Simulation temps-réel des dispositifs d’Electronique de Puissance dédiés aux

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Nattribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LINPG Spcialit : Gnie Electrique prpare au Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble dans le cadre de lEcole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et Traitement du signal prsente et soutenue publiquement par Christophe GOMBERT Ingnieur ENSIEG le 29 Septembre 2005 Simulation temps-rel des dispositifs dElectronique de Puissance ddis aux Rseaux dEnergie Electrique Directeurs de thse : M. Seddik BACHA M. Daniel ROYE JURY M.X. GUILLAUD , Rapporteur M.X. ROBOAM , Rapporteur M.F. GORGETTE, Examinateur M.Y. BESANGER, Examinateur M.C. KIENY , Invit REMERCIEMENTS LestravauxprsentsdanscemmoiresontlefruitdunecollaborationentreEDF,le LaboratoiredElectrotechniquedeGrenoble(LEG)etleGroupementdIntrtEconomique pour Inventer la Distribution Electrique de lAvenir (GIE IDEA). Je tiens remercier : M. Xavier Guillaud professeur l'Ecole centrale de Lille et M. Xavier Roboam charg de recherche au CNRS pour mavoir fait lhonneur daccepter dtre rapporteurs de cette thse ainsi que pour avoir consacrs une partie de leurs congs afin dvaluer ce mmoire. M. Seddik Bacha pour mavoir autant appris depuis que nous nous sommes rencontrs surunetabledetravauxpratiqueslIUTilyadjhuitans !Jeleremerciepoursa disponibilitainsiquepoursonsoutiendanslesmomentsdifficilesolavenirfutquelque peuincertain.Jeluisuistrs reconnaissantdemavoirproposcesujetdethse.Plusquun professeur, quun directeur de thse, ou quun chef dquipe, Seddik a t tout au long de ces annes un ami. M. Daniel Roye pour son apport sur laspect scientifique, sur les systmes temps-rel et linformatiqueindustrielle.Sesconversationsonttrichesdenseignementsetdeconseils aviss, qui mont clairs et guids dans mes travaux. M. Franois Blache pour son aide sur la plateforme temps-rel. Ce fut un grand plaisir detravailleraveclui,poursabonnehumeuretpournosgotspartagsenmatirede gastronomie et de vins. M. Jrme Delamare pour mavoir grandement dpann en me fournissant un systme DSPACE sans lequel je naurai pas pu parvenir aux rsultats exprimentaux escompts. Pour unmontagnardilestdusagedexplorersonpaysenmarchant,maisjaipuvivre,grce Jrme, lexprience exceptionnelle de dcouvrir la montagne par les airs. M.FrdricGorgettepouravoiracceptdtremembredujuryetdavoirassurle suivi de mes travaux pour EDF. M. Nouredine Hadj Sad pour son dynamisme toute preuve quil sait faire partager etpourmavoiraccueilliauseinduGIEIDEAquiafinancmonMasterderecherchepuis ma premire anne de thse. M.YvonBsangerpouravoirparticipmonencadrementetmavoirtoujoursaid lorsque jen avais besoin. M. Christophe Kieny pour ses remarques pertinentes et riches denseignements. Evidemment,laidedesmembresdulaboratoirefuttrsprcieusepourmenermes travauxbien.Jeremercie:JacquesDavoine,JolGuiraud,FlorenceMartin,Danielle Colin,PierreGranjon,BertrandRaison,DelphineRiu,ChristopheAndrieu,Jean Barbaroux,DanielTomasik,AfefLebouc,NicolasRetire,StphaneCatellani,Claude Brun, Daniel Ogier, Monique Boizard, Elise Riado, Patrick Eustache, ... Merci galement tous les doctorants et amis qui ont contribus lambiance au travail et lors des temps libres. Nicolas, merci pour toute ton aide durant ces trois annes ; Lilya, je tesouhaitebeaucoupdebonheur ;Farid,unenouvelleviecommence ;Dan,sanstoila simulation temps-rel hybride naurait vu le jour merci mon ami ; Bianca, ton sourire claire mesjournes ;Pierre,pourlesbonsplansdescalade,randosetVTTpasssetfuturs ; Florian,pouravoirtuntrsbonstagiaireetami ;Adle,Cyril,Xavier,Hynek,Lionel, Marlne,Benot,Cdric,Valrie,Diane,Jiri,Miguel,Vanya,Sylvie,Maria,Carolina, Gustavo, Olivier, Nataliya, Delcho, ... Je remercie de tout mon coeur mes parents et ma famille. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE...................................................................................................... 1 CHAPITRE I : LONDULEUR DE TENSION DANS LE RESEAU DE DISTRIBUTION I.1 INTRODUCTION ....................................................................................................................................................... 3 I.2 LONDULEUR DE TENSION POUR LE RESEAU............................................................................................................ 3 I.2.1 Les systmes de compensation ....................................................................................................................... 4 I.2.1.1 La qualit dnergie dans les rseaux........................................................................................................................ 4 I.2.1.2 Classement par type de connexion............................................................................................................................ 5 I.2.1.3 La connexion shunt ................................................................................................................................................... 5 I.2.1.4 La connexion srie.................................................................................................................................................... 9 I.2.1.5 La connexion srie et shunt..................................................................................................................................... 11 I.2.2 Les systmes dinterfaage........................................................................................................................... 12 I.2.2.1 Gnralits .............................................................................................................................................................. 12 I.2.2.2 Cas des gnrateurs oliens..................................................................................................................................... 14 I.3 REPRESENTATION VECTORIELLE DE LONDULEUR TRIPHASE ................................................................................ 15 I.4 COMMANDES MLI DES ONDULEURS DE TENSIONS ................................................................................................ 19 I.4.1 La MLI intersective ...................................................................................................................................... 19 I.4.1.1 La MLI intersective Sinus avec porteuse triangulaire............................................................................................. 20 I.4.1.2 La MLI intersective avec injection dharmonique de rang 3................................................................................... 21 I.4.1.3 La MLI intersective avec porteuse alatoire ........................................................................................................... 22 I.4.2 La MLI vectorielle........................................................................................................................................ 24 I.4.2.1 Calcul des temps dapplications des vecteurs ......................................................................................................... 24 I.5 CONCLUSION......................................................................................................................................................... 30 CHAPITRE II : LA SIMULATION TEMPS-REEL II.1 INTRODUCTION.................................................................................................................................................... 