Zabaiou Tarik

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COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE UNIVERSIT DU QUBEC

THSE PRSENTE L'COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE L'OBTENTION DU

DOCTORAT EN GNIE Ph.D.

PAR Tarik ZABAIOU

COORDINATION DES RGULATEURS CONVENTIONNELS DES MACHINES SYNCHRONES ET DES COMPENSATEURS STATIQUES (SVCS)

MONTRAL, LE 21 DCEMBRE 2010

Tous droits rservs, Tarik Zabaiou, 2010


PRSENTATION DU JURY

CETTE THSE A T VALUE

PAR UN JURY COMPOS DE :

M. Louis-A Dessaint, directeur de thse Dpartement de gnie lectrique l'cole de technologie suprieure

M. Aim-Francis Okou, codirecteur de thse Dpartement de gnie lectrique et informatique au Collge Militaire Royal du Canada

M. Tony Wong, prsident du jury Dpartement de gnie de la production automatise l'cole de technologie suprieure

M. Pierre-Jean Lagac, membre du jury Dpartement de gnie lectrique l'cole de technologie suprieure

M. Francisco Galiana, jury externe indpendant Dpartement de gnie lectrique et informatique de l'Universit McGill

ELLE A FAIT L'OBJET D'UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC

LE 6 DCEMBRE 2010

L'COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEURE


REMERCIEMENTS

Le travail prsent dans cette thse a t effectu l'cole de technologie suprieure (TS), au sein du groupe de recherche en lectronique de puissance et commande industrielle

(GRPCI). C'est une thse ralise grce au soutien financier de la chaire industrielle Transnergie en commande et simulation des rseaux lectriques, que je tiens remercier infiniment pour l'intrt accord mon travail.

Tout d'abord, j'aimerais remercier sincrement mon directeur de recherche, Monsieur Louis-A Dessaint, Professeur l'cole de technologie suprieure et directeur du dpartement de gnie lectrique, pour la confiance qu'il m'a accorde en acceptant d'encadrer cette thse,

pour ses prcieux conseils, ses remarques judicieuses, ses encouragements et sa disponibilit sans limite. J'aimerais galement lui dire quel point j'ai apprci ses qualits humaines d'coute et de comprhension tout au long de mes tudes suprieures.

Mes remerciements vont galement mon codirecteur de thse, Monsieur Aim-Francis Okou, Professeur au Collge Militaire Royal du Canada, pour m'avoir fait profiter de son

exprience et ses comptences thoriques. Je tiens lui exprimer ma reconnaissance pour son

soutien moral et son aide prcieuse.

Je remercie tout particulirement Monsieur Robert Grondin, chercheur l'institut de

recherche d'Hydro-Qubec (IREQ) pour nos frquentes discussions, pour son coute, mais aussi pour son implication dans mes travaux. Ses remarques et suggestions ont permis

d'amliorer le contenu de cette thse.

Je tiens exprimer mes vifs remerciements aux membres du jury, qui ont accept d'valuer ce travail. Merci au Professeur Tony Wong, d'avoir accept de prsider le jury de cette thse et galement pour l'intrt qu'il a port mon travail. Je remercie les professeurs Pierre-Jean

Lagac de l'TS et Francisco Galiana de l'Universit McGill pour leur participation dvoue au jury.


IV

Leurs remarques et suggestions lors de la lecture de mon rapport m'ont permis d'apporter des

amliorations la qualit de ce dernier, je leur en suis trs reconnaissant.

Plus gnralement, j'adresse mes sincres remerciements l'ensemble des tudiants et chercheurs du GRPCI, pour 1 'ambiance agrable et les bons moments passs ensemble dans le travail comme en dehors.

Finalement, un grand merci toute ma famille, en particulier mes parents pour le soutien et les encouragements. C'est grce vous que je suis ce que je suis maintenant. Je ne pourrais vous remerciez assez, que Dieu vous protge.

Le plus fort de mes remerciements est pour celle qui partage ma vie. Mille mercis ma femme, Linda, pour tout le bonheur que tu m'apportes, pour ta patience et tes sacrifices.

Enfin, une tendre pense ma petite fille Zeineb qui est ne le 28 Novembre 2010. Je te

souhaite une vie pleine de sant, de prosprit et beaucoup de bonheur.


COORDINATION DES RGULATEURS CONVENTIONNELS DES MACHINES SYNCHRONES ET DES COMPENSATEURS STATIQUES (SVCS)

Tarik ZABAIOU

RSUM

Cette thse propose une nouvelle structure de commande base sur les mesures la grandeur du rseau lectrique pour coordonner les actions des contrleurs des excitations des gnrateurs synchrones et des compensateurs statiques (SVCs). Tout d'abord, un modle d'tat linaire d'un rseau multi machines qui comporte des SVCs est labor. Ce modle possde plusieurs caractristiques spcifiques. Il permet de bien distinguer les interactions entre les gnrateurs et le compensateur statique et de quantifier les interactions inter-gnrateurs. Les tensions terminales sont utilises comme variables d'tat au lieu des tensions internes transitoires qui sont difficiles accder en pratique. L'avantage du modle propos est que les variables d'tat sont facilement mesurables. De plus, c'est une approche de modlisation hirarchique et approprie pour appliquer la commande base sur les mesures la grandeur du rseau (mesures globales).

Ensuite, les mesures globales sont utilises pour concevoir des signaux de coordination pour les excitations des gnrateurs et le SVC. Le contrleur de coordination permet de dcoupler les dynamiques du systme en liminant les interactions entre les diffrents composants. L'efficacit de la nouvelle stratgie de contrle est value sur un rseau test (4) machines et (9) barres communment appel rseau d'Anderson et Farmer. Les rsultats de simulation dmontrent que les oscillations locales et interzones sont bien amorties en prsence du contrleur global.

En outre, la thorie du gain relatif (RGA) est utilise pour l'analyse des interactions et la slection des signaux globaux de coordination. Seulement les signaux qui contribuent aux interactions les plus fortes sont utiliss par le contrleur pour rduire ou liminer les interactions. Le deuxime contrleur bas sur les signaux slectionns est compar au premier contrleur avec tous les signaux. Les rsultats montrent que les performances des deux contrleurs sont similaires. Ils permettent d'attnuer d'une faon efficace les oscillations de puissance basse frquence et d'augmenter le transit de puissance dans le systme.

Les effets des dlais de communication sont pris en considration dans cette tude. Le contrleur propos offre de bonnes performances en prsence des dlais ralistes. Cependant 1' existence de larges dlais de mesure et de commande affectent considrablement la performance de la coordination. L'approche de prdiction de Smith est utilise pour prserver la performance du contrleur en prsence des dlais. Les rsultats de simulation attestent que l'impact de larges dlais est limin par la mthode de la prdiction de Smith.


VI

Le contrleur de coordination propos est simple et facile implanter puisque il exige seulement une mesure de chaque gnrateur et du SVC comme signaux d'entre et le contrleur fourni un signal de commande pour le SVC et pour chacun des gnrateurs. Il pourrait tre rentable d'utiliser le contrleur propos plutt que d'installer de nouveaux dispositifs FACTS.

Mots-cls : commande base sur les mesures globales, commande hirarchise, contrleurs F ACTS, coordination, compensateur statique d'nergie ractive (SVC), gain relatif (RGA), modlisation des systmes de puissance, oscillations interzones.


COORDINATING CONTROL OF SVCS AND SYNCHRONOUS GENERA TORS BASED ON REMOTE MEASUREMENTS

Tarik ZABAIOU

ABSTRACT

This thesis proposes a new control design method based on wide-area measurements to coordinate generator excitations and Static Var Compensator (SVC) auxiliary controls. A state space model of a multimachine power system that includes a SVC is first derived. This model has severa! specifie characteristics. The interactions between SVC and generator variables are clearly shown and the interactions among the generators are also quantified. Generators terminal voltages are used as state variables instead of internai field voltages and damper winding flux linkages. The benefit is that the proposed model state variables are easily measurable. Moreover, it is a hierarchical approach and suitable for wide-area control design in large power systems.

N ext, rem ote measurements are used to genera te coordinating signais for the generator excitations and the SVC. The coordinating controller decouples the system dynamics by compensating the interaction terms. The effectiveness of the new control strate gy is tested on Anderson and Farmer four-generator nine-bus power system. Simulation results demonstrate that both local and inter-area oscillations are well damped when the global controller is used.

Furthermore, Relative Gain Array (RGA) theory is proposed to evaluate the interactions and to select the input global signais for the coordinate controller. Only signais that contribute to the strongest interactions are used by the controller to considerably reduce or eliminate the interactions between the system components. The second controller with a reduced set of measurements is compared to the first controller with full measurements. Results show that performances of both controllers are very similar. They provide significant additional damping for power oscillations and increase the power transfer in the system.

Communication time delay effects are also considered in this study. The simulation results show that coordinating controller performances are excellent when realistic transmission delays are represented. However, in presence of large measurement and control delays the performance of the controller is considerably affected. A Smith predictor is proposed to recover the delay free performances. The simulation results prove that impacts of large communication time delays are efficiently compensated using the Smith prediction method.

The proposed wide-area coordinating controller is simple and easy to implement since it requires only one measurement from each generator and the SVC as inputs and the controller pro vides one control signal for the SVC and each of the generators. It could be cost effective to use the proposed controller rather than the installation of new F ACTS deviees.


