive au systme. Quand, (Q > 0) la source d'nergie fournie la puissance ractive, quand (Q < 0)

elle absorbe la puissance ractive du systme.

Afin dviter la confusion possible des concepts discuts ci-dessus, dans cette section nous

dfinirons, que la ractance consomme la puissance ractive, et le condensateur produit la puissance

ractive. Cependant, dans une quation, les signes (positif ou ngatif) de la puissance ractive dans

le modle d'un dispositif dpendront du cas si la ractance est traite comme charge ou comme

source [07].

III.3 Types de base de compensateurs de puissance ractive:

Un circuit simple quivalent dun rseau lectrique comprend une source de tension VS et une

ligne de transmission de ractance jXL, et une charge dimpdance Zch(VR). Le circuit quivalent et

son diagramme vectoriel correspondant sont montrs dans les figures III.2.a) et III.2.b).

Evidemment, il existe des diffrences dans les grandeurs, dans langle de dphasage et

lamplitude entre la tension de la source VS et la tension de la charge VR. Le diagramme vectoriel

montre que la chute de tension au niveau de la ligne est attnue par la transmission de la puissance

ractive. Et la diffrence de l'angle de phase entre les vecteurs de tension est due principalement la

puissance active transmise par la ligne [08].

Figure III.2.a) Circuit quivalent dun simple rseau lectrique.


V: La chute de tension cause par la puissance active.

V

28

Chapitre III Modlisation du Compensateur Statique de Puissance Ractive


1/2

La figure III.3.a montre un compensateur capacitif install en parallle lextrmit dun

rcepteur dune ligne de transmission. Le diagramme vectoriel de la figure III.3.a) montre le cas o

le courant du compensateur capacitif IC est gal celle du courant inductif ILX. Dans ce cas, il y a

une chute de tension V entre les amplitudes des deux tensions VS et VR, due la puissance active

transmise, si le systme est totalement compens, cest dire la puissance ractive produite par le

condensateur est absorbe par la charge. Le courant du condensateur est donn par lquation

suivante [08]: }I-} BIXB (III.4)

a) b)

Figure III.3.a) Compensateur capacitif (compensation cos()=1)


.

a) b)

Figure III.4.a) Compensateur capacitif (compensation VS=VR).


Le courant du condensateur additionn ICad (figure III.4.a) peut compenser la chute de

tension produite par la puissance active de la ligne de transmission, et rend la tension l'extrmit

du rcepteur gale la tension de source comme le montre la figure III.4.b). ?@ ?C (III.5)

29


1/2

Et le courant du condensateur devient : }2M} B23~B+}2M} (III.6) Donc, il y a deux types de compensation capacitive,

La premire compensation: est appele le compensateur de charge qui fournit la puissance

ractive, afin daugmenter le facteur de puissance jusqu 1, bien que, la chute de tension entre la

source et lextrmit de la ligne de transmission existe toujours.

La deuxime compensation: est appele le compensateur de la chute de tension le long de la ligne

complte en rendant la valeur du courant du condensateur IC plus grande que la valeur du courant de

la charge ILx selon la condition du systme au niveau de la tension.

III.4 Configurations des compensateurs ractifs statiques:

Dans la pratique, il y a diffrents types de compensateurs statiques sur les lignes de

transmission.

Les principaux types sont brivement dcrits dans cette partie.

III.4.a Ractance Contrle par Thyristor (RCT):

Thyristor Controlled Reactor (TCR):

Le circuit monophas dune ractance contrle par thyristor (RCT), est montr dans la figure

III.5, Le RCT est une inductance branche en srie avec une valve de deux thyristors

bidirectionnels. La valeur de linductance varie continuellement par amorage des thyristors [07].

Si la tension dalimentation vs est[07-09].: (e) Vc (e) (III.7)

Figure III.5 Circuit monophas du TCR.

