Simulation dynamique des réseaux d`énergie électrique

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Simulation dynamique des réseaux d’énergie électrique
Patricia Rousseaux
Thierry Van Cutsem
1
Université de Liège – Dépt. d’Electricité, Electronique et Informatique
S’éclairer
Se chauffer
Travailler
Préparer ses repas
Se distraire…
C’est banal ...
grâce à …
l’énergie électrique
Patricia Rousseaux
2
1
Et pourtant …
•
•
Derrière “la prise de courant”, il y a un processus industriel
complexe
Un réseau d’énergie électrique est parmi l’un des plus grands
systèmes construits par l’homme
Réseau interconnecté de l’UCTE
UCTE = Union pour la Coordination du
Transport de l’Electricité
Patricia Rousseaux
3
Un réseau est constitué de multiples
composants de natures différentes
Unités de production
Lignes de transport
différents niveaux de tension
Consommateurs
= charges
Transformateurs
Patricia Rousseaux
4
2
Structure transport - distribution
Patricia Rousseaux
Patricia Rousseaux
5
6
3
Caractéristiques du transport de l’énergie
électrique
•
L’énergie électrique est produite et transportée sous forme de
courant alternatif ou AC = Alternating Current
– En Europe : fréquence f=50 Hz
– En Amérique du Nord : f=60 Hz
•
L’énergie se propage du producteur au consommateur à la vitesse
de la lumière
•
L’énergie passe par le réseau et suit les chemins de moindre
résistance. Il faut satisfaire
– Les lois de Kirchhoff
– La loi “d’Ohm”
Patricia Rousseaux
7
Equilibre Demande - Production
•
Énergie électrique difficilement stockable en quantités significatives
⇒ Processus de production “just in time”
⇒ A tout instant, l’équilibre suivant doit être respecté
Pprod=Pcons + pertes
•
La demande imposée par les consommateurs fluctue à tout instant
Evolution journalière de la
demande sur le réseau
belge
Patricia Rousseaux
8
4
En plus de la variation de la demande…
•
Le réseau est soumis à de nombreux aléas
– Foudre
– Erreur humaine
– ….
•
Et pourtant, le plus souvent, ça marche ! Grande fiabilité
Mais, les conséquences d’une panne “géante” ou “black-out” sont
très importantes pour la société
Patricia Rousseaux
9
Black-out USA-Canada – Août 2003
Patricia Rousseaux
10
5
•
50 millions de personnes touchées aux USA et au Canada
•
60 MW de charge perdue ≅ 11 % de la consommation de l’Eastern
Interconection
•
Coût estimé ≅ de 4 à 10 milliards USD
•
400 lignes de transport, 531 unités de production déclenchées par
des protections, ont dû être remises en service
•
La reprise de service à nécessité de quelques heures à quelques
jours selon l’endroit
Patricia Rousseaux
11
En Europe : Italie, dimanche 28/9/2003, 3h28
•
Italie isolée, tout le pays sans électricité jusque:
•
•
•
•
•
8h
12h
17h
21h40
Italie du nord
Italie centrale
Italie du sud
Sicile
Situation initiale : 03:00 - creux de nuit
4000
MW
3000
Observé
2000
Programmé
1000
0
CH
•
FR
SL
AU
GRE
Echange plus élevé que prévu entre la Suisse et l’Italie
Patricia Rousseaux
12
6
Séquences d’événements
03:01 surcharge
03:25 déclenchement
03:01 déclenchement
03:21 diminution import
de 300 MW
03:25 instabilité angulaire
toutes les interconnexions
déclenchées
03:28 f=47.5 Hz
blackout
Patricia Rousseaux
13
Black-out évité de justesse
Europe 4 novembre 2006
– Flux Est
Ouest important : 9260 MW
– production totale: 274 100 MW dont 15 000 MW éolien
Patricia Rousseaux
14
7
Séquences d’événements
• Réseau D, deux opérateurs A et B
– 21:38 : mise hors service par l'opérateur A d'une ligne
380 KV (passage d'un bateau)
– 22:08 : surcharge d'une ligne entre les réseaux A et B
– 22:10 : tentative de réduction de la surcharge par opérateur A
– Cascades de surcharges et de déclenchements automatiques
de lignes
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15
Séparation du réseau Européen en 3 zones
zone ouest : déficit de G de 8940 MW, sous- fréquence
zone nord-est : surplus de G de ~ 10 000 MW, sur-fréquence
zone sud-est : peu affectée, légère sous-fréquence
délestage automatique : 17 000
MW (15.106 foyers)
mais aussi perte de production,
éolien !
49 Hz
reconstitution du actions
réseau automatiques
UCTE à 23:57en
vue
de
réduire
f très à
(resynchronisation ouest, nord-est
élevée,
dont déconnexions
22:47, 3 régions
à 22:49)
de groupes
(6 200 MW éolien)
51.4 Hz
mais redémarrage
automatique de G éolien !
réseau très chargé,
risque de black-out élevé !