VIII

Keywords: coordination, hierarchical control, inter-area oscillations, F ACTS controllers, power systems modeling, Relative Gain Array (RGA), Static Var Compensator (SVC), Wide-Area Control.


TABLE DES MATIRES

Page

INTRODUCTION ..................................................................................................................... 1

CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTRATURE ................................................................. ! 0 1.1 Introduction .................................................................................................................. ! 0 1.2 Commande et stabilit du rseau lectrique ................................................................. 11

1.2.1 Commande locale (rgulateurs conventionnels) ............................................ ll 1.2.2 Commande du rseau de transport (quipements F ACTS) ............................ 12

1.3 Rle du compensateur statique d'nergie ractive (SVC) ........................................... 13 1.4 Coordination des gnrateurs synchrones et SV Cs ..................................................... 14 1.5 Intrt de la commande base sur les mesures la grandeur du rseau ...................... 15

CHAPITRE 2 TUDE DU COMPENSATEUR STATIQUE (SVC) ET SA COMMANDE AUXILIAIRE ............................................................ l7

2.1 Introduction .................................................................................................................. l7 2.2 Dfinition et concept FACTS ...................................................................................... 17 2.3 Diffrents catgories des F ACTS ................................................................................ 18

2.3 .1 Compensateurs parallles ............................................................................... 19 2.3.1.1 Compensateur statique d'nergie ractive (SVC) ............................ 19 2.3.1.2 Compensateur statique synchrone (STATCOM) ............................. 20

2.3.2 Compensateurs sries ..................................................................................... 20 2.3 .2.1 Compensateur srie command par thyristors (TCSC) ................... 21 2.3.2.2 Compensateur srie statique synchrone (SSSC) .............................. 22

2.3.3 Compensateurs hybrides (srie-srie et shunt-srie) ...................................... 22 2.3.3.1 Contrleur universel de flux de puissance (UPFC) ......................... 23

2.4 Avantages et applications des FACTS ......................................................................... 23 2.5 tude du compensateur statique d'nergie ractive (SVC) ......................................... 24

2.5.1 Schma lectrique et fonctionnement du SVC .............................................. 24 2.5.2 Modle dynamique du SVC ........................................................................... 25

2.6 Rle de la commande auxiliaire du SVC ..................................................................... 27 2.7 Validation de la commande auxiliaire du SVC ............................................................ 28

2. 7.1 tude du rseau (2) machines et (5) barres ................................................. 30 2.7.2 tude du rseau (3) machines et (9) barres ................................................. 33 2.7.3 tude du rseau de Kundur (4) machines ................................................... 35

2.8 Conclusion ................................................................................................................... 37

CHAPITRE 3 MODLISATION DU RSEAU LECTRIQUE ....................................... .38 3.1 Introduction .................................................................................................................. 38 3.2 Modle du gnrateur .................................................................................................. 38 3.3 Systme d'excitation .................................................................................................... 39 3.4 Stabilisateur de puissance (PSS) ................................................................................. .40 3.5 Modle du compensateur statique (SVC) ................................................................... .42


x

3.6 Modlisation de l'interconnexion du rseau lectrique .............................................. .43 3.6.1 Interconnexion du rseau lectrique sans SVCs ........................................... .43 3.6.2 Interconnexion du rseau lectrique avec SVCs ........................................... .44

3.6.2.1 quations des diffrentes barres ..................................................... .45 3.6.2.2 Calcul de la matrice d'admittance avec SVCs ................................ .45

3.7 Le modle non linaire du rseau lectrique avec SVCs ............................................ .47

CHAPITRE 4 CONTRLEUR GLOBAL DE COORDINATION ..................................... 53 4.1 Introduction .................................................................................................................. 53 4.2 Nouveau modle linaire du rseau lectrique avec SVCs .......................................... 53 4.3 Conception du contrleur global de coordination ........................................................ 58

4.3.1 Principe de la coordination ............................................................................ 58 4.3.2 quations du contrleur .. , .............................................................................. 59

CHAPITRE 5 APPLICATION DE LA COORDINATION POUR L'AMORTISSEMENT DES OSCILLA TI ONS LOCALES ET INTERZONES ...................................................................... 64

5.1 Introduction .................................................................................................................. 64 5.2 Description du rseau test ............................................................................................ 64 5.3 Rglages universels du stabilisateur de puissance (MB-PSS) ..................................... 65 5.4 Tests et rsultats de simulation .................................................................................... 67

5.4.1 tude des oscillations locales ......................................................................... 68 5.4.2 tude des oscillations interzones ................................................................... 72

5.5 Perte des signaux de coordination ................................................................................ 75 5.6 Conclusion ................................................................................................................... 78

CHAPITRE 6 RDUCTION DES SIGNAUX DE COORDINATION ............................... 79 6.1 Introduction .................................................................................................................. 79 6.2 Dfinition du RGA (Relative Gain Array) ................................................................... 79 6.3 Analyse des interactions par la mthode du RGA ....................................................... 80 6.4 Rsultats de simulation avec le contrleur rduit ........................................................ 84

6.4.1 tude des oscillations locales avec le contrleur rduit.. ............................... 86 6.4.2 tude des oscillations interzones avec le contrleur rduit ........................... 88 6.4.3 Augmentation du transit de puissance avec le contrleur rduit ................... 90

6.5 Validation du contrleur rduit sur le rseau de Kundur ............................................. 92 6.6 Conclusion ................................................................................................................... 95

CHAPITRE 7 IMPACT DES DLAIS DE COMMUNICATION ...................................... 96 7.1 Introduction .................................................................................................................. 96 7.2 Effets du dlai sur la performance du contrleur de coordination ............................... 97

7.2.1 Effets du dlai sur l'amortissement des oscillations locales .......................... 98 7 .2.2 Effets du dlai sur 1' amortissement des oscillations interzones ................... 1 01

7.3 Compensation des dlais par le prdicteur de Smith ................................................. 1 05 7 .3.1 quations du contrleur de coordination avec dlais .................................. 105 7.3 .2 Application du prdicteur de Smith ............................................................. 1 08 7.3.3 Rsultats de simulation avec compensation du dlai.. ................................. 109


XI

7.4 Conclusion ................................................................................................................. 111

CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS ...................................................................... 112

ANNEXE 1 PARAMTRES DU RSEAU TEST D'ANDERSON ET FARMER ....... ll7 ANNEXE II PARAMTRES DU RSEAU DE KUNDUR ........................................... 120 ANNEXE III PARAMTRES DU SYSTME NON LINAIRE .................................... 123 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 125


Figure 2.1

Figure 2.2

Figure 2.3

Figure 2.4

Figure 2.5

Figure 2.6

Figure 2.7

Figure 2.8

Figure 2.9

Figure 2.10

Figure 2.11

Figure 2.12

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Figure 2.15

Figure 2.16

Figure 2.17

Figure 2.18

Figure 2.19

Figure 2.20

Figure 2.21

Figure 3.1

LISTE DES FIGURES

Page

Schma lectrique du SVC ........................................................................ 19

Schma lectrique du STATCOM ............................................................. 20

Schma lectrique du TCSC ...................................................................... 21

Schma lectrique du SSSC ....................................................................... 22

Schma lectrique de l'UPFC .................................................................... 23

Reprsentation lectrique du SVC ............................................................. 25

Schma gnral du circuit de commande du SVC ..................................... 26

Modle dynamique du SVC ....................................................................... 26

Modle dynamique du SVC avec commande auxiliaire ............................ 27

Contrleur conventionnel du SVC ............................................................. 28

Systme en boucle ferme avec le contrleur du SVC .............................. 29

Rponse frquentielle d'un contrleur conventionnel du SVC ................ .30

Schma unifilaire du rseau (2) machines et (5) barres ......................... .31

Diffrence entre les vitesses des gnrateurs 01 et 02 -test 1-................. 32

Diffrence entre les vitesses des gnrateurs 01 et 02 -test 2-................. 32

Schma unifilaire du rseau (3) machines et (9) barres .......................... 33

Diffrence entre les vitesses des gnrateurs 01 et 02 ............................ .34

Puissance active du gnrateur 02 ............................................................ 34

Schma unifilaire du rseau de Kundur (4) machines ........................... .35

Diffrence entre les vitesses des gnrateurs 01 et 04 ............................. 36

Puissance active transmise entre les deux zones ........................................ 36

Systme d'excitation de type DC1A de IEEE .......................................... .40


Figure 3.2

Figure 3.3

Figure 3.4

Figure 3.5

Figure 3.6

Figure 4.1

Figure4.2

Figure 4.3

Figure 5.1

Figure 5.2

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Figure 5.12

Figure 5.13

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Figure 5.15

Figure 5.16

XIII

Systme d'excitation de type DC1A de IEEE avec le PSS ...................... .40

Stabilisateur de puissance de type IEEE PSS 1 A ...................................... .41

Stabilisateur multi-bandes de type IEEE PSS4B ...................................... .42

Modle dynamique du compensateur statique (SVC) .............................. .43

Schma d'un rseau lectrique avec SVCs ............................................... .44

Structure gnrale de la commande de coordination ................................. 58

Commande de coordination de l'excitation ............................................... 62