De la figure.III.5 lquation de la tension du circuit est:

L dIM@(e)de (e) u (III.8) La solution de cette quation est:

IM@(e) %L (e)

de c VcL c(e) c

(III.9)

O c : est la constante d'intgration, avec la condition initiale de iTCR (t=) =0nous obtenons:

27 30


1/2

IM@(e) U (c() c(e)) (III.10) O est l'angle d'amorage en degr.

Les formes d'onde du courant iTCR et de la tension vTCR de la ractance aux diffrents angles

damorage sont montres dans la figure III.6. La forme d'onde iTCR indique que le TCR est

actionn comme une ractance rglable continuellement. Leffet de laugmentation de langle

damorage rduit la composante fondamentale du courant. Si l'angle d'amorage est proche

de180 le courant iTCR devient zro. La pleine conduction est obtenue avec un angle d'amorage

gal 90 l o la forme d'onde du courant est presque sinusodale : donc sa valeur fondamentale

proche ou maximum.

Figure III.6 Les formes d'ondes du courant et de la tension

de la ractance aux diffrents angles damorage .

Cependant, nous sommes principalement concerns par la composante fondamentale du

courant pour la conception dun compensateur dans les systmes de transport dnergie. Selon

l'analyse de Fourier, la composante fondamentale du courant peut tre crite sous la forme suivante:

31



1/2

IPM@() PM@c() PM@() (III.11) De lquation (III.10), le courant est une fonction de similitude i(t)=-i(t), cest dire b1=0.

Selon la formule suivante:

PM@(e) U c()c ()[ d (III.12) La valeur de a1TCR est donne par :

PM@ VcL E E (E) (III.13) O est exprim en degr, on substitue lquation (III.13) dans lquation (III.11).

L'amplitude du fondamentale du courant est donne par lquation suivante:

IP,- VcL E E (E) (III.14) videmment, la composante fondamentale du iTCR est en fonction de l'angle damorage

La division des deux termes de lquation (III.14) par la tension Vm donne la susceptance la

frquence fondamentale. IPM@Vc M@ E E (E)L (III.15) Cependant, si la ractance est reprsente comme :

j %jX j %L (III.16) La figure III.7 montre la relation entre la susceptance TCR et langle damorage . Le TCR

ainsi agit comme une susceptance variable. On observe sur la figure III.7 que la susceptance

diminue de sa valeur maximale BL zro lorsque l'angle d'amorage varie de 90 180, ainsi que

la composante fondamentale du courant associe, ce qui permet de rgler la puissance ractive

absorber par la ractance.

Le TCR est galement appel compensateur statique de puissance ractive, comme une

ractance continuellement rglable. Le TCR est le type le plus simple du SVC.

32



1/2

Figure III.7 Caractristique de contrle de BTCR avec .

Cependant, si langle d'amorage augmente au-del de 90, le courant devient non sinusodal

et des harmoniques sont produits (figure.III.8). Si les deux thyristors de commutation dont la

squence positive et la squence ngative sont symtriques, alors seulement les harmoniques d'ordre

impair sont produits. Les harmoniques peuvent tre dduits par l'analyse de Fourier des

composantes de hautes-frquences. Les valeurs efficaces du courant (RMS) ITCR et du courant

harmonique de la nime-ordre InTCR sont exprimes en fonction de par lquation suivante [07-

08]:

IM@() VcL E E c J (J %)(J %) (J %)(J %)

(III.17)

IM@() VcL g c J c JJ(J %)

(III.18)

IM@() (IM@)/P Pf

(III.19)

Ou n = 2k + 1 et k = 1, 2, 3,

33


1/2

Figure III.8 Les harmoniques du courant ITCR.

Le SVC peut tre gnralement considr comme un dispositif avec des paramtres rglables.