31 II.2 LASPECT TEMPS-REEL ........................................................................................................................................ 31 II.3 LES GRANDES CLASSES DE SIMULATEURS TEMPS-REEL........................................................................................ 33 II.3.1.1 Les simulateurs temps-rel analogiques ................................................................................................................ 34 II.3.1.2 Les simulateurs temps-rel numriques................................................................................................................. 35 II.3.1.3 Les simulateurs temps-rel hybrides...................................................................................................................... 36 II.4 LES SIMULATEURS NUMERIQUES TEMPS-REEL ..................................................................................................... 38 II.4.1 Le fonctionnement des simulateurs numriques temps-rel........................................................................ 38 II.4.1.1 Mthodes dintgration des lments du rseau pour le temps-rel....................................................................... 38 II.4.1.2 Principe des mthodes dintgration utilises en temps-rel.................................................................................. 38 II.4.1.3 Rsolution des quations du rseau ....................................................................................................................... 42 II.4.1.4 Le paralllisme ...................................................................................................................................................... 43 II.4.2 Le simulateur temps-rel numrique ARENE URT..................................................................................... 44 II.5 PROBLEMATIQUE DE LA SIMULATION NUMERIQUE TEMPS-REEL .......................................................................... 46 II.5.1 Relation entre le pas de temps et la taille de la simulation......................................................................... 46 II.5.2 Problmatique du choix du pas de temps.................................................................................................... 47 II.5.3 Problmatique de la simulation de dispositifs base dlectronique de puissance.................................... 48 II.5.3.1 Les algorithmes de dtection des commutations.................................................................................................... 48 II.5.3.2 Lchantillonnage des signaux en entre du simulateur......................................................................................... 49 II.6 CONCLUSION ....................................................................................................................................................... 54 CHAPITRE III : MODELISATION DE LONDULEUR DE TENSION TRIPHASE POUR LE TEST EN TEMPS-REEL DE SON CONTROLEUR MLI III.1 INTRODUCTION................................................................................................................................................... 55 III.2 MODELISATION DES SYSTEMES A BASE DELECTRONIQUE DE PUISSANCE........................................................... 56 III.2.1 Prsentation des modlisations pour le temps-rel ................................................................................... 56 III.2.1.1 Les modlisations pour llectronique de puissance............................................................................................. 56 III.2.1.2 Les finesses de reprsentation .............................................................................................................................. 57 III.2.1.3 Choix des hypothses simplificatrices de modlisation........................................................................................ 61 III.2.2 Le modle topologique............................................................................................................................... 62 III.2.3 Le modle moyen ....................................................................................................................................... 63 III.3 EXEMPLES DE MODELISATIONS POUR LE TEMPS-REEL ........................................................................................ 69 III.3.1 Principe de la modlisation pour ARENE URT......................................................................................... 69 III.3.2 Le modle donduleur de tension triphas................................................................................................. 70 III.3.2.1 Le modle topologique de londuleur................................................................................................................... 70 III.3.2.2 Le modle moyen de londuleur........................................................................................................................... 71 III.3.2.3 Le modle moyen de londuleur dans le repre de Park....................................................................................... 78 III.3.3 Application au D-STATCOM command en MLI ...................................................................................... 79 III.3.3.1 Le modle topologique du D-STATCOM............................................................................................................ 79 III.3.3.2 Le modle moyen du D-STATCOM.................................................................................................................... 80 III.3.3.3 Le modle moyen du D-STATCOM dans le rfrentiel de Park.......................................................................... 81 III.3.3.4 Asservissement du D-STATCOM........................................................................................................................ 82 III.3.4 Application un gnrateur olien ........................................................................................................... 89 III.3.4.1 Prsentation du systme olien base de Machine Synchrone (MS) ................................................................... 89 III.3.4.2 Modlisation de la machine synchrone ................................................................................................................ 90 III.3.4.3 Contrle vectoriel de la machine synchrone......................................................................................................... 93 III.3.4.4 Contrle de lolienne .......................................................................................................................................... 93 III.3.4.5 Reprsentation schmatique densemble du systme olien................................................................................. 94 III.4 MODELISATION POUR LE TEST DE CONTROLEURS MLI EN TEMPS-REEL.............................................................. 95 III.4.1 Approche par les signaux dentre des modles........................................................................................ 95 III.4.2 Traitement des signaux par linterface matrielle : analyse thorique ..................................................... 96 III.4.2.1 Principe dextraction pour le mode moyen........................................................................................................... 