Commande de coordination du SVC ......................................................... 63

Rseau lectrique (4) machines et (9) barres d'Anderson et Farmer ...... 65

Vitesse G3 avec diffrents rglages du MB-PSS ....................................... 66

Vitesse G3 aprs un court-circuit sur la ligne (D) ..................................... 68

Angle G3 vs G4 aprs un court-circuit sur la ligne (D) ............................. 69

Tension terminale G3 aprs un court-circuit sur la ligne (D) .................... 69

Rponse frquentielle de la vitesse du gnrateur G3 ............................... 70

Vitesse G2 aprs un court-circuit sur la ligne (C) ...................................... 70

Angle G2 vs G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) ............................. 71

Tension terminale G2 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................... 71


Vitesse relative Gl-G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................. 73

Angle Gl vs G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) ............................. 73

Rponse frquentielle de la vitesse relative G 1-G4 ................................... 74

Vitesse G2 aprs un court-circuit sur la ligne (C) ...................................... 74

Tension terminale G2 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................... 75



Figure 5.17

Figure 5.18

Figure 5.19

Figure 6.1

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Figure 6.3

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Figure 7.1

Figure 7.2

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Figure 7.4

Figure 7.5

Figure 7.6

XIV

Vitesse relative G l-G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................. 76


Vitesse relative Gl-G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................. 77

lments RGA en fonction de la frquence avec: (a) dviations des vitesses des gnrateurs, (b) tensions terminales des gnrateurs ............. 82

lments RGA en fonction de la frquence avec la tension du SVC ........ 83

Structure de commande avec rduction des signaux de coordination ....... 84


Tension du SVC aprs un court-circuit sur la ligne (D) ............................ 87


Vitesse relative G 1-G4 aprs un court-circuit sur la ligne (C) .................. 88

Tension du SVC aprs un court-circuit sur la ligne (C) ............................. 88

Rponse frquentielle de la vitesse relative G 1-G4 ................................... 89

Puissance active transmise par la ligne (D) -test 1-................................... 90



Schma du rseau de Kundur (4) machines ............................................ 93

Puissance active transmise entre les deux zones ........................................ 94

Tension du compensateur statique (SVC) .................................................. 94

Contrleur de coordination en prsence des dlais .................................... 97

Vitesse G3 avec un dlai de 200 ms .......................................................... 98

Tension du SVC avec un dlai de 200 ms ................................................. 99

Vitesse G3 avec un dlai de 400 ms et 600 ms .......................................... 99

Tension du SVC avec un dlai de 400 ms et 600 ms ............................... 100

Rponse frquentielle de la vitesse du G3 avec diffrents dlais ............ 1 00


Figure 7.7

Figure 7.8

Figure 7.9

Figure 7.10

Figure 7.11

Figure 7.12

Figure 7.13

Figure 7.14

Figure 7.15

Figure 7.16

Figure 7.17

xv

Vitesse relative G1-G4 avec un dlai de 200 ms ..................................... 101

Tension du SVC avec un dlai de 200 ms ............................................... ! 02

Vitesse relative G 1-G4 avec un dlai de 400 ms et 600 ms ..................... 1 02

Vitesse relative G 1-G4 avec un dlai de 1000 ms ................................... 1 03

Tension du SVC avec un dlai de 1000 ms ............................................. 103

Rponse frquentielle de la vitesse relative G 1-G4 avec dlai ................ 1 04

Contrleur global de coordination bas sur le prdicteur de Smith ......... 1 09

Vitesse G3 avec compensation du dlai.. ................................................. 1 09

Tension du SVC avec compensation du dlai .......................................... 11 0

Vitesse relative G 1-G4 avec compensation du dlai ............................... 11 0

Tension du SVC avec compensation du dlai .......................................... 111


LISTE DES ABRVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES

A Matrice d'tat

Paramtre du modle linaire -terme local-


Paramtre du modle linaire -terme global-


AYR Automatic Voltage Regulator

a Angle d'amorage des thyristors

B Matrice de commande

Composante imaginaire de la matrice d'admittance totale

B~ Composante imaginaire de la matrice d'admittance rduite

B~ 1 Paramtre du modle linaire -terme local-

B~ 1 Paramtre du modle linaire -terme local-



Susceptance quivalente du compensateur statique

c Matrice de sortie

DClA Systme d'excitation courant alternatif

Angle de charge du gnrateur

Angle de charge dans le rfrentiel absolu

Composante de l'axe ( d) de la tension interne transitoire


XVII

Commande de 1' excitation du gnrateur

Commande de coordination de l'excitation du gnrateur

Composante de 1' axe ( q) de la tension interne transitoire

EPRI Electric Power Research Institutes

FACTS Flexible Altemating Current Transmission Systems

FC Fixed Capacitor

Vecteur avec paramtres constants


Composante relle de la matrice d'admittance totale

G~ Composante relle de la matrice d'admittance rduite

GPS Global Positioning Satellite

GTO GateTumff

Constante d'inertie du rotor

1 Courant au stator

Composante de 1' axe ( d) du courant du stator

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IGBT Insulated Gate Bi polar Transistor

Composante de 1' axe ( q) du courant du stator

K~ 1 Paramtre du modle linaire -terme local-

K~ 1




MB-PSS

p

PI

PMU

PSDC

PSS

RCGA

RGA

sssc

svc

T

Td


Gain du stabilisateur de puissance

Gain du compensateur statique



Multi-Band Power System Stabilizer

Rgulateur proportionnel

Rgulateur proportionnel et intgral

Puissance mcanique de la machine

Phasor Measurement Unit

Power Swing Damping Control

Power System Stabilizer

Real Coded Genetic Algorithm




Relative Gain Array

Rsistance des enroulements du stator

Static Synchronous Series Compensator

Static Var Compensator

Constante de temps

Dlai de la conduction des thyristors

XVIII


~vc

TCR

TSC

TSR

TCSC

UPFC

vref _svc

Constante de temps transitoire en circuit ouvert de 1' axe ( d)



Dlai associ la mesure de la tension du SVC

Couple mcanique de la turbine

Constante de temps transitoire en circuit ouvert de 1' axe ( q)

Constante de temps du compensateur statique

Constante de temps du filtre passe haut (washout filter)

Thyristor Controlled Reactor

Thyristor Switched Capacitor

Thyristor Switched Reactor

Thyristor Controlled Series Capacitor

Dlai de commande

Dlai de mesure

Commande auxiliaire du SVC

Commande de coordination du SVC

Unified Power Flow Controller

Composante de 1' axe ( d) de la tension terminale du gnrateur

Composante de 1' axe ( q) de la tension terminale du gnrateur

Rfrence de la tension terminale du gnrateur

Rfrence de la tension du SVC

XIX


V.'\rab

V, _ex

WAMS

w

wscc

y

yr

Tension du stabilisateur de puissance

Tension du SVC

Tension terminale du gnrateur

Wide-Area Measurement Systems

Vitesse de rotation du rotor

Vitesse relative wk - W;

Vitesse de rotation synchrone du gnrateur

Western Systems Coordinating Council

Ractance synchrone dans 1 'axe ( d)

Ractance transitoire dans 1' axe ( d)

Ractance synchrone dans 1 'axe ( q)

Ractance transitoire dans 1' axe ( q)

Matrice admittance

Matrice admittance rduite

xx


INTRODUCTION

Situation actuelle et motivation de la thse

L'amlioration de la scurit et stabilit des systmes de puissance est devenue la proccupation principale des compagnies et fournisseurs de l'nergie lectrique dans un

contexte mondial d'industrialisation, de dveloppement conomique, d'un march de 1' nergie en rapide volution et des rseaux lectriques de plus en plus interconnects. Les

spcialistes et ingnieurs des rseaux sont appels faire face ces dfis trs importants par la modernisation des quipements de rgulation existants et le dveloppement de nouvelles

techniques de commande pour une meilleure exploitation et performance des rseaux lectriques.

Plusieurs travaux de recherche sont proposs dans la littrature pour atteindre ces objectifs. La premire classe de ces travaux concerne l'optimisation, le remplacement et la coordination des quipements de contrle conventionnels. ce sujet, on mentionne les travaux qui appliquent des techniques avances de 1' automatique pour 1 'optimisation des stabilisateurs de puissance (Abdel-Magid, Abido et Mantaway, 2000; Kamwa, Trudel et Gerin-Lajoie, 2000). D'autres travaux proposent des rgulateurs bass sur la commande moderne pour remplacer les rgulateurs classiques du rseau lectrique, telles que la

commande non linaire (Akhrif et al., 1999), la commande robuste H 00 (Zhu et al., 2003), la commande robuste adaptative (Okou, Dessaint et Akhrif, 2005b) et la commande base sur les rseaux de neurones (Chaturvedi et Malik, 2005; You, Eghbali et Nehrir, 2003). Cette premire classe voque aussi la coordination des actions des diffrents rgulateurs de

machines en vue d'une meilleure performance (Bevrani et Hiyama, 2007; Bourles et al., 1998; Dysko, Leithead et O'Reilly, 2010).

