Une présentation didactique du réseau électrique comparé à un tandem

ECI, Belgium

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Le réseau électrique vu comme un tandem

BruxellesSeptembre 2005

www.leonardo-energy.org


Le réseau électrique est à la fois : – d’une importance cruciale au quotidien pour

notre économie – et d’une grande complexité

D’où l’idée d’utiliser une bonne analogie pour se faire une meilleure idée de son mode de fonctionnement

Nous comparerons donc le réseau à un tandem



Aucune analogie ne peut constituer une représentation complète– Il n’est pas possible de “translater” toutes les

caractéristiques– Certain aspects de l’analogie ne sont pas

totalement pertinents Les ressemblances doivent être suffisamment

proches Elle peut alors être très utile à une meilleure

compréhension du caractère abstrait d’un réseau électrique


Représentation fondamentale du système (1)

Le tandem se déplace à vitesse constante Le but : les personnages en bleu doivent continuer à se

déplacer Personnages en bleu = la charge (charges industrielles,

résidences privées) Personnages en rouge = centrales de production (de

différentes tailles)



La chaîne = le réseau électrique La chaîne doit tourner à vitesse constante (le

réseau électrique est à fréquence constante) La partie supérieure de la chaîne doit rester sous

tension constante (le niveau de tension en un point donné du réseau doit être constant)



Partie inférieure de la chaîne, sans tension = conducteur de neutre

Plateau transmettant l’énergie à la chaîne = transformateur interfaçant la centrale de production et le réseau



Certaines personnes en rouge (centrales de production) ne pédalent pas à pleine puissance

Elles sont capables d’appliquer une force supplémentaire quand :– Une nouvelle personne en bleu (charge) s’assoie dans

tandem– Une des personnes en rouge (centrales de production)

est prise de crampes (= problème technique)


La puissance réactive et sa compensation (1)

La personne en bleu se penche d’un côté = charge inductive

La charge inductive décale l’onde de courant par rapport à l’onde de tension (plus spécifiquement : décalage arrière)

Causes: bobines excitatrices des moteurs électriques, les ballasts des éclairages fluorescents, et certains types de chauffages électriques …



Personne en bleu: – Poids normal

(= charge normale)– Pas d’influence sur la

tension de la chaîne (= niveau de tension normal)

– Pas d’influence sur la vitesse (= fréquence normale)

Mais sans compensation, le tandem risque de tomber



La personne en rouge se penche de l’autre côté pour compenser = La centrale de production génère de la puissance inductive (décalage de l’onde courant par rapport à l’onde de tension, comme pour la charge)



Conséquences:– La compensation doit être

instantanée et précise, ce qui requiert la bonne compréhension de la situation

– La personne qui pédale en se penchant sur le côté ne fournit pas son effort aussi confortablement que précédemment

– Le tandem à plus de prise à l’air, engendrant des pertes supplémentaires



Une meilleure solution : exercer la compensation au voisinage de la source à l’aide d’une charge capacitive = la personne en bleu est assise près de la charge inductive mais se penche du côté opposé

La charge capacitive place l’onde de courant en avance par rapport à l’onde de tension, compensant ainsi le retard caractéristique d’une charge inductive


Distorsion harmonique (1)

Un cycliste bleu– Se penche d’avant en

arrière– Trois ou cinq fois plus vite

que le tandem= Charge harmonique

La cause : Les récepteurs télé, les ordinateurs, les lampes fluorescentes compactes, les moteurs électriques commandés par des variateurs à ponts onduleurs …


Distorsion harmonique (2)

Elle doit être compensée au voisinage de la source, sinon le tandem va commencer à

osciller d’avant en arrière Engendrant des pertes

énergétiques supplémentaires La compensation à l’aide de filtres

anti-harmoniques= Une selle placée sur des

roulettes et se déplaçant d’avant en arrière, ce qui compensera le mouvement du personnage bleu hyperactif


Conservation à des valeurs constantes du niveau de tension et de la fréquence (1)

Chaussures glissantes (= panne dans une centrale de production)

La chaussure glisse de la pédale (= la centrale de production est arrêtée)