Le rapport entre la tension VSVC et le courant ISVC est exprim comme suit : 2 U- xC4MVC4M (III.20) C4M M@

III.4.b Ractance contrle par thyristor-condensateur fixe (RCT-CF) [07] [08]:

Fixed Capacitor Thyristor Controlled Reactor (FC-TCR):

La configuration du compensateur RCT-CF est illustre dans la Figure III.9

Figure III.9 La configuration du compensateur FC- TCR.

BSVCp : est la susceptance du SVC au primaire du transformateur,

34


1/2

C4M5: est la susceptance de SVC au secondaire du transformateur ou on prend en considration la susceptance de fuite de transformateur B.

Par lutilisation des paramtres de la figure III.9, BSVCp de lquation(III.20) devient comme

suit:

C4M5 W(MM@)WMM@ (III.21) Ou: BC = C;

Si langle damorage varie entre 90 et 180, la valeur de BTCR varie ente BL et 0, si

=180 BTCR=0, et la valeur maximale de la susceptance BSVC devient:

C4M5 WMWM (III.22) Et aussi, si =90, BTCR=BL, et la valeur minimale de la susceptance BSVC devient :

C4M5 W(M3)WM3 (III.23) Lanalyse de lquation (III.21) : montre que la susceptance du SVC est une fonction non-

linaire. Si la susceptance M % et % la variation du BSVC en fonction de BTCR devient linaire.

C4M5 (% zW)z (% Ez3W )M@ (III.24) De l'quation ci-dessus, les valeurs limites de la susceptance du SVC peuvent tre donnes

comme suit:

C4MC Q% zWT z HI M@ u (III.25.a) C4MC Q% z 3W T (z 3) HI M@ 3 (III.25.b)

On considr la tension de ligne VL gale VS, La tension secondaire du transformateur est:

?z 2C4M %x(zM@) (III.26) Le courant 2 C4M peut tre exprim en fonction de la tension du systme partir de lquation

(III.23) et (III.26). Les valeurs les limites de la tension secondaire sont donnes comme suit :

?3 ?C4M ? WW z ?(% Wz ) (III.27) O BTCR = 0 et z W

?3 ?C4M ? WW z 3 ?(% M^3W ) (III.28) O BTCR = BL et 3 W

35


1/2

III.4.c Ractance contrle par thyristor Condensateur commut mcaniquement (TCR

CMS):

Le condensateur commut mcaniquement peut tre branch avec le jeu de barre de haute

tension. Cependant, dans ce cas, des filtres fixes des harmoniques doivent tre installs en shunt

avec le TCR sur le secondaire du transformateur pour rduire les harmoniques de la charge du

transformateur.

Lavantage du compensateur MSC-TCR rsidu dans les frais de ses composants qui sont

moins chers que les commutateurs thyristor pour le branchement du condensateur.

L'inconvnient du MSC-TCR est que le temps de rponse est plus lent. Les commutateurs

mcaniques peuvent se fermer en deux cycles et s'ouvrir environ en huit cycles, par rapport la

commutation par thyristor qui se fait en un demi(ou moins) cycle.

Quelques tudes et ralisations pratiques montrent que le taux de compensation MSC-TCR

reprsente moins de 25% de la compensation par TSC-TCR

Un autre problme est signaler concernant le MSC-TCR consiste la charge emmagasine

dans le condensateur qui se dcharge constamment aprs la dconnexion. La charge qui reste

emmagasine dans les condensateurs est habituellement absorbe en cinq minutes environ par les

rsistances de dcharges existantes dans les batteries du condensateur. Si le condensateur est

aliment dans un dlai de cinq minutes aprs la dconnexion, la charge emmagasine dans les

condensateurs augmente le rgime transitoire. Le MSC peut tre commut uniquement lorsque les

condensateurs sont dchargs. Ce problme des charges emmagasines peut tre rsolu en utilisant

un petit transformateur magntique, tel quun transformateur de potentiel, plac paralllement au

condensateur chaque phase qui facilite labsorption de la charge emmagasine dans un dlai de

moins de 0.15 s.