Cette ncessit de coordonner les diffrents niveaux de commande dans un rseau lectrique

a donn naissance de nouvelles perspectives de recherche qui prconisent l'utilisation des

signaux la grandeur du rseau (signaux globaux) pour la coordination des rgulateurs


2

conventionnels des machines synchrones. Parmi ces travaux, Aboul-Ela et al. (Aboul-Ela et al., 1996) utilisent les signaux globaux pour la coordination de plusieurs stabilisateurs de puissance. Kamwa et al. (Kamwa, Grondin et Hebert, 2001) prsentent une structure hirarchise/dcentralise constitue d'un PSS central qui fonctionne en coordination avec

les PSSs locaux. Dans le mme contexte, Ni et al. (Ni, Heydt et Mili, 2002) introduisent l'approche multi agents qui permet la coordination de plusieurs stabilisateurs conventionnels

en utilisant un stabilisateur de puissance superviseur (SPSS). Pour sa part, Zhang (Zhang et Bose, 2008) propose un contrleur central bas sur les mesures la grandeur du rseau lectrique (Wide-Area Damping Controller) pour fournir des signaux de commande supplmentaires aux rgulateurs automatiques de tension (AVRs) afin d'augmenter l'efficacit des PSSs locaux amortir les oscillations de puissance.

Enfin, 1' approche globale base sur les mesures la grandeur du rseau communment

appele commande globale est introduite dans (Okou, Dessaint et Akhrif, 2005a) avec le modle non linaire et dans (Zabaiou, 2005) la version linaire. Cette commande permet la coordination par signaux globaux des rgulateurs des gnrateurs travers une structure

hirarchise deux niveaux. Le premier niveau dit local est constitu des rgulateurs de

tension, de vitesse et d'un stabilisateur de puissance tandis que le second niveau est une

structure centrale qui utilise les signaux provenant des gnrateurs du rseau entier pour

compenser les interactions inter-gnrateurs et par consquent augmenter la performance des

rgulateurs locaux.

La deuxime classe est consacre l'utilisation de nouvelles technologies comme les

dispositifs lectroniques de puissance rponse rapide, rcemment dvelopps et connus sous l'appellation FACTS (Flexible Altemating Current Transmission Systems) (Hingorani, 1988) et la technologie WAMS (Wide-Area Measurement Systems) qui permet d'obtenir des mesures synchronises par GPS (Global Positioning Satellite) la grandeur des rseaux lectriques (Kamwa, Gerin-La joie et Trudel, 1998). Les dispositifs F ACTS sont apparus comme des outils efficaces pour augmenter le transit de puissance, la rgulation de la tension

et pour la mitigation des oscillations de puissance basse frquence en ajoutant une boucle


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d'amortissement supplmentaire. Ces boucles sont d'ailleurs plus efficaces en prsence des mesures globales comme signaux de commande (Chang et Xu, 2007; Mohagheghi, Venayagamoorthy et Harley, 2007; Ray et Venayagamoorthy, 2008b).

Notre travail est bas sur l'tude et l'application du compensateur statique d'nergie ractive

(SVC). Ce denier est un quipement de compensation shunt largement introduit dans les rseaux lectriques. Il est principalement utilis pour le contrle de la tension de la ligne de transport (Hauth, Humann et Newell, 1978), rcemment il est introduit pour 1' amlioration de la stabilit transitoire (Abazari et al., 2003) et l'amortissement des oscillations lectromcaniques (Messina, Begovich et Nayebzadeh, 1999; Yu, Khammash et Vittal, 2001).

Les rgulateurs locaux des machines synchrones et les contrleurs F ACTS jouent un rle important dans la commande des rseaux lectriques. Ils contribuent efficacement

1' amlioration de la stabilit statique et dynamique des systmes de puissance. Cependant, ils

fonctionnent d'une manire indpendante l'un de l'autre sans aucune coordination et sans

considration des interactions de leurs dynamiques respectives. Coordonner les rgulateurs

conventionnels et les contrleurs FACTS est un impratif d'autant plus que plusieurs travaux

de recherche ont dj soulign l'interaction existant entre ces deux niveaux de commande (Cong, Wang et Hill, 2004; Lei, Lerch et Povh, 2001; Pourbeik et Gibbard, 1998) et les avantages d'une telle coordination (Abido et Abdel-Magid, 2003; Nguyen et Gianto, 2007; Wang, Tan et Guo, 2000).

Notre sujet de recherche est situ dans ce mme contexte. Il consiste mettre en vidence et tudier les ventuels problmes d'interactions entre les rgulateurs conventionnels des

gnrateurs et les contrleurs F ACTS. Ensuite, une nouvelle solution est propose pour

rpondre la problmatique de la non-coordination de ces deux structures de commande.

Dans notre travail, on s'intresse particulirement la coordination des rgulateurs automatiques de tension (A VRs) et des contrleurs de SVCs travers les signaux globaux.


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Problmatique de la recherche

Aprs avoir tabli d'une faon gnrale la problmatique qui a suscit l'intrt pour un tel

projet de recherche. Il ressort d'une tude bibliographique bien dtaille que cette problmatique est lie aux deux termes suivants :

Les interactions

En raison de leur efficacit pour maintenir et amliorer la stabilit du rseau lectrique, les rgulateurs automatiques de tension (AVRs) et les contrleurs de SVCs sont incorpors simultanment dans les systmes de puissance, ce qui entrane l'apparition d'interactions indsirables entre ces quipements. Ces interactions peuvent parfois dgrader la stabilit du rseau (Cong, Wang et Hill, 2004). Dans notre cas, on peut dire que les interactions sont causes par le couplage des dynamiques des diffrents contrleurs qui sont extrmement lis

(Heniche et Kamwa, 2002). Ces interactions qui sont un phnomne mconnu (Martins, 1998) peuvent provoquer l'apparition ou l'amplification d'oscillations de puissance basse frquence (Bsanger, 2006), ce qui peut mener l'instabilit du rseau lectrique.

La non-coordination

La non-coordination est la conception spare des contrleurs. Traditionnellement, les dynamiques des rgulateurs automatiques de tension et des contrleurs de SVCs sont dtermines sparment, ce qui ne reprsente pas la configuration globale. Les lois de

commande qui en rsultent sont labores individuellement. Elles ne tiennent pas compte du

couplage des dynamiques de ces diffrents contrleurs (Cong, Wang et Hill, 2005; Wang, Tan et Guo, 2000). Le rsultat de la non-coordination de ces deux structures de commande est la diminution de leurs performances et par la suite la dtrioration de la stabilit globale du rseau lectrique.

Le diagramme illustr dans la prochaine section rsume de faon gnrale la problmatique :


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( Commande du rseau lectrique ) 1

+ + Structure (1) Structure (2)

Rgulateurs automatiques Contrleurs de SVCs de tension (A VRs)

+ + - Interactions entre les dynamiques des deux structures

les gnrateurs et les SVCs sont extrmement lis

- Absence de coordination les contrleurs sont dsigns sparment

+ - Conflit entre les deux structures

diminution de leurs performances

+ ( -Affecte la stabilit du rseau lectrique J dtrioration de la stabilit du rseau lectrique

Le recours de nombreux quipements de commande pour satisfaire la stabilit d'un grand rseau interconnect peut avoir un impact ngatif d aux interactions qui existent entre ces diffrents lments de rgulation. Une bonne coordination de tous les contrleurs s'avre ncessaire et importante pour augmenter la scurit et assurer le bon fonctionnement des

rseaux lectriques.

Objectifs et contributions de la thse

L'objectif principal de ce projet est de proposer une structure de commande par signaux globaux capable de coordonner efficacement les actions des rgulateurs automatiques de tension (AVRs) et des contrleurs de SVCs. Le but est d'amliorer le comportement dynamique et transitoire du rseau lectrique face aux diffrentes perturbations. Dans la

structure propose, nous allons procder une slection des signaux de coordination pour rduire la complexit du contrleur. De plus, les dlais de communication des signaux de mesure et de commande sont pris en considration dans la conception.


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La mthodologie suivre pour raliser l'objectif principal de notre travail se rsume dans les tapes suivantes :

1. En premier lieu, nous commenons par la prsentation du compensateur statique

d'nergie ractive (SVC) et ses diffrents types de commande auxiliaire. Nous continuons cette tape par 1' tude du rle de la commande auxiliaire pour

l'amortissement des oscillations de puissance. Des tests de simulation sont raliss sur le

rseau (2) machines (Sybille, 2008), le rseau (3) machines et (9) barres communment appel WSCC (Sauer et Pai, 1998) et enfin le rseau (4) machines de Kundur (Kundur, 1994).

2. Le but de la deuxime tape est de proposer un modle du SVC compatible notre

approche de commande par signaux globaux. Le modle envisag devra faire apparatre

la caractristique de la charge dynamique commandable du compensateur.

3. L'tape suivante concerne l'laboration d'un nouveau modle du rseau lectrique en

tenant compte de la prsence des SVCs. Ce modle peut tre gnralis pour diffrents

lments F ACTS. Les quations lectriques des gnrateurs, du compensateur statique

et de l'interconnexion du rseau sont linarises autour d'un point de fonctionnement.

Le rsultat final est un nouveau modle linaire qui permet de bien distinguer les

interactions entre les variables des gnrateurs et des SVCs. Ce modle est appropri

pour appliquer la commande globale de coordination.

4. La quatrime tape est la plus importante, elle concerne la conception du contrleur

global qui coordonne tous les rgulateurs du rseau. Cette structure de commande devra

produire des signaux coordonnants aussi bien les rgulateurs conventionnels de

machines que les contrleurs de SVCs.