96 III.4.2.2 Principe dextraction pour le mode moyen harmonique....................................................................................... 99 III.5 CONCLUSION.................................................................................................................................................... 105 CHAPITRE IV : IMPLANTATION DES MODELES ET SIMULATIONS HORS TEMPS-REEL IV.1 INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 106 IV.2 LE D-STATCOM ............................................................................................................................................ 106 IV.2.1 Programmation des asservissements du D-STATCOM ........................................................................... 107 IV.2.1.1 Asservissement avec des correcteurs PI dans Park............................................................................................. 108 IV.2.1.2 Asservissement avec des correcteurs rsonnants................................................................................................ 109 IV.2.1.3 Dispositif de gnration de la MLI..................................................................................................................... 111 IV.2.2 Simulation et validation du modle topologique du D-STATCOM.......................................................... 112 IV.2.2.1 Ralisation des modles topologiques................................................................................................................ 112 IV.2.2.2 Simulation hors temps-rel du modle topologique du D-STATCOM avec des correcteurs PI dans Park. ....... 113 IV.2.3 Simulation et validation du modle moyen du D-STATCOM .................................................................. 117 IV.2.3.1 Modle moyen du D-STATCOM ...................................................................................................................... 117 IV.2.3.2 Simulation hors temps-rel du modle moyen du D-STATCOM avec des correcteurs PI dans Park ................ 118 IV.2.3.3 Simulation hors temps-rel du modle moyen du D-STATCOM avec des correcteurs rsonnants ................... 122 IV.2.4 Simulation et validation du modle moyen dans Park du D-STATCOM................................................. 123 IV.2.4.1 Modle moyen dans Park du D-STATCOM...................................................................................................... 123 IV.2.4.2 Simulation hors temps-rel du modle moyen dans Park du D-STATCOM avec des correcteurs PI dans Park.................................................................................................................................................................................. 124 IV.2.5 Influence du pas de temps de simulation sur les modles du D-STATCOM............................................ 127 IV.2.5.1 Modle moyen avec PI dans Park ...................................................................................................................... 127 IV.2.5.2 Modle moyen avec correcteurs rsonnants....................................................................................................... 128 IV.3 VALIDATION DU MODELE MOYEN DE D-STATCOM SUR BANC EXPERIMENTAL.............................................. 130 IV.4 LE SYSTEME EOLIEN......................................................................................................................................... 133 IV.4.1 Le modle moyen du systme olien dans Park ....................................................................................... 133 IV.4.2 Simulation hors temps-rel du systme olien ......................................................................................... 135 IV.4.2.1 Scnario utilis................................................................................................................................................... 135 IV.4.2.2 Paramtres du systme olien ............................................................................................................................ 136 IV.4.2.3 Rsultats des simulations ................................................................................................................................... 137 IV.5 BILAN SUR LES TEMPS DE CALCUL ESTIMES ..................................................................................................... 141 IV.6 CONCLUSION.................................................................................................................................................... 142 CHAPITRE V : CONCEPTION DU BANC EXPERIMENTAL ET RESULTATS DE SIMULATION TEMPS-REEL V.1 INTRODUCTION.................................................................................................................................................. 143 V.2 CONCEPTION DE LINTERFACE MATERIELLE ...................................................................................................... 143 V.2.1 Caractristiques ........................................................................................................................................ 143 V.2.2 Mthodes dextraction des composantes des MLI..................................................................................... 146 V.2.3 Communication avec ARENE URT........................................................................................................... 148 V.2.3.1 Gnration dun signal MLI haute frquence suivi dun filtrage passe bas ......................................................... 148 V.2.3.2 Liaison numrique directe ................................................................................................................................... 151 V.2.3.3 Utilisation dun convertisseur Numrique / Analogique ..................................................................................... 152 V.2.3.4 Choix de la communication................................................................................................................................. 153 V.2.4 Interface en mode moyen .......................................................................................................................... 153 V.2.4.1 Rsultat dextraction............................................................................................................................................ 153 V.2.4.2 Etude du retard de traitement de linterface......................................................................................................... 156 V.2.5 Interface en mode moyen harmonique ...................................................................................................... 157 V.2.5.1 Rsultat dextraction avec un signal MLI 3kHz................................................................................................ 158 V.2.5.2 Rsultat dextraction avec un signal MLI 10kHz.............................................................................................. 160 V.3 TEST TEMPS-REEL DU CONTROLEUR DE D-STATCOM..................................................................................... 163 V.3.1 Mise en oeuvre de la simulation temps-rel .............................................................................................. 163 V.3.1.1 Ralisation du contrleur MLI de D-STATCOM................................................................................................ 