Sources à courant alternatif (AC)
Association de réseaux AC-DC - Transfert optimal de la puissance

D1163 v1 Article de référence

Sources à courant alternatif (AC)
Association de réseaux AC-DC - Transfert optimal de la puissance

Auteur(s) : Michel PINARD

Relu et validé le 26 avr. 2021 | Read in English

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Présentation

1 - Réseau à courant alternatif triphasé (AC) et réseau à courant continu (DC)

1.1 - Controverse Edison-Tesla
1.2 - Exigences relatives à chacun des réseaux

2 - Sources à courant continu (DC)

2.1 - Tension imposée
2.2 - Énergies marines
2.3 - Éoliennes « offshore »
2.4 - Parc à panneaux solaires
2.5 - Stockage de l'énergie par batteries et durée de vie
2.6 - Stockage et restitution de l'énergie

Tableau 1
2.7 - Étude de cas
- Quiz d'entraînement

3 - Sources à courant alternatif (AC)

3.1 - Générateur synchrone
3.2 - Génératrice asynchrone

4 - Convertisseurs de puissance

4.1 - Utilisation de hacheurs
4.2 - Utilisation d'un hacheur survolteur pour élever la tension continue afin d'alimenter une ligne de transport DC à 36 kV
4.3 - Utilisation d'un onduleur triphasé pour alimenter une ligne de transport AC à 20 kV
4.4 - Étude de cas : utilisation d'un onduleur triphasé pour alimenter un réseau continu 72 kV
- Quiz d'entraînement

5 - Étude de lignes et de réseaux

5.1 - Ligne à courant continu
- Quiz d'entraînement
5.2 - Ligne à courant alternatif
5.3 - Algorithmes de calcul d'une ligne à courant alternatif (AC)
5.4 - Réduction d'harmoniques sur une ligne à courant alternatif (AC)
- Quiz d'entraînement

6 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Le courant alternatif triphasé (AC) exige des réseaux de distribution un équilibre générateur-récepteur, et notamment l'introduction de systèmes de sécurité par exemple par onduleurs. Le courant continu (DC) est aussi utilisable. Il présente de nombreux avantages, avec une plus grande simplicité des interconnexions notamment par hacheurs. Dans cet article, sont présentées les diverses possibilités de l'utilisation du réseau AC et du réseau DC, et les moyens de transmettre de la puissance d'un type de réseau à l'autre.

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Auteur(s)

Michel PINARD : Normalien, Professeur agrégé Hors Classe - Professeur au conservatoire national des arts et métiers et à l'ESIEE

INTRODUCTION

Qu'est-ce qu'un réseau de distribution électrique de puissance ? Un ensemble de lignes reliant un grand nombre de générateurs, généralement à courant alternatif triphasé, à des récepteurs (ou charges) par l'intermédiaire de transformateurs ou de convertisseurs, car le transport exige l'utilisation de la haute tension.

Au niveau de la charge (ou du consommateur) il faut impérativement :

que la valeur efficace de la tension soit constante ;
que la fréquence soit constante.

L'opérateur gestionnaire du réseau alternatif triphasé doit, à tout instant :

s'assurer que la production de la puissance active équilibre la consommation au niveau des charges et sur les lignes : c'est l'équilibre production-consommation ;
s'assurer que la production de la puissance réactive est égale à la consommation au niveau des charges et sur les lignes ;
que le système triphasé soit équilibré, et que les déphasages entre générateurs soient contrôlés pour la mise en parallèle ;
que le réseau puisse acheminer les transferts de puissance quels que soient les aléas de la consommation ;
faire face aux dysfonctionnements possibles dans l'acheminement de la puissance, en particulier en cas de défaut (court-circuit ou circuit ouvert) et prévoir les systèmes de sécurité en conséquence.