5. La prochaine tape consiste rduire le nombre de signaux utiliss par le contrleur de

coordination. Pour ce faire, nous allons proposer la mthode du RGA (Relatif Gain


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Array) pour dterminer les mesures qui reprsentent les plus fortes interactions. Cette rduction de signaux permet de simplifier la complexit du contrleur propos.

6. Nous continuons par des tests de simulation pour vrifier l'efficacit de la coordination

avec tous les signaux versus la coordination base sur les signaux slectionns (contrleur rduit). Le rseau test utilis dans cette tude est le rseau (4) machines et (9) barres communment appel rseau d'Anderson et Farmer (Anderson et Farmer, 1996). Le contrleur rduit est ensuite appliqu sur le rseau de Kundur pour confirmer l'efficacit des signaux slectionns par le RGA.

7. La dernire tape concerne l'tude de l'impact des dlais de communication sur la

performance du contrleur de coordination. Les effets ngatifs de larges dlais sont limins par une mthode de compensation base sur la prdiction des signaux.

Les tapes cites ci-dessus nous ont permis de dfinir les principales contributions de la thse. La premire partie des contributions concerne la proposition d'un nouveau modle

linaire du rseau lectrique en prsence des SVCs. Ce modle permet d'une part de distinguer les interactions entre les variables des gnrateurs et d'autre part les interactions entre les gnrateurs et les SVCs. Ce modle est appropri pour appliquer une commande globale de coordination et peut tre gnralis pour diffrents lments F ACTS. La deuxime

partie des contributions concerne la conception d'un contrleur de coordination bas sur les mesures globales et qui tient compte des dlais de communication. Enfin, la dernire partie

c'est l'application de la mthode du RGA pour analyser les interactions et rduire le nombre de signaux de coordination.

Organisation du document

Ce document voquera en sept chapitres la coordination des rgulateurs automatiques de

tension (AVRs) et des contrleurs de compensateurs statiques (SVCs). L'introduction prsente brivement la motivation, la problmatique et les objectifs de la thse.


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Le premier chapitre de la thse est consacr la revue de la littrature. En effet, dans ce chapitre une tude exhaustive en rapport avec la problmatique est prsente. Nous

commenons par un rappel sur la commande locale des rseaux lectriques, ensuite nous

tudions le rle des quipements F ACTS et enfin nous introduisons quelques dfinitions

relatives aux mesures la grandeur des rseaux et leurs intrts pour la commande et la

coordination. Cette tude bibliographique nous permet de justifier le choix de notre approche et de mettre en valeur l'originalit et les contributions de notre travail.

Le deuxime chapitre a pour objectif la prsentation des diffrents quipements F ACTS, leurs avantages et leurs applications. Dans ce chapitre, nous tudions de faon dtaille le

compensateur statique d'nergie ractive (SVC) ainsi que le rle de sa commande auxiliaire (boucle d'amortissement supplmentaire).

Dans le troisime chapitre, nous allons modliser les diffrents composants du rseau

lectrique. Ensuite, nous allons dcrire en dtail la mthode suivie pour tablir le modle non

linaire du rseau lectrique en prsence des SVCs. La linarisation des quations lectriques

et la reprsentation d'tat du modle linaire sont prsentes dans le quatrime chapitre. La

conception du contrleur global de coordination, le principe de coordination et les quations

du contrleur sont galement expliqus dans ce chapitre.

Le cinquime chapitre prsente le rseau tudi et les diffrents tests effectus pour vrifier

l'efficacit de la mthode propose. Ce chapitre permet aussi de dcrire les simulations

ralises et d'analyser les rsultats obtenus.

Dans le sixime chapitre, nous proposons la mthode du RGA comme un outil pour l'analyse

des interactions et la slection des signaux de coordination. Le contrleur rduit bas sur les

signaux slectionns et ensuite tester puis comparer avec le premier contrleur bas sur tous

les signaux pour les mmes situations et contingences. Cette comparaison permet de vrifier

l'efficacit du nouveau contrleur avec un ensemble rduit de signaux de commande de

coordination.


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Le dernier chapitre est ddi l'tude de l'impact des dlais de communication sur la performance du contrleur propos. Ce chapitre prsente galement une mthode de

compensation des dlais base sur le prdicteur de Smith.

Nous terminons notre thse par une conclusion gnrale qui dcrit les avantages et les

limitations de notre travail. Les perspectives permettant de complter le travail ralis au

long de cette thse sont indiques la fin.


CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTRATURE

1.1 Introduction

Les rseaux lectriques sont des infrastructures vitales et stratgiques qui jouent un rle primordial dans le dveloppement conomique et social de tout pays. Cependant, 1 'un des

problmes majeurs qui fait face ces systmes est la stabilit. Pour que les rseaux soient efficaces, ils doivent garantir un quilibre entre la production et la consommation en

alimentant les diffrents centres de consommation avec une tension et une frquence

constantes en tout temps. Ces systmes de puissance doivent rester stables face toutes sorte

de perturbations (variation de charge, perte d'une unit de gnration, court-circuit sur une ligne de transmission, perte de ligne, etc.). D'o l'intrt particulier des chercheurs pour le dveloppement de nouvelles mthodes et nouveaux quipements de commande permettant de

garantir un bon fonctionnement des rseaux lectriques et d'amliorer leur stabilit pour

rendre leur exploitation plus flexible.

La revue bibliographique que nous allons parcourir vise prsenter les divers concepts lis la problmatique de la coordination des gnrateurs synchrones et des compensateurs

statiques (SVCs). Pour ce faire, nous allons passer en revue les diffrents lments de la commande locale (conventionnelle). Ensuite, nous introduisons les quipements F ACTS (Flexible Altemating Current Transmission Systems) et leur rle comme nouvelle alternative pour l'amlioration de la stabilit et l'amortissement des oscillations de puissance basse

frquence. Nous continuons par prsenter les diffrentes techniques utilises jusqu'ici pour la synthse de commande auxiliaire pour les compensateurs statiques. Nous terminons par

aborder les travaux de recherche qui voquent l'intrt de la coordination de tous ces

quipements de contrle et qui proposent de nouvelles structures de commande pour

coordonner leurs actions. Nous voquerons principalement la coordination des actions des

contrleurs des excitations des gnrateurs et des SVCs.


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1.2 Commande et stabilit du rseau lectrique

Pour assurer la stabilit et le bon fonctionnement du rseau lectrique diffrents niveaux de

commande sont ncessaires. Le plus important niveau est la commande locale qui est assure

par les rgulateurs conventionnels (rgulateur de tension, rgulateur de vitesse et stabilisateur de puissance). Le deuxime niveau de commande est constitu des quipements FACTS qui contribuent eux aussi d'une faon efficace l'augmentation de la puissance transmissible maximale, l'amlioration de la stabilit du rseau et l'amortissement des oscillations de

puissance.

1.2.1 Commande locale (rgulateurs conventionnels)

La stabilit locale est entre autres assure par les rgulateurs conventionnels qui sont composs d'un rgulateur automatique de tension (A VR) qui permet de rguler la tension terminale en agissant sur l'excitatrice du gnrateur, d'un rgulateur de vitesse (speed govemor) qui permet de rguler la vitesse ou la puissance fournie par la turbine en cas d'une variation de la frquence du rseau. Cependant, 1' action du rgulateur de tension peut

en trainer 1' apparition des oscillations. Pour cette raison, on a dvelopp le stabilisateur de

puissance appel PSS en anglais (Power System Stabilizer). Il fonctionne avec le rgulateur automatique de tension en ajoutant une entre supplmentaire au systme d'excitation. Les stabilisateurs de puissance qui sont des systmes simples et faciles installer pratiquement,

efficaces et bon march, sont considrs comme les outils conventionnels pour amortir les

oscillations lectromcaniques.

On ne peut discuter du rle des stabilisateurs de puissance sans dfinir les diffrents modes d'oscillations qui existent dans les systmes de puissance. Ces oscillations reprsentent un

problme commun tous les grands rseaux (Rogers, 1999). Elles surviennent dans un intervalle de frquence variant gnralement de 0.05 Hz 3 Hz et peuvent tre classes en plusieurs types. Les modes locaux (modes inter-machines) qui se produisent entre les gnrateurs d'une mme zone, leurs frquences varient entre 1 Hz et 3 Hz. Ces modes

apparaissent surtout en cas de perturbations en petit signal et leur tude est facile par rapport


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aux autres modes. Les modes interzones (interrgionaux) se produisent entre deux ou plusieurs groupes appartenant des zones diffrentes, leurs frquences varient entre 0.1 Hz et

1 Hz. Ces modes sont difficiles stabiliser et ils sont mis en jeu lorsque le systme est expos des perturbations en grand signal (court-circuit triphas, perte de ligne, etc.). Il existe aussi ce qu'on appelle le mode global dont la frquence est de rang de 0.05 Hz. Cette oscillation apparait quand des vnements svres comme une perte de ligne de transport ou d'une charge surgissent dans le rseau lectrique.