Le TCR dans un MSC-TCR est conu pour avoir une inductance infrieure par rapport au

TCR dans un TCR-TSC de SVC. Cette conception doit permettre l'augmentation de sa capacit de

puissance capacitive-ractive. Une petite inductance TCR produit un niveau plus lev des

harmoniques; ainsi il a besoin plus de filtrage par rapport au TCR-TSC [07].

III.4.d Condensateur commut par Thyristor [07-10]:

Le schma de principe du TSC (Thyristor Switched Capacitor) est montr dans la figure

III.11.

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1/2

Figure III.11 Circuit monophas dun simple TSC.

Louverture et la fermeture du commutateur (thyristor) peut se faire de deux faons, elles sont

discutes ci-dessous:

Le thyristor est ferm dans le cas o la tension du condensateur VC n'est pas gale la

tension d'alimentation vS(t), il y aura une quantit infiniment grande du courant iTCS pour charger le

condensateur jusqu' la tension d'alimentation en un temps trs court. Le thyristor utilis comme

commutateur, peut tre endommag cause de ce fort courant.

Le thyristor est ferm dans le cas o la tension du condensateur VC est gale la tension

d'alimentation vS(t), le courant ITCS aura une variation avec un pas discontinu par apport sa valeur

d'quilibre, et il diminue jusqu' son tat d'quilibre dans un temps trs court. Dans le cas o

l'amplitude du courant ITCS est infrieure sa valeur d'tat d'quilibre, le rapport daugmentation du

courant IMC peut tre infiniment grand, et peut dpasser la valeur maximale permise de I et cause la destruction du thyristor.

Pour les raisons mentionnes ci-dessus, une inductance d'attnuation spciale est insre en

sries avec un condensateur dans le circuit principal.

III.4.d.1 Commutation dun condensateur en srie avec une inductance [07-10]:

Comme on a mentionn ci-dessus (pour rsoudre le problme discut dans la partie

prcdente), une petite ractance LS d'attnuation est ajoute en srie avec le condensateur, figure

III.10.

Figure III.11 Le TSC avec une inductance dattnuation.

Si la tension dalimentation est:

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1/2

() ?HIJ({) (III.29) O est la frquence du systme, lanalyse du courant aprs la fermeture du thyristor t=

iTSC()=0 donne le rsultat suivant:

Lquation de tension en termes de transformation de Laplace est:

(H) %| IMC() ?M (III.30) Avec la transformation de Laplace inverse, nous obtenons le courant instantan exprim

comme suit [08-10] :

ICM() IM c({ ) Jz ?z JJ % ? () ({) IMHH({) (III.31) { Est la frquence naturelle du circuit { %| J{ v ?M2CMGM IM ? M3M 3 (III.32)

J GMG3 v GM x{ v G3 %fx{ (III.33)

J : Per-unit de la frquence naturelle [8-9] Conditions ncessaires pour une commutation sans rgime transitoire:

Pour faire une commutation sans rgime transitoire, il faut que le terme du courant oscillatoire

de lquation (III. 32) devienne nul. Ceci peut se produire seulement quand les deux conditions

suivantes sont momentanment ralises : c u c do k% (III.34) V- k? JJ % (III.35)

La premire condition (III.34) est remplace dans (III.31) pour annuler les rgimes

transitoires, le commutateur doit tre ferm la crte positive ou ngative du sinus de la tension

d'alimentation vS(t). La deuxime condition(III.35) montre que le condensateur doit tre charg

une valeur prdtermine.

En pratique, il y a beaucoup de problmes dans la ralisation de la stratgie de commutation

pour viter le rgime transitoire, dfinie ci-dessous:

l'endroit o le SVC est install, habituellement les tensions ne sont pas purement

sinusodales et constantes; ceux-ci rendent la dcision de la commutation un moment moins

prdictive que l'tat idal. Une certaine quantit de transitoire est prvue, mme avec des stratgies

de commutation trs prcises.

