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CA 02335906 2001-02-08
MÉTHODE ET APPAREIL POUR CONTRÖLER L'ÉCHANGE D'ÉNERGIE
ENTRE DEUX RÉSEAUX ÉLECTRIQUES PSEUDO SYNCHRONISÉS
La présente invention porte sur une méthode et l'appareil requis pour
contrôler
l'échange d'énergie entre deux grands réseaux électriques pseudo synchronisés,
i.e. synchronisés au moyen de leur système de réglage. Le système comprend:
~ un convertisseur de puissance (CP) reliant un réseau S à un réseau R;
~ un dispositif de contournement (DC) relié aux bornes du CP;
~ un dispositif de mesure de la puissance circulant d'un réseau à l'autre;
~ un système de réglage fréquence puissance (RFPX) pour chacun des
réseaux;
~ un dispositif de mesure de l'écart angulaire BSR entre la tension d'une
barre de référence du réseau S et la tension d'une barre de référence
du réseau R;
~ un asservissement de l'angle BSR à l'aide du RFP d'un des réseaux (la
pseudo synchronisation).
L'ensemble formé d'un CP raccordé en parallèle avec un DC se nomme un
convertisseur hybride de puissance (CHYP). L'utilisation d'un CHYP reliant
deux
réseaux pseudo synchronisés permet de réduire sensiblement le transit
d'énergie
circulant dans le CP pour le transférer dans le DC.
La puissance inutilisée du CP est alors disponible pour assurer des fonctions
dynamiques telles la stabilisation des réseaux ou le nivellement du transit
d'énergie sur l'interconnexion. II est également possible sous certaines
conditions,
d'exploiter le CHYP de manière à porter la puissance transitée au-delà des
valeurs nominales du CP.
Dans l'éventualité d'une désynchronisation des réseaux, un point de coupure du
DC serait ouvert et le transit d'énergie assuré seul par le CP. La
perturbation de
transit alors obtenue ne serait pas supérieure à celle produite lorsque
l'interconnexion classique avec CP (figure 1) tombe en panne. L'exploitation
des
réseaux en mode pseudo synchronisés en régime permanent permettra
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d'atteindre un facteur d'utilisation substantiellement plus élevé de la
branche DC
que de la branche CP entraînant ainsi une diminution sensible des pertes.
Diverses technologies peuvent être combinées pour réaliser un CHYP. De
manière générale, le coût par kVA du DC est sensiblement inférieur à celui du
CP.
Dans les cas des technologies les plus économiques, le coût additionnel du
matériel requis pour doubler la capacité d'une interconnexion en convertissant
le
CP en CHYP est relativement faible; de l'ordre de dix pour cent (10%) de
l'investissement requis pour un CP. On observe ainsi les avantages importants
que procure cette invention.
1. BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
FIG. 1 Représentation des réseaux R et S opérants en mode autonome
avec échange de puissance Psr via une ligne c.a. et un convertisseur
de puissance dos à dos asynchrone.
FIG.2 Représentation des réseaux R et S opérants en mode pseudo
synchrone avec échange de puissance PSr' via une ligne c.a. et une
configuration de convertisseur hybride de puissance CHYP.
FIG.3a Schéma de la configuration privilégiée d'un convertisseur hybride de
puissance.
FIG.3b Schéma de la configuration générale d'un convertisseur hybride de
puissance.
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2. État de l'art: brevet U.S. 5,517,422
L'exploitation d'un CHYP requière la mise en place d'un système de réglage de
l'écart angulaire à ses bornes, BSR. Un exemple de réalisation d'un tel
système est
proposé dans le brevet 5,517,422.
Dans son sens le plus large, le brevet 5,517,422, porte sur un système de
réglage
permettant d'ajuster dynamiquement les écoulements de puissance entre des
réseaux synchrones ou asynchrones. Ce système de réglage dynamique
comporte essentiellement des organes de mesures et de calcul permettant de
commander adéquatement des appareils électriques ou des centrales de
production de manière à réaliser certaines fonctions. Les fonctions indiquées
dans le brevet sont les suivantes: 1- stabiliser les oscillations dynamiques
de
puissance entre les réseaux, 2- ajuster les niveaux de productions des
générateurs du réseaux pour satisfaire des critères d'exploitation dynamiques.
Le système est conçu pour agir sur le comportement dynamique des écoulements
de puissance et c'est par ce comportement dynamique amélioré qu'un gain sur la
conduite du réseau est obtenu.