Le PSS est considr comme un moyen efficace pour l'amortissement des modes locaux

mais son efficacit pour l'amortissement des modes interzones est considre comme insuffisante. Diverses mthodes de conception de stabilisateurs de puissance sont donc proposes dans la littrature. Le but de ces mthodes est d'augmenter l'efficacit des PSSs amortir les diffrents modes d'oscillations. Parmi ces mthodes, on mentionne la commande

optimale base sur l'optimisation d'un critre de performance (Urdaneta et al., 1991), le stabilisateur intelligent bas sur les rseaux de neurones (Zhang et al., 1993), la commande robuste (Klein et al., 1995) et la logique floue (Peiris, Annakkage et Pahalawaththa, 1999). Enfin, le stabilisateur multi-bandes qui possde trois bandes de frquence (basses, moyennes et hautes frquences) est prsent dans (Grondin et al., 2003).

Malgr l'insertion de stabilisateurs de puissance (PSSs) dans les rseaux lectriques, les problmes d'oscillations de puissance basse frquence (interzones) persistent toujours. L'incorporation des dispositifs F ACTS semble tre une alternative efficace pour

l'amortissement de ce type d'oscillations. La prochaine section va nous permettre de mettre

en vidence le rle de ces nouveaux quipements de commande pour l'amlioration de la

stabilit dynamique des rseaux lectriques.

1.2.2 Commande du rseau de transport (quipements FACTS)

L'action des stabilisateurs de puissance (PSSs) est devenue insuffisante face l'augmentation des transits de puissance et l'apparition de problmes de stabilit et de


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phnomnes d'oscillations de puissance interrgionales. L'introduction des dispositifs de

contrle F ACTS (Flexible Altemating Current Transmission Systems) est indispensable pour un bon contrle des transits de puissance, ce qui permettra 1' augmentation de la marge de

stabilit transitoire, une bonne rgulation de la tension et l'amlioration de l'amortissement

des oscillations lectromcaniques.

Plusieurs tudes de recherche ont soulign l'intrt de l'incorporation des dispositifs FACTS

dans les systmes de puissance. Larsen (Larsen, Sanchez-Gasca et Chow, 1995) et Noroozian (Noroozian et Andersson, 1995) ont propos diffrents quipements F ACTS (srie et shunt) pour l'amortissement des oscillations locales et interzones. Huang (Huang et al., 2000) a tudi 1' application du contrleur universel de flux de puissance (UPFC) pour le contrle de transit de puissance. Del Rosso (Del Rosso, Canizares et Dona, 2003) a montr l'efficacit du compensateur srie command par thyristors (TCSC) pour l'amlioration de la stabilit dynamique des rseaux lectriques. De sa part, Dash (Dash et Panigrahi, 2003) a prsent un contrleur non linaire pour commander le compensateur statique synchrone (ST A TCOM) et ainsi amliorer la stabilit d'un gnrateur-barre infinie. Finalement, on mentionne le travail

de Chen (Chen, Lie et Vilathgamuwa, 2004) qui a utilis un compensateur srie synchrone (SSSC) pour amortir les oscillations lectromcaniques. Les travaux voqus ci-dessus dmontrent l'importance des quipements F ACTS pour amliorer la stabilit et amortir les

oscillations de puissance. Dans la partie suivante, nous nous intressons particulirement

l'tude du compensateur statique d'nergie ractive (SVC) qui est l'lment FACTS principal utilis dans notre tude.

1.3 Rle du compensateur statique d'nergie ractive (SVC)

Le rle principal du compensateur statique d'nergie ractive (SVC) est le rglage de la tension du rseau lectrique lorsque ce dernier est expos des variations de la charge ou de

changements de point de fonctionnement. En mode rgulation de tension le SVC n'a aucun

effet sur 1' amortissement des oscillations de puissance (Mo han et V arma, 2002) mais en lui ajoutant une boucle d'amortissement supplmentaire (auxiliaire) en anglais PSDC (Power


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Swing Damping Control) il contribue efficacement l'amortissement des oscillations de puissance basse frquence.

De nombreux travaux de recherche ont t consacrs tablir de nouvelles structures de

commande pour les compensateurs statiques (SVCs) dans le but d'augmenter leur efficacit amliorer la stabilit transitoire et amortir les oscillations de puissance basse frquence. Hammad (Hammad, 1985) a prouv que le SVC n'est pas efficace pour 1' amortissement des oscillations interzones que s'il est contrl par des signaux supplmentaires. Lerch (Lerch, Povh et Xu, 1991) a utilis un contrleur proportionnel et intgral (PI) comme commande supplmentaire. Rao (Rao et Sen, 1998) a exploit la commande optimale et adaptative. Pour les mthodes robustes, (Yu, Khammash et Vittal, 2001) a conu un contrleur H 00 dont l'entre est base sur le courant de la ligne de transmission et (Soeprijanto, Yorino et Sasaki, 2001) a propos le thorme de Kharitonov pour concevoir un contrleur robuste pour le SVC. D'autres chercheurs (Gu, Pandey et Starrett, 2003; Lu, Nehrir et Pierre, 2004) ont appliqu la logique floue pour contrler le SVC. Finalement (Heniche et Kamwa, 2008; Varrna, Gupta et Auddy, 2007) ont labor une commande auxiliaire pour le SVC base sur les angles des tensions des barres afin d'amortir les oscillations interzones.

1.4 Coordination des gnrateurs synchrones et SVCs

Dans les parties prcdentes, nous avons montr que les rgulateurs conventionnels des

machines synchrones et les contrleurs F ACTS en particulier les contrleurs de SV Cs sont

des lments importants pour garantir la stabilit du rseau lectrique et amortir les

oscillations de puissance basse frquence. Cependant, ces contrleurs fonctionnent de faon

non coordonn sans aucune considration des interactions qui existent entre leurs

dynamiques. Plusieurs spcialistes de rseaux lectriques ont manifest leurs intrts pour

proposer de nouvelles techniques de commande pour coordonner les actions de ces diffrents

contrleurs et pour prendre en considration leurs interactions durant la conception des lois

de commande. Les travaux de recherche mentionns ci-dessous dmontrent la pertinence et

l'importance du dfi raliser.


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La coordination d'un stabilisateur de puissance (PSS) avec un contrleur de SVC est propos par Abido (Abido et Abdel-Magid, 2003). Dans cet article, l'auteur a utilis la mthode RCGA (Real Coded Genetic Algorithm) pour calculer les paramtres optimaux du contrleur de coordination. Chen (Chen, Wang et Zhou, 2002) a prsent la commande non linaire pour coordonner le contrleur universel de flux de puissance (UPFC) et l'excitation du gnrateur afin d'amliorer la stabilit transitoire du rseau lectrique. De sa part, Cai (Cai et Erlich, 2005) a tudi la coordination de plusieurs contrleurs F ACTS avec le PSS dans un rseau multi machines.

En ce qui concerne la coordination des rgulateurs automatiques de tension (AVRs) et des compensateurs statiques (SVCs). Mahran (Mahran, Hogg et El-Sayed, 1992) et Rahim (Rahim et Nassimi, 1996) ont appliqu la commande linaire mais sur un rseau simple gnrateur-barre infinie. L'approche de (Wang, Tan et Guo, 2000) a permis d'effectuer la linarisation entre-sortie pour compenser les non linarits du SVC et de l'excitation du

gnrateur. Ensuite, il a propos une commande base sur cette linarisation pour raliser la coordination. Mais son tude concerne toujours un gnrateur-barre infinie. Le travail de (Cong, Wang et Hill, 2004) a rgl le problme de la simplicit du rseau on appliquant le contrleur non linaire de coordination sur un rseau multi machines. L'inconvnient de son

travail, c'est qu'il utilise simplement les mesures locales pour laborer les lois de commande. En ralit, les gnrateurs et les compensateurs statiques sont gographiquement spars ce qui ncessite l'utilisation des mesures la grandeur du rseau (mesures globales) qui nous donnent des informations importantes sur l'tat du systme et sur les diffrents modes. Par

ailleurs, Ruan (Ruan et Wang, 2005) a tudi la coordination des contrleurs des excitations des gnrateurs et du SVC en incorporant des charges non linaires dans le rseau lectrique.

1.5 Intrt de la commande base sur les mesures la grandeur du rseau

Le dveloppement rcent de la technologie W AMS (Wide-Area Measurement Systems) (De LaRee et al., 2010; Xie et al., 2006) a rendu l'utilisation des signaux globaux une alternative intressante pour la commande des rseaux lectriques (Dotta, e Silva et Decker, 2009;


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Heniche et Kamwa, 2008; Zhang et Bose, 2008). Les mesures la grandeur du rseau lectrique appel aussi signaux globaux peuvent facilement tre mesurs par l'unit de

mesure de phaseurs (PMU) bas sur le GPS (Kamwa, Gerin-Lajoie et Trudel, 1998). Le PMU permet de donner des informations importantes sur tout le systme en temps rel ce qui

n'est pas le cas lorsque les mesures sont fournies par les moyens de transmission

traditionnels (Phadke, 1993 ).