Les grands condensateurs AC, ne sont pas conus pour rsister l'effort du prolongement

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1/2

de la pr-charge en DC.

III.4.d.2 Stratgies pratiques de la commutation:

Les stratgies de commutation suivantes, limitent les rgimes transitoires dans une marge

acceptable, qui sont bases sur des processus trs simples pour dcider que le thyristor devra tre en

conduction [08-10].

Quand la tension initiale du condensateur VC0 est gale la tension d'alimentationVC0= vS(t),

donc la commutation se fait quand la tension aux bornes du thyristor gale zro. ?HIJ() ?M (III.36) Est langle de commutation est donne comme suit :

HIJ6P ?M? (III.37) On commute avec la valeur crte de la tension dalimentation vS(t), cos()= 0

Stratgie de commutation:

On dcharge les condensateurs s'ils ne sont pas relis au systme, donc il ny a aucune

tension initiale travers le condensateur.

Si VC0 < Vm linstant de raccordement du condensateur, il est commut selon la premire

stratgie de commutation qui a t explique prcdemment, cest dire, ds que la tension

travers le thyristor atteint zro et la tension du condensateur ?Mest gale la tension dalimentation vS(t).

Si le condensateur est surcharg VC0 > Vm l'instant de raccordement du condensateur, il est

connect selon la deuxime stratgie de commutation, cest dire, quand la tension de la

source atteint sa crte maximale Vm et la tension travers le thyristor est au minimum. Cet

tat de fonctionnement sappelle Commutation forc

Ces stratgies de commutation utilisent les deux thories de commutation mentionnes ci-

dessus pour rduire au minimum les rgimes transitoires du courant.

III.4.d.3 Stratgie de fermeture des thyristors de TSC:

Les thyristors sont bloqus quand le courant iTCS passe par zro, comme il est montr dans la

figure. III.12.Le passage du courant par zro dans le condensateur se produit simultanment avec la

valeur crte de la tension du condensateur. Si le courant est bloqu par les thyristors, le

condensateur restera charger, les thyristors bloqus conservent la diffrence de tension entre la

tension alimentation vS(t) et la tension du condensateur VC qui devient plus leve que la tension

d'alimentation la crte suivante de la tension d'alimentation.

Dans la figure. III.12, la tension d'alimentation vS(t), la tension du condensateur vC(t) sont

montres dans un cas idal sans dcharge du condensateur et dans un cas rel o on prend en

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1/2

considration la dcharge du condensateur. La premire tape qui arrive juste aprs louverture des

thyristors est cause par linductance LS.

Figure III.12 Les formes dondes de tension et du courant

avant et aprs louverture du thyristor du TSC.

III.4.d.4 Caractristiques de fonctionnement du TSC [07]:

Le TSC a une caractristique de fonctionnement tension-courant discrte, comme le montre

la figure III.13. La forme de cette caractristique est en fonction du nombre n de bancs de

condensateurs branchs, et de la marge de variation de la tension V. Ainsi, pour viter des

commutations frquentes indsirables, le TSC rgle la tension au jeu de barres dans la gamme de

Vrf V/2.

Figure III.13 Caractristiques du TSC.

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1/2

III.4.e Condensateur Commute par Thyristor-Ractance Contrle par Thyristor (TSC-RCT):

Thyristor Switched Capacitor Thyristor Controlled Reactor (TSCTCR):

III.4.e.1 Configuration:

Le compensateur TSC-TCR montr dans la figure III.14 comporte n bancs du TSC et un

simple TCR qui sont relis en parallle. La valeur du TCR choisie pour tre 1/n de la valeur

gnrale du SVC. Les condensateurs peuvent tre branchs dans des tapes discrtes. Le contrle

contenu de la puissance ractive de chaque tape est ralis par le TCR.