La tension sur la chaîne diminue= la tension baisse sur le réseau

Risque de blessure pour le cycliste rouge, car la pédale continue de tourner ( = risque de casse de certaines parties de l’équipement au moment de l’arrêt instantané de la centrale)



d’autres cyclistes doivent compenser, pour ne pas perdre de la vitesse

= d’autres centrales de production doivent augmenter leur contribution, pour éviter une baisse de la fréquence



Il est difficile pour un cycliste de replacer son pied

= il n’est pas évident, dans une centrale de production de recoupler son alternateur au réseau, les fréquences respectives devant parfaitement concorder



Le même type de creux de tension risque d’apparaître lorsque qu’une charge puissante et brutalement raccordée au réseau (un cycliste bleu monte sur le tandem en marche)

Une charge puissante est brutalement déconnectée (un cycliste bleu saute du tandem en marche) une surtension transitoire peut apparaître


Trois différents types de centrales de production (1)

Un cycliste rouge est directement relié à la chaîne par l’intermédiaire d’un seul pignon et pédale à vitesse constante

= cela correspond aux centrales de production traditionnelles tournant à vitesse constante et connectées au réseau par l’intermédiaire d’un transformateur



Un cycliste peut pédaler plus lentement

Tandis qu’il est relié à la chaîne par un système à pignons

= cela correspond à une turbine hydraulique, dont la vitesse dépend du courant dans la rivière– La turbine est connectée à

l’alternateur par un réducteur– Ou : un convertisseur de

fréquence interface l’alternateur et le réseau



= cela correspond à une turbine éolienne Qui ne fonctionnera que si la vitesse du vent

n’est ni trop lente ni trop rapide Et devra être redondante avec d’autres

types de centrales de production

Un cycliste rouge peu puissant

Qui ne pédale que quand il fait beau

N’est pas fiable pour les autres



Aussi pourquoi le cycliste rouge doit-il se situer entre des cyclistes bleu ?

relié à la chaîne à l’aide d’une courroie et d’un système à pignon

= turbines éoliennes connectées à un réducteur ou un convertisseur de fréquence pour gommer les variations de la vitesse du vent



2) Les turbines éoliennes ne sont pas habituellement raccordées au réseau haute tension comme les autres centrales de production mais au réseau local Celui-ci étant conçu pour l’alimentation des charges, il devient difficile de gérer la répartition et la protection du réseau

Pourquoi entre des cyclistes bleus ?

1) Les turbines éoliennes sont beaucoup moins puissantes que les centrales de production traditionnelles


Trois différents types de charges (1)

Le système de freinage transforme l’énergie cinétique en chaleur

au même titre qu’une résistance transforme l’énergie électrique en chaleur

Un cycliste bleu sans pédale et qui appuie sur les freins

= une résistance électrique Par exemple : les ampoules

lumineuses ou la plupart des systèmes de chauffage



Un cycliste bleu, les pieds sur les pédales en rotation,

au lieu d’accompagner le mouvement de rotation, appuie de tout son poids sur elles en cherchant à s’opposer à la rotation mais elles l’entraînent

= Un moteur électrique Même principe fondamental qu’un

alternateur Mais, à l’inverse, transforme

l’énergie électrique en énergie de rotation



Un cycliste bleu se penche d’un côté = une charge inductive

La charge inductive décale l’onde de courant par rapport à l’onde de tension (plus spécifiquement: décalage arrière)

Déjà présenté précédemment


Conclusion (1)

contrôler un réseau électrique est extrêmement complexe– La puissance fournie à chaque instant doit être

parfaitement égale à celle appelée par la charge

– Il convient de garder constantes à la fois la fréquence du réseau (vitesse du tandem) et son niveau de tension (tension de la chaîne)


Conclusion (2)

Différents types de perturbations peuvent ébranler l’équilibre

En Europe : chaque pays possède un opérateur de réseau indépendant qui réalise cette tâche difficile

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Merci pour votre attention!

Bibliographie

Explaining Power System Operation to Non-engineers by Lennart Söder, IEEE Power Engineering, April 2002

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