Les convertisseurs de puissance que l'on retrouve dans le brevet 5,517,422
sont
des organes de puissance utilisés par des systèmes de commandes pour
améliorer le comportement dynamique des réseaux. Ces appareils sont déjà
connus du domaine public. Ils ne constituent donc pas l'objet du brevet mais
simplement des moyens avec lesquelles la nouvelle méthode de réglage décrite
dans le brevet peut étre mise en application. Le coeur de la matière inventive
dans le brevet 5,517,422 porte sur une technique de calcul des signaux de
commande à retransmettre aux convertisseurs de puissance. Cette technique est
basée sur des matrices de sensibilité.
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3. Présente invention
De préférence, la présent invention fera appel à un système de commande
comme celui décrit dans le brevet 5,517,422 ou apparenté à celui-ci.
De plus, tout comme dans le brevet 5,517,422, la présente invention met en jeu
des convertisseurs de puissance permettant le réglage de la puissance
transitée
sur les lignes.
Cependant, alors que dans le brevet 5,517,422 on cherche à maximiser
l'utilisation
des liens (lignes de transport avec ou sans appareillages de puissance) à
l'intérieur de leurs limites physiques (tension et courant maximums) ici on
augmente véritablement les limites physiques des liens en installant un
dispositif
de contournement en parallèle avec ceux-ci.
Dans le cas présent, l'invention consiste dans l'utilisation conjointe d'un
système
de réglage et d'un dispositif de contournement installé en parallèle avec un
lien
pour obtenir un nouveau lien dont les limites électriques maximales sont plus
grandes que celles du lien utilisé seul. Le gain en transit repose donc à la
fois sur
une modification des caractéristiques électriques intrinsèques au lien et sur
l'utilisation d'un système de réglage de haut niveau.
Par opposition, dans le brevet 5,517,422 le gain ne repose que sur
l'utilisation du
système de réglage. De plus, absolument rien ne fait état de la possibilité
d'utiliser
cette technique de réglage pour combiner des appareils électriques tel que
décrit
dans le présent brevet.
Finalement, soulignons qu'à notre connaissance aucun système de pseudo
synchronisation n'a été mis en place en réseau à ce jour.
4. RÉALISATION PRIVILÉGIÉE DE L'INVENTION
La figure 2 illustre une configuration privilégiée de lien pseudo synchrone
entre
deux réseaux. (la pseudo synchronisation est décrite plus en détail à la
section
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suivante). Dans cette configuration les réseaux R et S sont reliés par une
ligne c.a
via un CHYP composé d'un convertisseur électronique de puissance de type dos à
dos (back to back) raccordé en parallèle avec un transformateur déphaseur.
Dans
le cas présent, la fréquence du réseau S est asservie à celle du réseau R. Le
pointillé autour de la référence locale de fréquence RFLs (60 Hz) indique que
les
réseaux S et R sont pseudo synchronisés et que le réglage fréquence puissance
du réseau S (REPS) est contrôlé par le signal Ar généré par le réglage
fréquence
puissance du réseau R (RFP~ via le canal de communication inter réseaux. Les
RFP sont des organes de commande connus et déjà implantés dans tous les
réseaux c.a.
Le signal Ar est principalement constitué d'échantillons d'un signal
représentatif de
la tension de la barre de référence du réseau R. Ces données sont horodatées
en
continu par une horloge GPS de grande précision absolue pour être ensuite
transmises vers le réseau S. Le système de contrôle du REPS est aussi doté
d'une telle horloge, synchronise le signal Ar avec un signal local
représentatif de la
tension de la barre de référence du réseau S. On compense ainsi le déphasage
des signaux causé par les délais de transmission et de traitement des données.
Ä titre indicatif, nous indiquons ci-dessous la marche à suivre pour mettre en
place
la pseudo synchronisation. Au point de départ, les deux réseaux autonomes de
la figure 1 s'échangent de l'énergie via une interconnexion asynchrone. Ä tout
moment, le transit de puissance sur le lien reste constant.
a- Conditions initiales
Soient deux réseaux autonomes qui s'échangent de l'énergie via un
convertisseur dos à dos tel qu'illustré sur la figure 1. La puissance
transitée
sur le lien est alors de PS~ MW. Pour les prochaines étapes et jusqu'à
indication contraire nous assumerons que le contrôle local du CP figure 3
maintient la puissance du lien à Psr MW et que le disjoncteur D raccordé au
TD de la branche parallèle au CP est maintenu ouvert.
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b- Asservissement du réseau S au réseau R
La séquence de pseudo synchronisation est amorcée tel qu'indiqué sur la
figure 2. La consigne du contrôle RFPS est transférée de la référence locale
de fréquence RFLs (60 Hz) au signal Ar. Le RFPS limite la pente de la
correction angulaire (80S~/8t) à une valeur convenable pour le réseau S.