163 V.3.1.2 Ralisation de la simulation en temps-rel avec ARENE URT........................................................................... 166 V.3.2 Tests en temps-rel du dispositif ............................................................................................................... 167 V.3.2.1 Test de validation pour un contrleur moyen de D-STATCOM ......................................................................... 167 V.3.2.2 Tests de contrleurs MLI de D-STATCOM........................................................................................................ 170 V.4 SIMULATION TEMPS-REEL HYBRIDE................................................................................................................... 182 V.4.1 Prsentation des objectifs et du dispositif simul...................................................................................... 182 V.4.2 Simulation hybride temps-rel du systme olien MASDA ....................................................................... 184 V.4.2.1 Courant inject au rseau par lolienne.............................................................................................................. 184 V.4.2.2 Cration dun creux de tension sur le rseau simul............................................................................................ 185 V.5 CONCLUSION..................................................................................................................................................... 186 CONCLUSION GENERALE ...................................................................................................... 187 BIBLIOGRAPHIE....................................................................................................................... 189 ANNEXES .................................................................................................................................... 195 LEXIQUE..................................................................................................................................... 202 INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE 1 Si llectronique de puissance est couramment utilise dans lindustrie : pour piloter les machinestournantes,pourlacommandedesactionneurs,lalimentationdecharges...,son champsdapplicationsestlargidansunpremiertempsaurseaudetransportlectrique,il sagitdessystmeFACTS(FlexibleACTransmissionSystem).Lenouveaucontexte nergtiqueadansunsecondtempsouvertdespossibilitstrslargesauniveaudela distributionlectrique.Lesnouveautssontessentiellementladrgulationdumarchde llectricitetlapolitiquenergtiquevisantpromouvoirlesnergiesrenouvelables.Ainsi llectronique de puissance a un potentiel norme pour entre autres : -linterfaagedesproducteursaurseau,commeparexemplepour :lessystmes oliens,lessystmesphotovoltaques,lesmicro-turbines,lespiles combustibles... ; -linterfaage de rseaux et la distribution en courant continu ; -lamliorationdelaqualitdnergiedurseau.Cesdernirespermettentde rsoudrecertainsproblmesliesauxperturbationsentensionoucourantpouvant trenfastespourlesproducteurset/ouaubonfonctionnementdurseauenlui-mme ; -le rglage des flux nergtiques actifs et ractifs transitant dans les lignes. Danscecontexte,ltudeetlasimulationdesapplicationsbasedlectroniquede puissanceprsententunintrttoutparticulier.Desquestionsseposentalors,commepar exemple :quelsserontlesimpactsdesnouveauxdispositifsdlectroniquedepuissancesur lesrseauxlectriques,surlesproducteursetlesautresquipements ?Commentvont interagircesdispositifsdlectroniquedepuissanceentreeux ?Commentlesdiffrents niveauxdecontrle/commandevontinteragirentreeuxvialesdispositifscontrls ? Commentdesperturbationssurlerseauvontellesnuireauxbonfonctionnementdeces dispositifs ?...Laprincipaledifficultpourrpondrecesinterrogationsestquecestudessont raliserlafoissurlesconvertisseursdlectroniquedepuissance,surleurssystmes dasservissementsetdecontrlesetce,danslenvironnementdurseauauquelilsseront connects :lapprochedoittredetype systme .Parapprochesystme,onentend lagencementetledialoguedesdiffrentscomposantsphysiquesetalgorithmiquesviales commandes la gestion des flux dinformation et dnergie. Pour rpondre une partie de ces interrogations, les simulateurs temps-rel de rseaux sont tout fait indiqus. Ces simulateurs temps-rel permettent de simuler des rseaux et des quipements lectriques et ce, grce des entres/sortiesensignalpermettentdinteragiravecunquipementreltester.Les quipementspouvanttretestssontdesdispositifsdecontrles/commandes(appels contrleursparlasuite)oudesdispositifsenpuissancesconnectscesimulateurviades interfaces en puissance (on parlera alors de simulation temps-rel hybride).INTRODUCTION GENERALE 2 Cependant,silessimulateursnumriquestemps-relprsententdesavantages indniablespourlestestdecertainsquipements,ilexistedescasolessimulationstemps-reldemeurenttrsdlicates.Cesquipementsposantproblmessontdanscettethsedes contrleursdedispositifsbasedlectroniquedepuissanceModulationdeLargeur dImpulsions(MLI).Lebutprincipalfixdanscettethseatdeconcevoirunbanc exprimental temps-rel pour tester des contrleurs en temps-rel avec des frquences de dcoupagedelordredeladizainedekilohertz.Cardanscecontexte,lestudeslesplus rcentes montrent clairement que les tests temps-rel ces contrleurs MLI sont limits des frquencesdedcoupageinfrieures4kHz[ABO03],[CHA04],[DIN04],[DUF04],et [LIA05].Leproblmemajeurestquedanscecasdefigure,lasimulationtemps-relest difficilement envisageable, compte tenu des trs faibles priodes de dcoupages des MLI par rapportauxpasdetempsfixesrelativementimportantsdessimulateursnumriquestemps-rel.Lesapplicationsretenuespourlestudesralisesdanscettethseonttoutescomme baselonduleurdetensiontriphaspourlerseaudedistributiondesfrquencesde dcoupage de lordre du kHz. Le chapitre I ralise une introduction sur les applications de llectronique de puissance ddis au rseau avec une attention particulire londuleur de tension triphas. LechapitreIIdonneuntatdelartsurlasimulationtemps-rel.Lesprincipesde fonctionnementetlescaractristiquesdessimulateursnumriquestemps-relysont approfondis. LechapitreIIIprsenteralesdiffrentesmodlisationspourlesdispositifs dlectroniquedepuissance.Lescritresdechoixdelamodlisationlamieuxadapteau temps-relserontdfinis.Desmodlesdesystmesbasedonduleursdetensionseront raliss.Puisfinalementserontmisesenavantlesmthodesthoriquesdveloppesdans cette thse et qui permettent la simulation temps-rel de contrleurs de systmes dcoupage moyenne frquence. LechapitreIVseraconsacrauxvalidationspardessimulationshorstemps-reldes modlesdveloppsdanslechapitreIII.Uneattentionparticulireseraapporteauxeffets dusaupasdetempsdesimulationfixedessimulateursnumriquestemps-reletde linfluence de la valeur de ce pas de temps sur la prcision des modles tablis. Le chapitre V dbutera par la prsentation du banc dessais conu et ralis. Suivront la validation exprimentale des mthodes thoriques pour la simulation temps-rel de dispositifs de contrle et de tests en temps rel dun gnrateur olien physique. Une conclusion gnrale clturera ce mmoire et des annexes viendront approfondir certains aspects. CHAPITRE I Londuleur de tension dans le rseau de distribution CHAPITRE I......................................................................................................................................................... 3 I.1 INTRODUCTION .............................................................................................................................................. 