Plusieurs tudes ont mentionn l'importance de la combinaison des technologies F ACTS et

W AMS pour le contrle et la surveillance des rseaux lectriques. Un contrleur robuste H oo

utilisant les signaux globaux pour commander le TCSC est introduit dans (Chaudhuri et Pal, 2004). Une commande supplmentaire pour le SVC base sur les mesures la grandeur du rseau et la mthode des rsidus est propose dans l'article de (Chang et Xu, 2007) et un contrleur intelligent pour l'UPFC est prsent dans (Ray et Venayagamoorthy, 2008b ). La commande globale base sur le W AMS offre aussi plusieurs avantages, telles que la

coordination des diffrents contrleurs F ACTS (Y ong, 2006) et la coordination des contrleurs FACTS avec autres types de contrleurs (Qiao, Venayagamoorthy et Harley, 2008).

La revue de la littrature prcdente a permis de faire ressortir deux points importants. La

ncessit de la coordination des diffrentes structures de commande dans un rseau lectrique

et le rle important des mesures globales. Afin d'apporter une contribution supplmentaire

aux travaux mentionns ci-dessus. Le principal objectif de cette thse est de proposer une structure de commande pour la coordination des rgulateurs automatiques de tension (AVRs) et des contrleurs de SV Cs travers des mesures la grandeur du rseau lectrique.


CHAPITRE 2

TUDE DU COMPENSATEUR STATIQUE (SVC) ET SA COMMANDE AUXILIAIRE

2.1 Introduction

La demande croissante de l'nergie lectrique et la drgulation du march de 1 'lectricit a

engendr une augmentation des transits de puissance dans les rseaux lectriques. Pour

consquence, des rseaux mondiaux de plus en plus interconnects et fonctionnant prs de

leurs limites de stabilit, donc difficiles rgler et sensibles aux oscillations interrgionales.

C'est dans ces conditions que les lments FACTS (Flexible AC Transmission Systems) sont introduits afin d'apporter des nouvelles solutions pour amliorer les performances des

rseaux de puissance. Ces dispositifs ont un rle important jouer dans le contrle des transits de puissance, l'augmentation de la puissance transmissible maximale, l'amlioration

de la stabilit du rseau et 1' amortissement des oscillations lectromcaniques.

Ce chapitre a pour but d'introduire le concept FACTS, de prsenter de manire gnrale les

diffrentes catgories de ces dispositifs et de mettre en vidence leurs avantages et leurs applications. La suite de ce chapitre est consacre la prsentation du compensateur statique

d'nergie ractive (SVC) avec le schma lectrique et le modle dynamique. Nous terminons par la dfinition de la commande auxiliaire (boucle d'amortissement supplmentaire) et son rle pour l'amortissement des oscillations de puissance basse frquence.

2.2 Dfmition et concept FACTS

FACTS qui est l'abrviation de Flexible Altemating Control Transmission Systems est dfini

par IEEE comme suit : Les systmes de transmission du courant alternatif incorporant des contrleurs base d'lectronique de puissance et autres contrleurs statiques afin


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d'amliorer la contrlabilit des rseaux lectriques ainsi que la capacit de transfert des lignes (Edris et al., 1997).

Les dispositifs FACTS comprennent tous les quipements bass sur l'lectronique de puissance et qui font en gnral appel la commande numrique, les microprocesseurs, les communications et la microlectronique pour contrler les circuits de transport des rseaux lectriques et augmenter leurs capacits de transfert de puissance (Hingorani, 1993). Le concept FACTS a t introduit par EPRI (Electric Power Research Institutes) pour la premire fois en 1988. Le premier grand succs des FACTS fut reconnu en 1990 lors de la confrence de Cincinnati (Hingorani, 1991). Grce une vitesse de commande rapide et une dure de vie considrable cette technologie est devenue un outil incontournable pour l'amlioration de l'exploitation et de la flexibilit des systmes de puissance. En plus avec les avances rcentes dans la technologie des thyristors GTO/IGBT, la vitesse de rponse de ces dispositifs a diminu jusqu' quelques millisecondes ce qui les rend capable d'offrir des solutions appropries pour n'importe quelle situation du rseau lectrique.

2.3 Diffrents catgories des F ACTS

Les dispositifs F ACTS se divisent en trois importantes catgories suivant leur faon de se connecter au rseau lectrique (Hingorani et Gyugyi, 1999).

a. compensateurs parallles,

b. compensateurs sries,

c. compensateurs hybrides (srie-parallle).

Ces catgories peuvent aussi tre dcomposes en deux gnrations selon la technologie utilise. La premire gnration est base de thyristors (TCSC et SVC) et la deuxime gnration base de GTO thyristors (SSSC, STATCOM et UPFC). Nous allons prsenter dans cette partie une description dtaille des principaux lments de la famille des F ACTS ainsi que leurs avantages et applications.


19

2.3.1 Compensateurs parallles

Ces compensateurs sont branchs en parallle avec le rseau lectrique. Ils permettent partir

d'une impdance variable d'absorber ou injecter du courant au rseau travers le point de connexion. Cette injection du courant modifie les puissances active et ractive qui transitent dans la ligne et au mme temps elle permet la rgulation de la tension de la ligne.

2.3.1.1 Compensateur statique d'nergie ractive (SVC)

Le compensateur statique d'nergie ractive (Static Var Compensator) est un quipement de compensation shunt. Il permet de rgler la tension ses bornes en commandant la quantit de

puissance ractive injecte dans ou absorbe du systme d'alimentation. Il est galement utilis pour amliorer la stabilit dynamique du rseau lectrique, en lui ajoutant une boucle de rgulation supplmentaire pour l'amortissement des oscillations de puissance basse

frquence (Bsanger, 2006).

T.-ansfo.-mateu.-shunt

c

FC TCR

Figure 2.1 Schma lectrique du SVC.

Le schma lectrique du SVC (Figure 2.1) comporte gnralement les lments suivants : Bancs de condensateurs fixes FC (Fixed Capacitor). Inductance commande par thyristors TCR (Thyristor Controlled Reactor).


20

Condensateur commut par thyristors TSC (Thyristor Switched Capacitor). Inductance commute par thyristors TSR (Thyristor Switched Reactor).

2.3.1.2 Compensateur statique synchrone (STATCOM)

Ce type de compensateur a t dvelopp la fin des annes 70, mais ce n'est que dans les annes 90 qu'il a connu un essor important grce aux dveloppements des interrupteurs GTO

de forte puissance (Eskandar Gholipour, 2003). Le STATCOM illustr la figure 2.2 est utilis de faon similaire qu'un compensateur statique d'nergie ractive (SVC) par contre il est plus efficace pour assurer la stabilit transitoire que le SVC. En plus, il est exempt

d'inertie ce qui rend sa dynamique plus rapide.

Transformateur shunt

c

Onduleur de tension

AC/DC

Figure 2.2 Schma lectrique du ST ATCOM.

2.3.2 Compensateurs sries

Comme leurs noms indiquent, ces compensateurs sont connects en srie avec le rseau et

peuvent tre utiliss comme une impdance variable (inductive et capacitive) ou une source de tension variable. En modifiant l'impdance des lignes, ils permettent de compenser la

chute de tension inductive et modifient ainsi la ractance effective de la ligne de transport. Ces compensateurs sont efficaces pour le contrle de la puissance et l'amlioration de la

stabilit dynamique du rseau lectrique.


21

2.3.2.1 Compensateur srie command par thyristors (TCSC)

Le compensateur srie command par thyristors (TCSC) est compos d'un banc de condensateurs en parallle avec une inductance commande par thyristors, le tout est branch

en srie sur une ligne de transport (Figure 2.3). Le TCSC permet de modifier l'impdance de cette ligne par une grande vitesse de commande, et donc commander la puissance transmise.

L'impdance quivalente de la ligne sera une impdance variable selon l'angle d'amorage des thyristors. L'expression de l'impdance est donne par l'quation suivante (Mohan et V arma, 2002):

X(a)= }Lw ~ ( :r _a+ sin~a)) _ LC~

Transformateur srie

c

Figure 2.3 Schma lectrique du TCSC.

Le TCSC plac en srie permet de garantir :

un meilleur contrle de puissance,

une augmentation de la puissance maximale transmise,

une bonne rgulation de la tension,

un bon amortissement des oscillations de puissance basse frquence.

(2.1)


22

2.3.2.2 Compensateur srie statique synchrone (SSSC)

Le compensateur srie statique synchrone (SSSC) est constitu d'un onduleur triphas coupl en srie avec la ligne de transport l'aide d'un transformateur (Figure 2.4). Son rle est d'introduire une tension triphase la frquence du rseau en srie avec la ligne de transport. Cette tension est en quadrature avec le courant de ligne. Nous pouvons, dans ce cas, rgler

continuellement la valeur apparente de la capacit ou de l'inductance ainsi introduite dans la

ligne. L'avantage de ce type de compensateur est de ne pas introduire physiquement un

condensateur ou une inductance, mais de simuler leurs fonctions. Cela vite 1' apparition des

oscillations dues la rsonance avec les lments inductifs du rseau. Le SSSC est capable

d'changer de la puissance active et ractive avec le rseau lectrique pour maintenir une

bonne stabilit (Passelergue, 1998).

c

Figure 2.4

Transformateur srie

Onduleur de tension AC/OC

Schma lectrique du SSSC.

2.3.3 Compensateurs hybrides (srie-srie et shunt-srie)

C'est une combinaison des dispositifs sries et shunts commande d'une manire coordonne

afin d'accomplir un contrle prdfini. Ils sont donc capables d'agir sur les trois paramtres

(tension, impdance et angle de dphasage) qui permettent de contrler le transit de puissance sur une ligne de transport.