49.7 Hz
Patricia Rousseaux
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8
Evolution actuelle et facteurs favorisants
• Augmentation de la demande en électricité
• Difficulté de développer et renforcer le réseau
• Création de grandes interconnexions
• Au niveau de la production:
– construction d’unités de plus en plus puissantes mais aussi
– multiplication du nombre d’unité de taille moyenne
Le réseau est amené à fonctionner de plus en
plus près de ses limites
Patricia Rousseaux
17
Encore plus complexe
•
Introduction de petites unités de production au niveau des réseaux
de distribution, et en particulier des productions à partir d’énergies
renouvelables :
– hydraulique
– éolien
– photovoltaïque
– biomasse
objectif 20-20-20 de l’Union européenne
Patricia Rousseaux
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9
Le nouveau paradigme : Smart Grids
A
smart Grid is a combination of an electrical power system and a
telecommunication network that can intelligently integrate the action of all users
connected to it – generators, consumers and those that do both – in order to
efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity
Patricia Rousseaux
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Conduite du réseau
•
•
•
•
Le réseau électrique est surveillé et piloté depuis un centre de
conduite ou dispatching
Des fonctions d’analyse de la sécurité aident l’opérateur à prendre
les bonnes décisions
Permettent à l’opérateur
de tester, “sur un modèle
du réseau”, des stratégies
de sauvegarde
En Belgique :
– ELIA : gestionnaire du réseau
de transport
– Dispatching national à Linkebeek
en charge du réseau à 380 kV
– 3 dispatchings régionaux en charge
des réseaux de 220 à 30 kV
Patricia Rousseaux
20
10
Evénements initiateurs de black-out
aléas
(de consommation, climatiques, pannes, facteur humain)
perte d'un
ou plusieurs
composants
déclenchements en cascade
par surcharge thermique
perte de
production
élimination
retardée
d'un défaut
instabilité
de tension
instabilité
angulaire
morcellement du réseau
protections réagissant à la dégradation du fonct.
instabilité
de fréquence
capacité de maintenir
capacité de maintenir
capacité proche
de maintenir
la fréquence
le synchronisme entre
cascade
de
pertes
d'équipements
les
tensions
près
de
de sa valeur nominale
les générateurs
leur valeur nominale
BLACKOUT
Patricia Rousseaux
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Le moteur d’un black-out…
le comportement dynamique des composants du réseau suite à une perturbation
•
Besoins:
– méthodes efficaces de simulation temporelle des équations
différentielles qui gouvernent le comportement du système
– recours à des modèles simplifiés, dédicacés aux phénomènes
étudiés
Un réseau d'énergie électrique, un très grand système ?
exemple : réseau de transport UCTE
15500 nœuds élec.
146000 eqs.
RAMSES (ULg)
Logiciel de simulation
Évolution temporelle 5 min
calculée en 4 min temps CPU
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11
Evolution de la tension en un noeud du réseau
Perte d’une ligne de transport
Patricia Rousseaux
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Le projet : Simulation du comportement d’une
centrale de production hydroélectrique
•
Composants
–
–
–
–
–
–
Barrage et conduite d’eau
Turbine
Alternateur triphasé
Tranformateur
Ligne de transport
Réseau haute tension
Energie
hydraulique
Energie
mécanique
Turbine
Energie
électrique
Alternateur
Patricia Rousseaux
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12
Rappel : Induction électromagnétique
loi de Faraday, loi de Lenz
•
•
Si l’on déplace l’aimant, un courant
induit circule dans le circuit
conducteur
Ce courant est provoqué par une
force électromotrice induite donnée
par
où ψ représente le flux d’induction
magnétique à travers le circuit
Le courant induit engendre un
champ d’induction magnétique qui
s’oppose à la variation de flux qui
lui a donné naissance
Patricia Rousseaux
25
Alternateur triphasé : principe de
fonctionnement
•
Une partie mobile : le rotor = électroaimant
L’enroulement d’excitation, bobiné sur
le rotor, est alimenté par une source de
tension continue vf
Tourne à la vitesse angulaire ω et crée une
induction magnétique qui tourne à la même
vitesse
•
ω
Une partie fixe : le stator
Comporte 3 circuits ou enroulements qui “voient passer” l’induction
créée par le courant circulant dans l’enroulement d’excitation
⇒ courants induits
Système triphasé équilibré : comporte 3 circuits identiques
⇒ se réduit à l’analyse d’une seule “phase”
Patricia Rousseaux
26
13
Courants induits au stator
i j = 2I cos(ω t + φ j )
Patricia Rousseaux