Le TSC est raccord en srie avec une inductance pour liminer les diffrents harmoniques

des frquences trs leves. Pour viter le cas de fonctionnement du TSC tout seul cest dire le

TCR non raccord (sil ny a aucun filtre associ).

Les buts principaux de dveloppement du TSC-TCR sont laugmentation de la flexibilit

oprationnelle du compensateur pendant les grandes perturbations du rseau, et de rduire les pertes

de puissance dans ltat stable du rseau.

Un FC-TCR fonctionne comme un circuit LC branch en parallle, cela peut constituer un

circuit de rsonance dans les systmes de courant alternatif durant le droulement de la distribution

de lnergie, peut engendrer des problmes graves. Dans ce cas, un TSC-TCR insr dans le

systme peut agir rapidement pour dconnecter tous les condensateurs du compensateur, permettant

les oscillations rsonnantes. Ce dispositif de dconnection des condensateurs n'est pas disponible

dans le FC-TCR.

Figure III.14 Cas gnral de TSC-TC.

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III.4.e.2 Caractristique dynamique V-I de fonctionnement du SVC:

Figure III.15 Caractristiques V-I de commande du SVC.

La caractristique statique du SVC est donne par la figure III.15. Trois zones sont distinctes :

Pour V6c./ ?C4M V6c: Zone de rglage o lnergie ractive est une combinaison des CCT et RCT.

Pour VU- V6c: Zone o le RCT donne son nergie maximale. Les condensateurs sont dconnects

Pour VU- V6c./: Zone o seul les capacits sont connects au rseau. III.4.e.3 Calcul des limites de la marge de fonctionnement:

On prend lexemple de 3 TSC et un TCR :

Figure III.16 SVC avec 3 TSC et un TCR.

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Les quations (III.20) et (III.21) peuvent tre utilises pour dterminer la marge des limites de

fonctionnement de la susceptance du SVC. Dans lquation (III.21), BC est remplace par B3C du

TSC pour obtenir la susceptance la limite maximum de production dnergie ractive. On prend

en considration l'influence de la ractance d'attnuation B du transformateur. BC est considre

zro dans la limite d'absorption dnergie ractive, si tous les condensateurs sont dconnects.

Avec les donnes prcdentes, la susceptance maximale est donne comme suit:

z5 WW M (III.38) Et la susceptance minimale est donne comme suit :

z5 W3W 3 (III.39) M M (III.40) M z3z 3 (III.41)

Les caractristiques de fonctionnement globale de TSC-TCR peuvent tre adaptes avec les

quations FC-TCR, supposant qu'il y a un, deux, ou trois, condensateurs qui sont relis. Ici, tout la mode de fonctionnement se dcompose en trois modes.

Les trois modes du courant du SVC:

Le courant total du compensateur est donn comme suit [07-11] :

2z ? W(MM@)W MM@ (III.42) Le signe ngatif indique que le courant est capacitif. Les courants des deux limites des trois

modes capacitives peuvent tre donns par lquation suivante:

2z ? WMW M (III.43) Et pour le mode inductive, le courant est donne par :

2z ? W3W 3 (III.44) Caractristiques de la susceptance: [08] [09]

L'quation (III.40) peut tre utilise pour calculer la susceptance du SVC dans le cas du TSC-

TCR comme suit [27]:

z5 W(zM@)W zM@ (III.45) O n = 1, 2le nombre de Banc du TSC en fonction et BnC est la susceptance totale des TSC

de n bancs. Avec une approximation linaire, lquation(III.45) devient:

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z5 % z % ^; M@ (III.47) La caractristique V-I du TSC-TCR du SVC montre dans la figure III.17 est un cas simple

de la tension au jeu de barre qui est rgle strictement suivant la tension la rfrence dsire. Dans

la pratique, le SVC incorpore une pente lgre XS la caractristique V-I, pour obtenir certaines

tensions. Le problme est la coordination entre les TSC (entre bande). Une variation dune manire

minutieuse du TCR se fait pour obtenir une caractristique lisse de pente Xs dsire. Il est

ncessaire de varier lgrement le TCR aprs chaque banc du TCS additionn [07-11].