Dans l'éventualité ou les caractéristiques du signal Ar ne correspondraient
plus aux critères établis pour le RFP, le contrôle amorcerait
automatiquement un retour au signal 60 Hz local RFLs en limitant toujours
la pente de la correction angulaire.
c- Positionnement angiulaire aux bornes du CHYP
Les réseaux S et R sont maintenant pseudo synchronisés, le processus de
transfert de puissance en mode pseudo synchrone débute : Le contrôle
local du CHYP sélectionne la prise optimale du TD pour le transit de
puissance demandé (Psr M1I~. Tel qu'illustré sur les figures 2 et 3, ce
contrôle mesure l'écart angulaire Bsr des tensions Vs et Vr aux bornes du
CHYP. Ä cette étape, il agit sur le RFPs et ajuste 8S~ pour minimiser le
transit de puissance dans le TD qui se fera au moment de la fermeture du
disjoncteur D.
d- Fermeture du disjoncteur
A partir de cet instant, le CP et le TD du CHYP travaillent en tandem pour
maintenir la puissance transitée sur le lien à un niveau constant. L'objectif
étant de faire transiter le maximum de puissance par le TD et délester le
CP. Le réglage de la portion de puissance transitée dans le TD est effectué
en contrôlant le RFPs qui agit sur 8SR via BSR. Cette action est lente et
soumise aux fluctuations angulaire des réseaux. Ces variations de 8sR
ainsi que d'autres perturbations, modifient le transit de puissance dans le
TD et doivent être compensées par le contrôle local du CHYP. Ce dernier
effectue un nivellement du transit de puissance sur l'interconnexion en
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contrôlant le réglage du CP. Cette sollicitation dynamique du CP peut être
réduite par l'utilisation d'un autre type de DC. A titre d'exemple, un
transformateur déphaseur électronique (TDE) en lieu et place du TD
permettrait par ses caractéristiques dynamiques supérieures, de
compenser les variations de BSR sans solliciter le CP ce qui constitue
toutefois une autre réalisation de la présente invention.
La dernière étape de cette séquence consiste à transférer graduellement la
puissance transitée dans le CP vers le transformateur-déphaseur (TD) pour
réduire les pertes dans le convertisseur et assurer la disponibilité d'une
plage de
réglage dynamique de la puissance. Cette marge de puissance additionnelle
pourra être utilisée pour amortir des oscillations de puissance sur les
réseaux,
tolérer de plus grandes fluctuations d'écart angulaire aux bornes du CHYP ou
augmenter la puissance transitée sur l'interconnexion.
5. PSEUDO SYNCHRONISATION DE RÉSEAUX
Lorsqu'on arrive à maintenir l'écart angulaire entre deux réseaux électriques
en
deçà d'une certaine valeur en exerçant un contrôle sur la fréquence d'un des
réseaux pour l'asservir à l'autre, on peut convenir qu'ils sont synchronisés
en
quelque sorte. Habituellement toutefois, la synchronisation de réseaux
électriques
ou de groupes de machines synchrones s'effectue différemment. Dans un premier
temps on rapproche la phase et la fréquence des réseaux en ajustant la
fréquence
d'un d'eux pour ensuite les raccorder électriquement en fermant un disjoncteur
d'attache. Le lien électrique fourni ensuite un couple synchronisant qui
arrive a
maintenir la synchronisation des réseaux à condition qu'il soit assez puissant
et
que l'amortissement du nouveau circuit soit suffisant. Dans le cas des grands
réseaux électriques faiblement liés, l'interconnexion c.a. ne peut fournir un
couple
synchronisant suffisant, rendant impossible dans ces conditions, l'échange
contrôlé d'énergie. Les convertisseurs électronique de puissance dos à dos
(CP),
les convertisseur à courant continu et les FACTS permettent d'exercer une
telle
fonction entre deux grands réseaux asynchrones.
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Nous avons vu précédemment que la synchronisation de deux réseaux s'effectue
en deux étapes. Une première où on exerce un contrôle sur la fréquence d'un
des
réseaux pour rapprocher leur fréquence et leur phase pour finalement fermer un
disjoncteur d'interconnexion. Le lien électrique fournissant alors dans
certaines
conditions un couple synchronisant entre les deux réseaux pour maintenir leur
synchronisme. Ce procédé ne peut généralement pas s'appliquer aux grands
réseaux parce que les liens des interconnexions c.a. sont proportionnellement
trop
faibles par rapport à l'inertie des réseaux. Les convertisseurs électroniques
de
puissance peuvent alors étre utilisés pour exercer cette fonction. Ils sont
flexibles
et peuvent être exploités dans différents régimes. En contrepartie, ils
coûtent
chers et sont aussi moins fiables et efficaces que l'appareillage
conventionnel
utilisé sur les réseaux c.a.