L'arrivée des énergies nouvelles (éoliennes, hydroliennes, photovoltaïque…) et des convertisseurs statiques de puissance (à transistors IGBT) incite les installateurs à reconsidérer l'utilisation du régime continu de courant et de tension pour le transport de l'électricité. Cette nouvelle donne amène les électriciens à réfléchir sur l'opportunité de l'utilisation de réseaux à courant continu haute tension au côté des réseaux à courant alternatif. Cette approche est maintenant dénommée réseau HVDC (High-Voltage Direct Current) ou même Smart Grid (réseau intelligent) ou Super Grid…

Parmi les avantages du courant continu (par rapport au triphasé) on constate :

qu'il n'y a pas de puissance réactive ;
que le réglage de la fréquence n'existe pas ;
qu'il n'y a pas de déséquilibre des phases ;
que le contrôle des régimes transitoires en cas de court-circuit est plus simple ;
qu'il est possible de stocker de l'énergie dans des accumulateurs (batteries ou autres…) mais seulement pour des quantités d'énergie faibles ou moyennes ;
que beaucoup de générateurs issus des énergies nouvelles sont à courant continu ;
que le contrôle de la tension est facile grâce aux commandes numériques agissant sur les convertisseurs de puissance.

Parmi les inconvénients du courant continu on observe :

que le non-passage par zéro du courant rend son interruption difficile ;
qu'il est nécessaire de bien dimensionner un hacheur pour élever ou abaisser la tension en passant d'un réseau à l'autre ;
que le courant de court-circuit est plus important dans des conditions analogues, ce qui exige un disjoncteur de pouvoir de coupure plus élevé ;
que les installateurs de systèmes triphasés ont une longue pratique des réseaux alternatifs, aussi bien pour la régulation en tension et en fréquence des réseaux que pour leur protection ;
que le stockage hydraulique de l'énergie reste préférable pour des niveaux d'énergie élevé, et dans ce cas on préfère utiliser un générateur AC.

Ce premier article a pour but de présenter une association complémentaire de deux réseaux, l'un triphasé, le plus souvent déjà installé, l'autre à courant continu, à installer de manière à obtenir des transferts de puissance optimaux entre eux sur les lignes vis-à-vis des consommateurs. Il s'agit d'utiliser au mieux les convertisseurs de puissance, pour gérer grâce aux signaux électroniques de commande :

les échanges de puissance active, selon la production des générateurs ;
la fourniture de puissance réactive au réseau triphasé ;
la réduction de certains harmoniques de courant dans le réseau alternatif ;
la protection en cas de court-circuit rendue rapide grâce à l'intervention des convertisseurs de puissance.

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MOTS-CLÉS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1163

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3. Sources à courant alternatif (AC)

3.1 Générateur synchrone

L'alternateur est la machine tournante la plus utilisée pour obtenir une source à courant alternatif. En général, les alternateurs sont triphasés, ce que l'on considère ici. Ils sont « excités » soit par un aimant permanent, soit par un bobinage inducteur parcouru par un courant continu.

Dans le cas du débit sur une ligne, un modèle de l'alternateur simple peut être celui d'un circuit ELR (figure 12).

Un autre modèle peut être présenté comme celui qui est utilisé sur le logiciel PSIM (figure 13).

On précise que :

la résistance R _s est celle d'une phase du stator ;
l'inductance L _s est l'inductance de fuites du stator ;
L _ds est l'inductance directe de Park au stator ;
L _qs est l'inductance en quadrature de Park au stator ;
R _exc est la résistance du circuit inducteur (excitation) ;
L _exc est l'inductance du circuit inducteur (excitation) ;
R _{am_d} est la résistance directe du circuit amortisseur ;
L _{am_d} est l'inductance directe du circuit amortisseur ;
R _{am_q} est la résistance en quadrature du circuit amortisseur ;
L _{am_d} est l'inductance en quadrature du circuit amortisseur ;
M _F est l'inductance de couplage excitation induit.

On note Φ_ds le flux total au stator sur l'axe direct, Φ_qs le flux total au stator sur l'axe en quadrature, Φ_F le flux total au rotor sur l'axe direct dû à l'inducteur, Φ_{am_d} le flux total au rotor sur l'axe direct dû à l'amortisseur et Φ_{am_q} le flux total au rotor sur l'axe en quadrature dû à l'amortisseur.

Ces flux ont pour expression dans un circuit magnétique non saturé, en introduisant les inductances de couplage M _KD, M _KQ entre induit et amortisseur, M _FD, M _FQ entre induit et circuit inducteur :

\begin{array}{l} Φ_{d} ... \end{array}

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