Production décentralisée dans les réseaux de distribution. Etude pluridisciplinaire de la modélisation pour le contrôle des sources.

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Mogos, Emmanuel Florin (2005) Production décentralisée dans les réseaux de distribution. Etude pluridisciplinaire de la modélisation pour le contrôle des sources. Doctorat génie électrique, ENSAM CER Lille, ENSAM 2005 ENAM0014.

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Résumé

L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation.
Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

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Table des Matières

TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES - 1
TABLE DES FIGURES - 7
TABLE DES TABLEAUX - 11
INTRODUCTION GENERALE - 12
CHAPITRE 1 - 17
INTRODUCTION SUR LA MODELISATION ET LA SIMULATION DES RESEAUX ELECTRIQUES - 17
INTRODUCTION CHAPITRE 1 - 18
1.1 Etat de l'art sur la modélisation dynamique des réseaux électriques - 18
1.2 Modélisation des phénomènes transitoires électromécaniques - 20
1.2.1 Introduction - 20
1.2.2 Principe de la modélisation électromécanique appliqué à la machine asynchrone - 20
1.2.2.1 Modélisation causale de la machine asynchrone - 20
1.2.2.2 Modélisation causale simplifiée de la machine asynchrone - 22
1.2.2.3 Comparaison des modélisations - 23
1.2.2.4 Analyse modale - 25
1.2.3 Modélisation électromécanique de la machine synchrone - 26
1.2.3.1 Modélisation causale de la machine synchrone - 26
1.2.3.2 Modélisation causale simplifiée de la machine synchrone - 28
1.2.3.3 Comparaison des modélisations - 29
1.2.4 Association machine synchrone - machine asynchrone - 32
1.2.5 Modélisation simplifiée d'une ligne - 34
1.2.6 Généralisation à un réseau quelconque - 36
1.2.7 Présentation des logiciels de simulation des phénomènes électromécaniques - 39
1.3 Modélisation et simulation temps réel des phénomènes électromagnétiques - 41
1.3.1 Introduction - 41
1.3.2 Architecture d'un simulateur temps réel - 42
1.3.3 Traitement des calculs en parallèle - 43
1.3.4 Présentation du simulateur Hypersim - 44
1.3.5 Applications des simulateurs temps - réel des réseaux électriques - 45
CONCLUSION CHAPITRE 1 - 47
CHAPITRE 2 - 48
MODELISATION CAUSALE ET CONTROLE D'UNE SOURCE DYNAMIQUE DE PRODUCTION - 48
INTRODUCTION CHAPITRE 2 - 49
2.1 Modélisation simplifiée et commande du convertisseur MLI - 49
2.1.1 Introduction - 49
2.1.2 Modèle du convertisseur - 50
2.1.3 Modélisation simplifiée du convertisseur - 52
2.1.4 Commande du convertisseur - 54
2.1.5 Implantation du modèle sous EUROSTAG - 57
2.2 Généralités sur le contrôle d'une source dynamique de production - 59
2.3 Modélisation d'une microturbine à gaz connectée au bus continu - 63
2.3.1 Description de la technologie. État de l'art - 63
2.3.1.1 Types de microturbines - 64
2.3.1.2 Le cycle thermodynamique - 64
2.3.1.3 Conception et fonctionnement - 65
2.3.1.3.1 Description du moteur de la microturbine - 66
2.3.1.3.2 La production d'énergie électrique - 67
2.3.1.3.2.1 Le générateur électrique - 67
2.3.1.3.2.2 L'interface avec le réseau - 68
2.3.2 Modélisation du système de production décentralisée - 69
2.3.2.1 Présentation de la micro turbine étudiée - 69
2.3.2.2 Description de la connexion au bus continu par un convertisseur à diodes - 70
2.3.2.3 Modélisation simplifiée de l'association générateur - pont de diodes - 73
2.3.2.3.1 Modèle simplifié en conduction continue - 73
2.3.2.3.2 Modèle simplifié en conduction discontinue - 76
2.3.2.3.3 Comparaison des modèles simplifiés - 77
2.3.2.4 Modèle de l'ensemble turbine - générateur - pont de diodes - 79
2.4 Contrôle du dispositif de production - 80
2.5 Validation du modèle - 82
CONCLUSION CHAPITRE 2 - 83
CHAPITRE 3 - 84
MODELISATION CAUSALE ET CONTROLE D'UNE SOURCE STATIQUE DE PRODUCTION - 84
INTRODUCTION CHAPITRE 3 - 85
3.1 Généralités sur le contrôle d'une source statique de production - 85
3.2 Modélisation simplifiée d'un système de production avec des piles à combustible - 87
3.2.1 Généralités sur les piles à combustible. Etat de l'art - 87