23

2.3.3.1 Contrleur universel de flux de puissance (UPFC)

Le contrleur universel de flux de puissance est l'quipement FACTS le plus puissant. Il est dit universel car il comporte toutes les stratgies de compensation de puissance. Il a le pouvoir de contrler la tension, l'angle de transit et l'impdance de la ligne. Son schma

lectrique est illustr la figure 2.5. Il est constitu de (2) onduleurs triphass de tension. Un onduleur est connect en parallle au rseau par l'intermdiaire d'un transformateur shunt et 1' autre est connect en srie avec le rseau. Les deux onduleurs sont interconnects par un bus continu reprsent par un condensateur. De plus, il a la flexibilit de basculer de 1 'une

l'autre de ces fonctions instantanment, en changeant la commande des onduleurs, ce qui permet l'activation de la fonction ncessaire pour pouvoir faire face des dfauts ou des modifications du rseau (Passelergue, 1998). L'UPFC est capable d'accomplir les fonctions des autres dispositifs F ACTS savoir le rglage de la tension, la rpartition de flux d'nergie, l'amlioration de la stabilit et l'attnuation des oscillations de puissance.

Transformateur v. b

sene

Onduleur (1) Onduleur (2)

L...---....ffi T ransforrnateur shunt

c

Figure 2.5 Schma lectrique de l'UPFC.

2.4 Avantages et applications des FACTS

De manire gnrale l'effet de ces nouveaux quipements de compensation sur la

performance et la scurit des rseaux lectriques se rsume dans les points suivants :


24

Meilleur contrle et gestion de 1' coulement de puissance.

Augmentation de transit de la puissance.

Possibilit de charger les lignes de transport prs de leurs limites dynamiques.

Prvention contre les pannes en limitant les effets des dfauts et les dfaillances des

quipements.

Rduction de la consommation de la puissance ractive, ce qui va permettre aux lignes

de transporter plus de puissance active.

Amlioration de la stabilit dynamique des rseaux lectriques par l'augmentation de la

marge de stabilit transitoire, 1' amortissement des oscillations lectromcaniques et une

bonne rgulation de la tension.

2.5 tude du compensateur statique d'nergie ractive (SVC)

Le compensateur statique est un lment shunt de la famille des FACTS. Il ralise le soutien

local de la tension en absorbant ou fournissant de la puissance ractive l'endroit o il est

connect. Il permet ainsi d'augmenter la capacit de transport de puissance et de rduire les

pertes (en vitant de transporter du ractif). Il joue un rle important dans 1' amlioration des marges de stabilit du rseau et l'attnuation des oscillations lectromcaniques.

2.5.1 Schma lectrique et fonctionnement du SVC

La figure 2.6 illustre le schma lectrique d'un compensateur statique connect une barre

du rseau. Le SVC comporte un condensateur fixe FC (Fixed Capacitor) en parallle avec une branche TCR (Thyristor Controlled Reactor) qui est une impdance variable. Cette dernire est obtenue par la connexion d'une inductance L en srie avec deux thyristors

monts tte-bche. En agissant sur la valeur de cette impdance on peut commander la

puissance qui transite dans la ligne de transport. Lorsque la tension est basse, le

compensateur statique dveloppe de la puissance ractive (SVC capacitif) en connectant le condensateur fixe. Quant la tension du systme est haute, le SVC absorbe la puissance ractive (SVC inductif) en connectant la branche TCR.


25

La susceptance Br{t) de la branche TCR est contrle par l'angle d'allumage des thyristors (a) par la relation suivante (Mohan et V arma, 2002).

Br(t) = Bs(2n+sin2a-2a) JZ'

a : angle des thyristors.

Br: susceptance de l'inductance.

Bs: susceptance totale.

Transformateur shunt

c

FC TCR

Figure 2.6 Reprsentation lectrique du SVC.

2.5.2 Modle dynamique du SVC

(2.2)

La tche principale du compensateur statique est le rglage de la tension ses bornes. Le

SVC est gnralement modlis par le schma bloc prsent la figure 2. 7 (Erinmez, 1986). Le contrleur principal de la tension peut tre proportionnel, intgral ou la combinaison des

deux actions. Le dlai associ la mesure de la tension (Tm) ainsi que le dlai d la

conduction (Td) des thyristors sont pris en considration.


Figure 2.7

Circuit de mesure

P-Pl

Rgulateur de Circuit de contrle des tension thyristors

Rseau lectrique

Schma gnral du circuit de commande du SVC.

26

Le modle dynamique simplifi du compensateur statique (Figure 2.8) est un systme de

premier ordre Ksvc avec ~vc la constante de temps et Ksvc le gain du SVC. 1 + I;,VCS

Ksvc

Bmin

Figure 2.8 Modle dynamique du SVC.

La dynamique du compensateur est reprsente par l'quation suivante:

B. -1 B KSVC (V v ) SVC = -- SVC + -- rej SVC - SVC I;,vc I;,vc -

(2.3)

Bsvc : susceptance quivalente du SVC.

~vc : tension aux bornes du SVC.

V,.ef _svc :rfrence de la tension du SVC.


27

2.6 Rle de la commande auxiliaire du SVC

Le rle principal du SVC est le rglage de la tension du rseau lorsque ce dernier est expos

des variations de la charge ou de changements de point de fonctionnement. L'ajout d'une commande auxiliaire (Figure 2.9) permet d'amortir les oscillations de puissance basse frquence. Cette commande auxiliaire est appele boucle d'amortissement PSDC (Power Swing Damping Control). Beaucoup de chercheurs ont consacr leurs travaux tablir de nouvelles structures de commande dans le but d'augmenter l'efficacit des SVCs pour

1' amortissement des oscillations de puissance. Parmi ces commandes, on note la commande

auxiliaire de type PID, la commande auxiliaire de type avance-retard de phase avec filtre

passe haut et la commande robuste H oo

Signal d'entre PSDC

Commande auxiliaire

Figure 2.9 Modle dynamique du SVC avec commande auxiliaire.

Le signal d'entre de la commande auxiliaire doit tre choisi d'une faon efficace. Les

signaux locaux (la frquence de la ligne de transport, la puissance transmise et le courant de la ligne) sont les premiers signaux tre utiliss parce qu'ils sont disponibles et faciles mesurer (Soeprijanto, Yorino et Sasaki, 2001). Cependant les tudes ralises rcemment ont dmontr l'efficacit des signaux globaux par rapport aux signaux locaux. Parmi ces mesures

globales, les dviations des vitesses des gnrateurs utilises par (Peng, Varma et Jin, 2006; Venayagamoorthy et Jetti, 2008) et les angles des tensions des barres (Varma, Gupta et Auddy, 2007).


28

2.7 Validation de la commande auxiliaire du SVC

Pour montrer le rle de la commande auxiliaire, nous avons ralis plusieurs tudes de

simulation sur diffrents rseaux. Le contrleur auxiliaire est prsent la figure 2.1 O. Il est

de type conventionnel (Kundur et al., 1989; Y ou, Nehrir et Pierre, 2007), compos d'un gain d'amortissement, un filtre passe haut (washout filter) et un compensateur avance-retard de phase (lead-lag). Il a la mme configuration que le stabilisateur de puissance (PSS).

u.IIX_IIIIIX

Signal.-. Ksvc r--. T,s r+

l+T1s ...

l+T1s r __ uaux d'entre 1 + T,.,s l+T2s l+T2 s _/

u,ux_mII

Gain Filtre passe haut Compensateurs de phase

Figure 2.10 Contrleur conventionnel du SVC.

La figure 2.11 illustre le systme en boucle ferme compos du rseau lectrique et du contrleur du SVC avec :

H(s) :fonction de transfert du contrleur du SVC. G(s) :fonction de transfert du rseau lectrique.

En boucle ferme la fonction de transfert est dcrite par 1' quation suivante :

G s - G(s) BF( ) - 1 + G(s)H(s) (2.4)

L'quation caractristique de cette fonction permet de faire une imposition de ples pour

calculer les paramtres du contrleur du SVC. Cependant, la fonction de transfert peut tre

utilise pour appliquer la mthode des rsidus.


29

+ U(s) .. .. G(s)

--

Y(s) -

...

-

- J~ Systme

H(s) Contrleur

Figure 2.11 Systme en boucle ferme avec le contrleur du SVC.

Le contrleur conventionnel du SVC not H(s) est compos d'un:

gain d'amortissement,

filtre passe haut (washout filter), compensateur de phase (lead-lag).

(2.5)

D'aprs (Kundur, 1994) l'angle maximum que peut fournir chaque bloc de compensateur de phase est de 60 degrs et le nombre de ces blocs est gnralement gale deux (n = 2). L'angle tPcom qui reprsente l'angle compenser par le contrleur doit satisfaire les

conditions suivantes:

1 1 - sin( ~com 1 n)

ange:a= , 1 + sin(t/Jcom 1 n)

1

constantes de temps: 1J = ----r et T2 = a1J . wnva

Pour le filtre passe haut on utilise gnralement une constante de temps Tw large (entre 1 s et 10 s) pour laisser passer les signaux associs aux oscillations tudies.


30

La figure 2.12 nous montre la rponse frquentielle d'un contrleur convent

Zabaiou Tarik

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