Figure III.17 Caractristique statique avec une combinaison entre TSC-TCR.

III.5 Conclusion:

Dans ce chapitre nous avons prsent en dtail les principes de fonctionnement et les

caractristiques fondamentales des divers compensateurs de puissance ractive. Nous avons rserv

une partie importante l'tude, l'analyse et le dveloppement de toutes les quations qui rgissent le

fonctionnement du systme en question, le SVC. Notre choix s'est port sur ce dernier pour sa

simplicit et son usage parce que dans la totalit des systmes qui ncessitent la compensation de

l'nergie ractive que soit pour les systmes interconnects ou isols. Plusieurs exemples ont t

tudis pour illustrer leurs principes de fonctionnement et leurs caractristiques statiques.

Cest la commutation naturelle des thyristors qui explique la simplicit de la mise en uvre

des montages gradateur pour les systmes SVC, mais nous avons vu que cette structure a deux

inconvnients qui sont un contrle non linaire de la susceptance du SVC et l'injection des courants

harmoniques au point de raccordement. La prsence de ces harmoniques gnre des perturbations

importantes.

La structure du convertisseur base de gradateur ne permet pas une bonne amlioration et de

faon importante les performances lies aux harmoniques et au contrle de la susceptance du SVC.

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1/2

Pour limiter les inconvnients causs par les gradateurs au point de raccordement, et

amliorer la qualit du courant inject au point de raccordement et assurer un contrle plus souple

de la susceptance, il est ncessaire de passer des structures de convertisseur commutation dur et

utiliser les possibilits offertes par les interrupteurs entirement commands.

45

Chapitre I Gnralits

ChapitreIV


Gradateur MLI

ChapitreIV


1/2

MLI

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1/2

IV.1 Introduction:

Comme nous avons mentionn au chapitre prcdent, lintroduction de la commutation dure

permet souvent de considrer des harmoniques du ct de la charge.

Les travaux de recherche sur les convertisseurs directs AC-AC commutation dure sont

beaucoup moins nombreux bien que ces derniers se prtent galement, de par leur structure, la

modulation de largeur dimpulsion. Parmi nos objectifs: la rduction des harmoniques de la tension

et du courant de sortie du convertisseur, sans lutilisation dun filtre de sortie et le contrle linaire

de la valeur efficace de sortie. Toutefois le filtrage passif de courant lentre laide dune cellule

LC est galement mentionner, car il est important davoir un courant dentre dpourvu

dharmonique en mme temps quune source de tension lentre du convertisseur [14].

IV.2 Schma de principe:

Le circuit de puissance du hacheur alternatif est compos de deux pairs de thyristors

connects en parallles, lun de ces deux est connect en srie, et lautre est connect en parallle

avec la charge, les thyristors connects en srie rglent la puissance fournie la charge et les

thyristors parallles assurent le chemin de roue libre pour dcharger l'nergie stocke quand les

thyristors sries sont bloqus. La figure IV.1 donne la configuration de ce circuit [13-19]:

Figure IV.1 Topologie du hacheur alternatif.

La structure de ce convertisseur permet de supprimer les contraintes de la commutation

assiste par le rseau au convertisseur AC-AC de type gradateur [14-19].

Les avantages offerts par lutilisation de ces dispositifs sont [19]:

Rponse rapide;

Compacit;

Les pertes de commande sont nulles.

La fonction du rgulateur de tension AC-AC commutation dure donne les avantages

suivants :

Amliorer la qualit du courant de sortie;

Contrle le contenu harmonique lentre et la sortie compar la structure classique;

47

Chapitre IV Gradateur MLI

Chapitre I

Belguidoum Hocine

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