3.2.2 Modélisation du système de production - 89
3.2.2.1 Partie opérative - 89
3.2.2.1.1 Le modèle du ‘stack' - 92
3.2.2.1.1.1 Les hypothèses du modèle du coeur de la pile - 92
3.2.2.1.1.2 Expression de la tension du ‘stack' - 93
3.2.2.1.1.3 Calcul des pressions partielles - 93
3.2.2.2 Partie commande - 96
3.2.2.2.1 Contraintes de fonctionnement optimal de la pile - 97
3.2.2.2.1.1 Rapport optimal entre les débits des réactants - 97
3.2.2.2.1.2 Relation entre le débit d'hydrogène et le courant de la pile - 97
3.2.2.2.2 Contrainte de sécurité de fonctionnement - 98
3.2.2.2.3 Système de contrôle de la source statique - 98
3.2.3 Modèle du hacheur et contrôle du courant de la pile - 99
3.2.4 Modèle complet de la source statique - 99
3.2.5 Modèle simplifié de la source statique - 100
3.2.6 Validation du modèle - 101
3.2.6.1 Les paramètres du modèle - 101
3.2.6.2 Evaluation des performances du système en réseau isolé - 102
3.2.7 Implantation sur EUROSTAG - 105
3.3 Modélisation simplifiée d'un système photovoltaïque - 107
3.3.1 Généralités - 107
3.3.2 Caractéristiques statiques du panneau - 107
3.3.3 Structure complète d'un générateur photovoltaïque connecté au réseau - 108
3.3.4 Structure simplifiée - 111
3.3.5 Validation du modèle. Comportement en cas de défaut - 112
CONCLUSION CHAPITRE 3 - 114
CHAPITRE 4 - 115
APPLICATION A L'ETUDE DE LA REGULATION DE TENSION DANS LES RESEAUX ELECTRIQUES DE DISTRIBUTION - 115
INTRODUCTION CHAPITRE 4 - 116
4.1 Introduction sur le réglage de la tension - 116
4.2 Moyens de réglage de la tension dans un réseau de distribution - 117
4.3 Régulation de la tension par le contrôle de la puissance réactive de la source de production décentralisée - 121
4.4 Réglage de la tension par le contrôle de la puissance active de la source de production décentralisée - 125
4.4.1 Présentation du principe - 125
4.4.2 Synthèse du correcteur - 125
4.5 Supervision de la régulation de tension - 128
4.5.1 Première solution - 129
4.5.2 Deuxième solution - 130
4.6 Test du régulateur. Comparaison des solutions - 131
4.6.1 Impact de la dynamique des sources sur le comportement du régulateur - 131
4.6.2 Impact du bruit dans la mesure de la tension sur le régulateur - 135
4.6.3 Interaction entre plusieurs régulateurs - 136
CONCLUSION CHAPITRE 4 - 138
CHAPITRE 5 - 140
SIMULATION TEMPS REEL D'UNE SOURCE DE PRODUCTION DECENTRALISEE - 140
INTRODUCTION CHAPITRE 5 - 141
5.1 Description matérielle de l'application - 141
5.1.1 Présentation du simulateur - 141
5.1.2 Application à la simulation de la microturbine - 143
5.1.2.1 Introduction - 143
5.1.2.2 Description du modèle de la partie puissance - 144
5.1.2.2.1 Source de production décentralisée - 144
5.1.2.2.2 Interface électronique bus continu / réseau - 145
5.1.2.2.3 Paramètres du réseau de distribution - 147
5.1.2.3 Implantation matérielle de l'application - 147
5.2 Etude de la synchronisation du convertisseur sur le réseau - 149
5.2.1 PLL triphasé dans le domaine de Park - 149
5.2.2 PLL Space Vector Filter - 149
5.2.3 Comparaison des 2 PLL - 149
5.2.4 Validations des solutions sur le simulateur temps réel - 149
5.2.5 Evaluation des retards induits par la chaîne d'acquisition - 149
5.3 Boucle de courant et boucle de tension - 149
5.3.1 Introduction - 149
5.3.2 Contrôle des courants du réseau dans le repère naturel - 149
5.3.3 Synthèse d'un correcteur résonant - 149
5.3.4 Test de la commande sur le simulateur temps réel - 149
5.4 Implantation du modèle de la micro turbine et de sa commande - 149
CONCLUSION CHAPITRE 5 - 149
CONCLUSION GENERALE - 149
BIBLIOGRAPHIE - 149
CHAPITRE 6 - 149
ANNEXES - 149
Annexe 1. Le Graphe Informationnel de Causalité (GIC) - 149
Annexe 2. Caractéristiques des machines - 149
Annexe 3 Détermination des paramètres du modèle de la microturbine - 149
Annexe 4 Contrôle de la microturbine (fonctionnement en conduction continue du pont de diodes) - 149
Annexe 5 Modèle mathématique du panneau photovoltaïque - 149
Annexe 6 Stratégie de suivi du maximum de puissance (MPPT) - 149

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