La pseudo synchronisation de deux grands réseaux consiste a asservir la
fréquence et la phase d'un des deux réseaux à celle de l'autre en utilisant le
système de réglage fréquence puissance (RFP) et un signal de référence
angulaire fourni par l'autre réseau. En raison de l'inertie des masses
tournantes
des réseaux en présences, il est préférable d'asservir la fréquence et l'écart
angulaire du réseau le plus faible en fonction du réseau le plus fort. En
exerçant
un contrôle continu de la phase du réseau esclave (l'asservissement) on
synchronise virtuellement les deux réseaux. C'est ce processus que nous
nommons pseudo synchronisation (PS). En contrôlant l'écart angulaire aux
bornes de l'interconnexion avec la PS, il devient possible d'utiliser de
l'appareillage conventionnel pour contrôler l'échange d'énergie sur le lien.
C'est là
le grand avantage de cette méthode. Toutefois, cet état d'équilibre qu'est la
PS
peut disparaitre rapidement à la suite d'un défaut sur le réseau ou d'une
défaillance du RFP. II est donc essentiel dans certains cas de maintenir le
convertisseur de puissance (CP) comme relève à l'appareillage classique. Ils
peuvent également assumer une fonction dynamique comme la stabilisation
d'oscillations de puissance sur les réseaux ou le nivellement de la puissance
transitée sur l'interconnexion.
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Nous nommons cette nouvelle classe d'appareils permettant de réaliser des
interconnexions pseudo synchrones : convertisseurs hybride de puissance
(CHYP)
6. AUTRES RÉALISATIONS DE CHYP
La réalisation d'un CHYP peut prendre diverses formes tout dépendant des
caractéristiques des réseaux en présence. Ä titre indicatif, nous relevons ci-
dessous quelques exemples de réalisation de CHYP en fonction du comportement
angulaire des réseaux interconnectés.
lien dos-à-dos + importantes variations instantanées du décalage
angulaire
UPFC électronique faible décalage angulaire à long terme
lien dos-à-dos + petites variations instantanées du décalage
angulaire
paire de TD (~360°) large variation angulaire à long terme
lien dos-à-dos + petites variations instantanées du décalage
angulaire
TD (~60°) faible variation angulaire à long terme
UPFC sans électronique + petites variations instantanées du décalage
angulaire
paire de TD (~360°) large variation angulaire à long terme
TD (~60°)+ très petites variations instantanées du décalage
angulaire
ligne ou inductance série faible variation angulaire à long terme
Dans la présente invention, les termes convertisseur et convertisseur hybride
de
puissance sont donc pris dans leur sens le plus large et n'impliquent pas
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nécessairement le recourt à des convertisseurs de puissance utilisant de
l'électronique de puissance.
De manière plus générale, un CHYP est constitué de six éléments:
Convertisseur de puissance (CP) tel crue
~ transformateur-déphaseur (avec ou sans régulation de tension)
~ transformateur-déphaseur électronique TDE
~ UPFC et autres FACTS
~ convertisseur de puissance en configuration dos à dos (back to back)
~ convertisseur et lignes HTCC
Di~ositif de contournement (DC) tel~ue
~ jeux de barres
~ ligne de transport
~ transformateur
~ transformateur-déphaseur TD classique (avec ou sans régulation de
tension)
~ transformateur-déphaseur électronique TDE
~ UPFC et autres FACTS
Référence locale de fréguence (RLFx~
~ générateur de fréquence 60 Hz (étalon 60 Hz)
Réglage fréquence puissance (RFP)
~ système de réglage de fréquence du réseau agissant sur la source
d'énergie mécanique primaire des alternateurs du réseau.
Mesure angulaire de la tension (MAX.
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~ angle relatif de la tension du réseau par rapport à la tension de la barre
de référence.
Mesure de puissance (MPx~
~ puissance complexe transitée sur une barre ou une ligne du réseau.
Étant donné la grande diversité d'appareils électriques de puissance
disponibles
pour agir sur les écoulements de puissance dans les réseaux, le concept du
CHYP offre donc une grande capacité d'adaptation aux conditions d'exploitation
même les plus sévères.
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