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Vitesse angulaire du rotor et
pulsation des courants
Vitesse angulaire du rotor = pulsation des courants induits
•
•
•
•
•
Fréquence : f=50 Hz ⇒ ωN = 2πf est appelée la vitesse de
synchronisme
Les alternateurs de toutes les machines présentes dans le réseau
interconnecté tournent à cette même vitesse
Le rotor effectue 50 tours/s, soit 3600 tours/min
En pratique, cette vitesse est trop élevée pour les turbines
hydrauliques
Solution :
– rotor à p paires de pôles
– vitesse mécanique divisée par p
•
En situation perturbée, ω ≠ ωN
Patricia Rousseaux
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14
Le modèle, les variables
•
6 équations différentielles ordinaires du 1er ordre
•
6 variables “d’état” :
–
–
–
–
Q : le débit d’eau dans la conduite
δ : la position du rotor de l’alternateur
ω : la vitesse angulaire du rotor
ψf : le flux d’induction magnétique embrassé par l’enroulement
d’excitation
– ψq1 : le flux d’inductiion magnétique embrassé par le circuit
d’amortissement
– vf : la tension d’alimentation du circuit d’excitation
Patricia Rousseaux
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Les paramètres
•
•
On suppose une seule paire de pôles : p=1
Vitesse à l’équilibre = vitesse de synchronisme
ω N = 2 π 50 rad/s
•
Puissance nominale produite par la turbine
PN = 500 MW = 500 . 106 W
•
•
toutes les variables (à l’exception de δ, ω et t ) et tous les
paramètres sont adimensionnels et exprimés en fraction de leur
valeur nominale
Exemple : puissance
si PN = 500 MW , 400 MW ⇒ P =
400
= 0.8
500
Patricia Rousseaux
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15
Puissance mécanique recueillie par la turbine
•
Puissance cédée par l’eau
Ph = f (Q, H e ) et Q = z H e
z
He
z est le degré d’ouverture
des vannes d’admission de l’eau
•
Puissance mécanique recueillie par la turbine Pm < Ph
pertes liées aux frottements de l’eau avec la conduite et la turbine (QV)
•
Ce qui nous intéresse : le couple mécanique
•
C’est z qui fixe la puissance produite. Après une modification de z, le débit
n’atteint pas directement sa valeur finale (inertie de l’eau)
Patricia Rousseaux
31
Equations de mouvement du rotor
•
Le mouvement du rotor est soumis à deux couples
– Tm le couple mécanique fourni par la turbine
– Te le couple de rappel ou électromagnétique lié aux courants induits
dans les circuits du stator
•
L’application de la loi de Newton au rotor fournit :
δ = position du rotor (rad)
ω = vitesse angulaire (rad/s)
δ
•
ωN
A l’équilibre = régime établi
ω = ω N et Tm = Te
Patricia Rousseaux
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16
Après une perturbation…
Suite à l’action des couples,
le rotor oscille autour de sa position d’équilibre
Patricia Rousseaux
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Le réseau et l’alternateur : partie électrique
enroulement d’excitation
La réactance Xe modélise la ligne de
transport et le transformateur
Le réseau = source de tension
d’amplitude constante
V et VR liés par loi de Kichhoff
Te = f (ψ f ,ψ q1 ,δ ,VR )
R f i f = f (ψ f ,δ ,VR )
Circuit d’amortissement
Patricia Rousseaux
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17
Le circuit d’amortissement
Barres du circuit d’amortissement
Patricia Rousseaux
35
Le circuit d’amortissement
•
•
•
But : amortir les oscillations du rotor survenant après une
perturbation
Moyen : circuit fermé sur lui-même constitué de barre métalliques
conductrices placées sur le rotor
Les courants induits dans ce circuit créent un couple de rappel
supplémentaire ⇒ amortissement
Rq1iq1 = f (ψ q1 ,δ ,VR )
Patricia Rousseaux
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18
Le régulateur de tension
•
V, l’amplitude de la tension délivrée par l’alternateur, doit être
maintenue dans des plages acceptables
•
Elle est régulée par un circuit électronique, le régulateur de tension,
qui agit sur vf la tension d’alimentation du circuit d’excitation
•
Objectif : maintenir V proche d’une valeur de consigne V0
Patricia Rousseaux
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Les scénarios
1. Montrer qu’il existe un point d’équilibre stable
2. Simuler une augmentation de la puissance produite
3. Simuler le comportement du système suite à l’apparition d’un coup
de foudre qui frapperait la ligne de transport à haute tension
Quelle est la durée maximale du court-circuit qui préserve le bon
fonctionnement du système ?
'
4. Etudier la sensibilité au paramètre du circuit d’amortissementTq 0 :
Quelle est son influence sur la qualité de l’amortissement ?
(mesurée par “le temps d’établissement”)
Patricia Rousseaux
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