3 I.2 LONDULEUR DE TENSION POUR LE RESEAU................................................................................................... 3 I.2.1 Les systmes de compensation .............................................................................................................. 4 I.2.1.1 La qualit dnergie dans les rseaux...............................................................................................................4 I.2.1.2 Classement par type de connexion...................................................................................................................5 I.2.1.3 La connexion shunt ..........................................................................................................................................5 I.2.1.4 La connexion srie...........................................................................................................................................9 I.2.1.5 La connexion srie et shunt............................................................................................................................11 I.2.2 Les systmes dinterfaage.................................................................................................................. 12 I.2.2.1 Gnralits .....................................................................................................................................................12 I.2.2.2 Cas des gnrateurs oliens............................................................................................................................14 I.3 REPRESENTATION VECTORIELLE DE LONDULEUR TRIPHASE ....................................................................... 15 I.4 COMMANDES MLI DES ONDULEURS DE TENSIONS ....................................................................................... 19 I.4.1 La MLI intersective ............................................................................................................................. 19 I.4.1.1 La MLI intersective Sinus avec porteuse triangulaire....................................................................................20 I.4.1.2 La MLI intersective avec injection dharmonique de rang 3..........................................................................21 I.4.1.3 La MLI intersective avec porteuse alatoire ..................................................................................................22 I.4.2 La MLI vectorielle............................................................................................................................... 24 I.4.2.1 Calcul des temps dapplications des vecteurs ................................................................................................24 I.5 CONCLUSION................................................................................................................................................ 30 CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 3I.1 Introduction Londuleur de tension est largement utilis dans le rseau lectrique de distribution pour de nombreuses applications. Afin de tester en temps-rel les dispositifs contrlant londuleur de tension, et aussi de connatrelesapplicationspouvanttretudiesaveclebancdessaispourletemps-rel dvelopp dans le cadre de cette thse, il a t ncessaire au pralable dtablir un tat de lart des principales applications base donduleur de tension connectes au rseau. Certaines des applications prsentes dans ce chapitre seront alors modlises (Chapitre III) puis valides (Chapitre IV) et enfin testes en temps-rel (Chapitre V). La premire partie de ce chapitre va prsenter les applications de londuleur de tension pour le rseau de distribution, son principe de fonctionnement, ses applications, ainsi que les types de connexions au rseau. Lundesobjectifsdutravailprsenticitantletestdecontrleursdonduleurde tension, la partie qui suivra traitera de la reprsentation vectorielle des tats de londuleur, qui sera ensuite utilise dans le dernier paragraphe de ce chapitre comme base pour ltude de la MLI vectorielle. Danscettedernirepartieserontdtaills :lesprincipalescommandesMLIde londuleur de tension, le principe dlaboration des ordres de commandes des interrupteurs de puissance de londuleur ainsi que les intrts de chacune des MLI prsentes. I.2 Londuleur de tension pour le rseau Ilexistedansladistributionlectriquedeuxgrandesfamillesdapplicationsbasessur la structure onduleur de tension triphas. Dune part, les systmes dits D-FACTS (Flexible AC Transmission System ddis au rseau de Distribution) et dautre part, les interfaces pour la connexion au rseau de producteurs dnergie dcentraliss. Compte tenu des tensions et des puissances mises en jeu dans le rseau de distribution, ilestpossibledutiliserdessemi-conducteursdepuissanceadaptsquipuissentcommuter desfrquencessignificatives.Lesconvertisseursdellectroniquedepuissance(EP)quien dcoulent permettront, via une MLI donne, de poursuivre des formes dondes plus fines donc douvrirunchampdapplicationspluslargequelessystmesEPddisaurseaude transport.Cesformesdondesplusfinesproduitesparlesconvertisseursconsidrsouvrent par exemple la voie la rjection dharmoniques (filtrage actif) aussi bien qu linjection de courants ou de tensions plus propres au rseau (redressement prlvement sinusodal...). CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 4DufaitdesfrquencesmisesenjeuetdeladisponibilitdinterrupteursEP bidirectionnels en courant (avec une diode en anti-parallle), la structure onduleur de tension setrouvenaturellementsollicitepourlaplupartdesapplicationsEPliesladistribution. Parailleurs,londuleurdetensionaunefortepropensionchangerdefonctionnalit simplement par une adaptation de sa commande. Il pourra ainsi faire fonction de filtre actif de courantetenmmetemps,decompensateurderactifdansuneconfigurationshuntou encore,danslecassrie,faireofficedecompensateurdecreuxdetension,defiltreactifde tension ou encore de rgleur dimpdance de ligne... Toutefois, du point de vueapplicatif, il est dusage de sparer les applications entre compensation et interfaage. I.2.1 Les systmes de compensation La multiplicit des charges et sources perturbantes dune part et dautre part, la prsence de charges sensibles et/ou critiques amnent revisiter la notion de fourniture de tension. Il en adcoulleprincipedelaqualitdelnergiedupointdevueduconsommateur(nomme dabord PowerQuality [MAR88],[WAG90]etensuite CustomPower [OSB95], [SUN 94], [SAB 03]). I.2.1.1 La qualit dnergie dans les rseaux Le terme de qualit dnergie est largement utilis lorsque des phnomnes perturbants sont prsents sur le rseau lectrique. La dtrioration de la qualit de lnergie sur le rseau peut avoir plusieurs causes et effets [OLI 00], [ETX 03], comme par exemple : -leschargesayantunfacteurdepuissancetropbas.Letransitinutilednergie ractivesurleslignespeutalorsaugmenterfortementlespertesenligneset faire chuter la tension aux noeuds de raccordement des charges ; -leschargesnon-linaires,commeparexemplelesredresseursdiodes.Les harmoniquesabsorbsougnrsacclrentlevieillissementdecertains matriels, perturbent les systmes de contrle... ; -lesdsquilibresencourantet/ouentensiondufaitdundsquilibrede charges :provoquentparexempledanslesmachinestournantesdeschamps tournants inverses produisant des couples parasites ; -lestransitoiresrapidesessentiellementprovoquspardesenclenchements dclenchements de charges (ou de compensateurs) et de manoeuvre ; -lescreuxdetensionquipeuventavoirpouroriginelerseauamont(court circuits,foudre)ouaval(dmarragedegrossesmachines...).Laprofondeurdu creux peut aller jusqu 90% de la tension et durer dun demi cycle 30 cycles. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 5Les creux de tension sont pour les rseaux industriels la cause dune majorit de pannes.Il existe des solutions prventives et curatives aux problmes de la qualit de lnergie. Dessolutionsprventivesvontverslimmunisationdescharges(alimentationrgule), dautresversleconfinementdessourcesperturbantes(loignementlectriquedessources perturbantes des charges sensibles) et certaines vers la conversion propre (redressement prlvementsinusodal).Lessolutionscurativessinsrentdansdesarchitecturesdj existantesetsebasentsurlacompensation(filtragespassifset/ouactifs,compensationde ractif...) I.2.1.2 Classement par type de connexion Lessystmesbasedlectroniquedepuissancepeuventtreconnectsaurseauen srie ou en shunt et peuvent utiliser un mode de compensation actif ou passif [BAC 05]. Selon leurmodedeconnexion,ilssecomportentcommedessourcesdecourant(casshunt),ou comme des sources de tension (cas srie). Sils sont passifs, ils nchangent que de lnergie ractive avec le rseau et se comportent dans ce cas comme des impdances. Sils sont actifs, ils peuvent changer de lnergie active et ractive avec le rseau.Letableausuivantmontrelesapplicationsdessystmesenfonctiondeleurtypede connexion et du type de rseau. Type de connexionApplications Srie Rduction des creux et dsquilibres de tensions,compensation harmonique de tension,rglage dimpdances de lignes et de flux de puissance... Shunt Filtrage actif de courant, rglage de plan de tension,compensation de ractif, soutien de rseau,rduction de leffet de Flicker, quilibrage de charge... Tableau I-1 : Type de connexion et applications associes. I.2.1.3 La connexion shunt I.2.1.3.1 PrincipeLa connexion en shunt est ralise par le raccordement en parallle de londuleur de tension avec le rseau (Figure I-1). Gnralement un transformateur est utilis pour abaisser le niveaudetensiondurseauversdesniveauxacceptablespourllectroniquedepuissance utilise (contrainte de tenue en tension des composants). Une source dnergie connecte sur le bus continu de londuleur peut galement fournir de la puissance active au rseau. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 6 Rseau C VoOnduleur AC DC Source dnergie Figure I-1 : Connexion shunt de londuleur au rseau. Lesystmeconnectenshuntpeuttrealorsreprsentparunesourcedecourant variable place en parallle avec le rseau, comme montr sur la figure ci-dessous. V1 V2IsLVI1I2 Figure I-2 : Reprsentation dune connexion shunt. LonduleurdetensionassocilaconnexionshuntestparabusdelangageappelD-STATCOM(DcommedistributionetSTATCOMpourSTATicCOMpensator).Labusde langagevientdufaitquelesfonctionsassuresdpassentlargementlerglagederactif. Originellement le STATCOM, ddi au rseau de transport, a t utilis pour la compensation de puissance ractive, le maintien dun niveau de tension par change de courant ractif avec lerseauetparfoispourlamortissementdecertainesoscillations[BES96].LeD-STATCOM, pour les rseaux de distribution, ralise les mmes fonctions que le STATCOM. Cependant, les frquences de commutations de ses interrupteurs de puissances (gnralement desIGBT)permettentdassurerdestrajectoiresdecourantpluslabores,ouvrantdoncdes possibilitspluslarges :filtrageactifdecourant,rglagedcoupldespuissancesactiveset ractives changes avec le rseau, etc... [ALV 00]. Lutilisationpourlacompensationdesperturbationssurlescourantscomme,par exemple :lesharmoniquesgnrsparunechargepolluante,maisaussipourcompenser indirectementdesperturbationsentensioncommelephnomnedeFlickerestgalement possible. Toutefois, les puissances apparentes en jeu limitent la frquence de commutation ce CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 7quifaitquelacompensationdesharmoniquesderangssuprieursau13imeharmoniqueest dlicate(unefrquencedecommutationcompriseentre10et15kHzestrequiseafinde compenser le 13ime harmonique [SON 98], [GAZ 05]).Onpeutciterceteffet,unD-STATCOMdunepuissancetotaledecompensationde 1000kVARquiatralisauJaponen2000(Saiko,compagnieTEPCO)pourla compensation de la chute de tension engendre par le re-pompage des eaux dun barrage. Le niveau de tension du rseau de distribution est de 6.6 kV et la frquence de dcoupage utilise estde6kHz.Cesystmeestconstitude3tagesdeD-STATCOMconnectsenparallle. Le constructeur de ce dispositif est Mitsubishi Electric. I.2.1.3.2 Applications en rgime sinusodal LecasgnraldelinjectiondecourantenrgimesinusodalestillustrparlaFigure I-3.Danscecas,levecteurcourantinjectaurseauparlonduleurpeutalorstreplacen module et en phase lintrieur du disque en pointills reprsent sur cette mme figure. Les possibles applications sont nombreuses : elles vont du rglage du plan de tension linjection contrle de puissance active et ractive en passant par la compensation de dsquilibres.Par exemple, le rglage de tension peut sillustrer par la figure ci-dessous dans laquelle, par action sur les composantes actives et ractives de Is, lamplitude de V2 est contrle. V1 I2 jLI2 jLIs V=jLI1 V2 Is Figure I-3 : Principe de la compensation shunt. Il est montr, dans le schma de contrle de la Figure I-4 qui suit, le rglage de tension unnoeudderaccordementvialecontrleducourantractifIsqseul(casparticulierdela Figure I-3 ci dessus). Le courant ractif gnr par le compensateur peut alors tre contrl de tellesortequelatensionV2soitmaintenueunevaleurdeconsigne.Celarevient compenserlachutedetensionenligneVdueaupassageducourantdansleslignes.Le courant actif Isd prlev, sert quant lui, rgler la tension du bus continu de londuleur. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 8Eref Isqref +-Correcteur E Voref Isdref +-VoGnration des ordres de commande de londuleur Is1,2,3 E1,2,3 Correcteur Vers les interrupteurs Figure I-4 : Schma dasservissement de la compensation dun niveau de tension rseau avec londuleur. I.2.1.3.3 Application en rgime non sinusodal Lecastypedapplicationenrgimenonsinusodalestlefiltrageactifdecourant (Figure I-5). RESEAU CHARGE Polluante Courant de ligne Courant inject Courant de la charge XIs EVs Onduleur de tension Figure I-5 : Principe de filtrage harmonique de courant avec londuleur en connexion shunt. Leprincipedefonctionnementestrelativementsimpledcrire :lescourants harmoniques (autres que le fondamental) gnrs par la charge polluante sont extraits, mis en oppositiondephaseetserventderfrenceauxcourantsgnrsparlonduleurdetension (FigureI-6).Lecourantrsultantctrseauestalorsgalsonfondamental(bienentendu dans le cas idal).CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 9E1,2,3 Iscomp Voref Isdref +-VoIs1,2,3 Extraction des harmoniques Ich Courants de charge - 1 Gnration des ordres de commande de londuleur Vers les interrupteurs Correcteur Figure I-6 : Schma dasservissement pour le filtrage harmonique avec londuleur. On remarquera que lesfigures des commandes de londuleur (FigureI-4 et FigureI-6) diffrent trs peu et que par ailleurs, le schma de connexion du convertisseur est identique. I.2.1.4 La connexion srie I.2.1.4.1 Principe La connexion en srie est ralise par le raccordement en srie de londuleur de tension aveclerseau(FigureI-7).Untransformateurdecourantestutilispourlisolation galvanique. Il est noter que lon peut se passer de ce dernier si trois onduleurs monophass sontutilissetassocischacununeligne.Contrairementlaconnexionshuntolaction seffectue sur le courant inject, la compensation se fait ici sur la tension injecte. Rseau C VoOnduleur ACDC Source dnergie Figure I-7 : Connexion srie de londuleur au rseau. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 10Dans le cas de laconnexion en srie, le systmede compensation estquivalent une sourcedetensionvariableplaceensrieaveclerseaucommeprsentsurlafigureci-dessous. V1 V2 LVRESEAU CHARGE I2 Vs Figure I-8 : Reprsentation dune connexion srie. La tension Vs peut alors tre contrle de telle sorte que la tension V2 soit maintenue une valeur de consigne. La compensation de la chute de tension en ligne V est naturellement possible,maislapplicationprincipaledanscecasdefigureestlaprotectiondelacharge contre dventuelles fluctuations de la tension du rseau (creux, pics, harmoniques...). I.2.1.4.2 Application en rgime sinusodal Enrgimesinusodal,levecteurdelatensionVsvolueenmoduleetenphase lintrieur du disque en pointills reprsent sur la Figure I-9. Pour une valeur de Vs donne, lamplitude de V2 pourra tre asservie une certaine rfrence si la tension du rseau fluctue momentanment. V1 I2 V=jLI2 V2 Vs Figure I-9 : Principe de la compensation srie. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 11Lapplication la plus caractristique de la connexion srie est le DVR (Dynamic Voltage Restorer).Le DVR est utilis pour la protection des charges sensibles face aux perturbations entensionprsentessurlerseaudedistribution.Lesprincipalesapplicationssont :la compensation des creux, des surtensions, des pics et des dsquilibres de tensions. Les temps deractionncessairescetypededispositifssontdelordredelamilliseconde[ALV00], les frquences de commutation ncessaires sont alors moins leves que pour les applications de type filtrage actif. RESEAU CHARGE Sensible Tension rseau (V1) Tension charge(V2) Tension injecte (Vs) Onduleur de tension Figure I-10 : Principe de compensation des perturbations de tension avec londuleur en connexion srie. I.2.1.4.3 Application en rgime non sinusodal Ilsagitduproblmedualdufiltrageactifdecourant,encesensolonrejetteles perturbationsharmoniquesvenantdurseauetce,viaunestructuresrie.Laprocdure dinjectiondecontre-harmoniquesdetensionsappuiesurleschmadelaFigureI-10ci-dessus.Ladiffrencersideradanslesfrquencesdedcoupagencessairesetdansdivers filtres passifs utiliss pour attnuer les harmoniques de dcoupage. I.2.1.5 La connexion srie et shunt Ce type de dispositif allie la fois les fonctions des compensateurs srie par injection de tension srie celles du D-STATCOM par injection shunt de courants. Il sagit du Dphaseur RgulateurUniverseldontlacronymeanglo-saxonestUPQC(UnifiedPowerQuality Conditionner)[HU00], [FUJ98].CecompensateurestbassurunearchitecturedeFACTS UPFC (Unified Power Flow Controller), mais adapt au rseau de distribution avec toutes les fonctionnalitssupplmentairesquiendcoulent.LeschmadelUPQCestdonnparla Figure I-11. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 12 CVoOnduleur / Redresseur AC DCRseauRedresseur / Onduleur DC AC Systme de stockage Figure I-11:Connexion srie et shunt de londuleur au rseau. Cependant, si ce systme prsente toutes les fonctionnalits requises pour la conduite du rseaudedistribution,ilnapasencorepntrlemarchdescompensateurspourdeux raisons : son cot relativement lev et labsence de besoin de runir toutes les fonctionnalits en un mme compensateur. I.2.2 Les systmes dinterfaage I.2.2.1 Gnralits Lessystmesdinterfacespermettentleraccordementdunesourcednergieprimaire aurseaudedistribution(FigureI-12).Cetteproblmatiquesuscitedenombreuxtravaux actuels aussi bien dans les domaines des convertisseurs que dans leurs systmes de contrles [MOG 05], [VAL 04], [LAV 05]. Un exemple de dispositif de production (Figure I-12) montre une interface de puissance pour le raccordement dune source dnergie primaire au rseau lectrique [GOM 05a]. Pour ce faire deux convertisseurs sont utiliss. Dune part le convertisseur dnergie primaire qui a pour fonction de convertir lnergie primaire en nergie lectrique (gnrateur olien, micro-turbine,panneauxphotovoltaques,pilescombustible(PAC),etc).Dautrepartle convertisseurdlectroniquedepuissancequiapourfonctionladaptationdesgrandeurs lectriques(tension,courant,frquence...).Unsystmedecommandepermetdassurerle contrle des grandeurs asservies, qui peuvent tre par exemple : loptimisation de la puissance extraite du dispositif, le contrle de grandeurs lectriques, mcaniques...CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 13 RESEAU CONVERTISSEUR A BASE DELECTRONIQUE DE PUISSANCE CONVERTISSEUR DENERGIE PRIMAIRE Pile combustible (PAC) panneaux photovoltaques, machine tournante (olien, micro-turbine)... SOURCE DENERGIE PRIMAIRE Energie hydraulique, thermique, olienne, solaire, nuclaire...Gnration desordres de commande des interrupteurs Commande du convertisseur dnergie Calage des pales dune olienne, rglage de lexcitation dune machine tournante, contrle du dbit des fluides... Commande du convertisseur lectrique Contrle de la tension du bus continu, des courants injects au rseau, de la tension au point de raccordement... Optimisation du point de fonctionnement Optimisation de la puissance extraite de la source dnergie primaire. Mesure de la tension, des courants injects... Mesure de la tension du bus continu, des courants... Mesure de la vitesse du vent, de lclairement... INTERFACE DE PUISSANCE Figure I-12 : Schma dun dispositif de production avec son systme de contrle et ses convertisseurs. Linterface de puissance a deux rles : -dunct,derespecterlescontrainteslieslaconnexionrseau :qualitdes courants injects, facteur de puissance, intgrer une partie des protections etc... ; -dun autre ct, dexploiter au mieux les possibilits du gnrateur : rendement maximalouextractiondumaximumdepuissancedisponibledelasource primaire(MPPT :MaximumPowerPointTracking),respectdescontraintes dexploitation, compensation des faiblesses dynamiques du gnrateur et de son intermittence ventuelle... Leconvertisseurbasedlectroniquedepuissancepeuttreconstitudunoude plusieurstagesdeconversion(deuxdanslecasdelaFigureI-13ci-dessous).Toutefois,le derniertage(Etage2)quiassurelaconnexionrseauestncessairementunonduleurde tensionqui,selon larglementation,peuttremonooutriphas.Ensusdecettefonctionde connexion,cetonduleurpeutassurerenpluslesfonctionnalitsduD-STATCOMsous condition de rserve de puissance apparente.CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 14 Rseau C VoEtage 2 ACDC DCDCou AC Etage 1 Gnrateur DC ou AC Figure I-13 : Interface base dlectronique de puissance pour la connexion dun producteur au rseau. I.2.2.2 Cas des gnrateurs oliens Laproblmatiquedecettethseadbordsurlasimulationtemps-relhybride. Lexemple pris ici est la gnration olienne du fait de son actualit, de la dimension et de la complexitdesmodlesetcommandesyaffrents.Selonletypedemachinegnratrice utilise, diffrentes interfaces dEP sont proposes.LEP permet lefonctionnement vitesse variable,ellepeuttransitertoutelapuissanceproduiteparlagnratriceouseulementune partie (cas de la machine asynchrone double alimentation). Le bus continu peut intgrer un systme de stockage pour faire face lintermittence de la source primaire et pallier dans certains cas des faiblesses de dynamique. La Figure I-14 montre une application de londuleur de tension pour un systme olien base de machine synchrone. Rseau CVoOnduleur AC DC DCAC MS Redresseur Figure I-14 : Interface base dlectronique de puissance pour la gnration olienne (cas de la machine synchrone). Lutilisationduntelsystmeestjustifiepouradapterlesfrquencesdescourants statoriquesdelamachinesynchroneceuxdurseau.Ainsiloliennepeutfonctionner vitesse variable. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 15LapplicationprsentesurlaFigureI-15estuneoliennebasedeMachine AsynchroneDoubleAlimentation(MASDA).Siunemachineasynchroneestdirectement coupleaurseau,alorssavitesseserapratiquementconstante.Unmoyendecontrledela puissanceextraitepeuttre,danscertainscas,lecalagedesplesdelolienne.Uneautre solutionestdutiliseruneMASDA,cequipermetunfonctionnementvitessevariable.Le dispositifpouvantfonctionnerenhypo-synchrone(transitdelapuissancedurseauversle rotor) ou en hyper-synchrone (transit de puissance du rotor vers le rseau). Rseau C VoOnduleur AC DC DCAC MASDA Redresseur ROTOR STATOR Figure I-15 : Interface base dlectronique de puissance pour la gnration olienne (cas de la machine asynchrone double alimentation). Dans chacune des applications prsentes, ltage onduleur connect du cot rseau peut aussi fonctionner en D-STATCOM, pour que le systme de production puisse participer aux services systmes.I.3 Reprsentation vectorielle de londuleur triphas Lerestedecechapitreseraconsacraucontrlerapprochdesinterrupteursformant londuleurdetension.Lesdeuxtechniques,scalaireetvectorielle,serontdcrites.Ce paragraphe est consacr la seconde technique de reprsentation. Pourraliserunereprsentationvectorielledelonduleur,unneutrefictifn0peut tre dfini comme rfrence des tensions du cot de londuleur (Figure I-16). Ce point neutre est cr par deux condensateurs fictifs de valeur C/2 reprsentant le condensateur rel du bus continu de londuleur de valeur C. On obtient ainsi les tensions Vs1n0, Vs2n0 et Vs3n0.CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 16Les tensions cot rseau : Vs1n, Vs2n et Vs3n sont alors rfrences par rapport au point neutredurseauncommereprsentsurlaFigureI-16.Poursimplifierlesnotations,les chapitres suivants utiliseront les notations Vs1, Vs2 et Vs3 pour Vs1n, Vs2n et Vs3n. Vo/2 Vo/2 Vs1n Vs2n Vs3n T1 T2 T3T5T4T6C/2 C/2 Vnn0 n0 n Vs1n0 Figure I-16 : Rfrences des tensions utilises pour la modlisation de londuleur de tension. La relation des tensionsrfrences parrapportaux points neutres n et n0 peuvent tre exprimes par les quations (I-1). + =+ =+ =0 nn n 3 0 n 30 nn n 2 0 n 20 nn n 1 0 n 1V Vs VsV Vs VsV Vs Vs (I-1) Les tensions simples des phases du rseau sont supposes triphases quilibres (I-2). 0 Vs31 iin ==(I-2) Ainsi, la tension entre les deux points neutres est dfinie par lquation (I-3). ( )0 n 3 0 n 2 0 n 1 0 nnVs Vs Vs31V + + = (I-3) Londuleurdetensiontriphaspeuttrecommandsuivant8possibilits.Chaque possibilit de commande correspond un tat de londuleur [ROY 00]. On obtient ainsi les 8 vecteurs dtats de londuleur prsents par la Figure I-17. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 17 Vo/2 Vo/2 Vs1n Vs2n Vs3n T1 T2 T3T5 T4T6 C/2 C/2 000 S0 =r Vo/2 Vo/2 T1T2T3T5T4T6C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 100 S1 =r Vo/2 Vo/2 T1 T2 T3T5 T4T6 C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 110 S2 =r Vo/2 Vo/2 T1T2T3T5T4T6C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 010 S3 =r Vo/2 Vo/2 T1 T2 T3T5 T4T6 C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 011 S4 =r Vo/2 Vo/2 T1T2T3T5T4T6C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 001 S5 =r Vo/2 Vo/2 T1 T2 T3T5 T4T6 C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 101 S6 =r Vo/2 Vo/2T1T2T3T5T4T6C/2 C/2 Vs1n Vs2n Vs3n 111 S7 =r Figure I-17 : Reprsentation des huit tats de londuleur de tension triphas deux niveaux. Par exemple, lorsque la commande 101 est applique sur londuleur, les transistors T1,T5etT4sontpassants.Ltat 6Srestalorsobtenu,cequicorrespondauxtensionsde sorties suivantes : Vs1n0 = +Vo/2 , Vs2n0 = -Vo/2, Vs3n0 = +Vo/2.EnconsidrantlesfonctionsdecommutationsdelonduleursUitellesquesiUi=+1 linterrupteur du haut de la phase i est passant et celui du bas bloqu. De mme, si Ui=-1 alors linterrupteur du bas de la phase i est passant et celui du haut bloqu, lquation (I-4) peut tre obtenue. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 182VU Vsoi 0 in= (I-4) La correspondance avec le vecteur dtat est obtenue grce lquation (I-5). { }3 2 1U ; U ; U S =r(I-5) Ainsi, le vecteur des tensions de londuleur peut tre dfini par lquation (I-6). ||.|

\|+ + = 34j0 n 332j0 n 2 0 n 1e Vs e Vs Vs k Vr(I-6) Pourlareprsentationvectoriellelechoixdek=2/3atadoptpourlaconservation desamplitudesdesgrandeurslectriques(tensionsetcourants).Lquation(I-7)peutalors tre dduite des quations (I-4) et (I-6). ||.|

\|+ + = 34j332j2 1oe U e U U3VVr(I-7) En utilisant lquation (I-6), lexpression du vecteur de tension rfrenc par rapport au point n peut alors tre dduit (quation I-8). ||.|

\|+ + = 34jn 332jn 2 n 1e Vs e Vs Vs32Vr(I-8) 1Vr2Vr3Vr4Vr5Vr6Vr7Vr0Vr Figure I-18 : Reprsentation des huit tats de londuleur sous forme vectorielle. Ilestainsipossibledeplacerlevecteurdestensionsensortiedelonduleurdans lhexagone prsent Figure I-18 en jouant sur les fonctions de commutations.CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 19Dans le cas dune commande dite pleine onde chaque interrupteur de londuleur est passantpendantunemoitidelapriodedurseau(FigureI-19).Levecteurdestensions passe alors, chaque sixime de priode, sur un des sommets de lhexagone. ttttt 0 n 1Vs0 n 2Vs0 n 3Vs1Vr2Vr3Vr4Vr5Vr6Vr1Vr0 nnV-Vo/6 +Vo/6 -Vo/2 +Vo/2 -Vo/2 +Vo/2 -Vo/2 +Vo/2 n 1Vs+Vo/3 +2Vo/3 -Vo/3 -2Vo/3 T/6 0T/3T/2 2T/3 5T/6 T7T/6 Figure I-19 : Vecteurs dtats pour la commande en pleine onde de londuleur de tension. I.4 Commandes MLI des onduleurs de tensions I.4.1 La MLI intersective LobjectifdelacommandeMLIestdediminuerlesharmoniquesprsentsdansles courantsgnrsparlonduleur.Leprincipeestdecomparerunsignaltriangulaireappel porteuse qui dtermine la priode de dcoupage une modulante dont le fondamental est la frquence du rseau. Le rsultat de cette comparaison est le signal MLI qui est utilis comme fonctiondecommutationpourcommanderlesinterrupteursdelonduleur.Cettemthode permet dobtenir, de faon simple, les temps de conduction de chaque transistor.Lintrt decette mthode est dobtenir, durantune priode de dcoupage, une tension ensortiedelonduleurdirectementproportionnellelavaleurdelamodulanteutilise(Cf. Chapitre III III.3.3.4.2). PlusieurstypesdeMLIintersectivessontutiliss.Onpeutciterparexemple,laMLI intersective sinus avec porteuse triangulaire, la MLI avec injection dharmonique de rang 3, la MLI avec une porteuse alatoire... CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 20I.4.1.1 La MLI intersective Sinus avec porteuse triangulaire De part sa simplicit de mise en oeuvre et de sa fiabilit, cette MLI a t lune des plus utilises avant le dveloppement de systmes numriques ddis. Le principe dlaboration de la MLI intersective est prsent sur la Figure I-20. Figure I-20 : Principe dlaboration de la MLI intersective. La modulante est dfinie comme suit avec r pour le coefficient de rglage : ) t sin( r ) t ( + = (I-9) Danslefonctionnementnormal,lamplitudedelamodulanternedoitpasdpasser lamplitude de la porteuse. Cependant la valeur de r est en pratique limite, car r dtermine la dure de conduction minimale des interrupteurs de puissance [ROY 00]. Danslesapplicationsolonduleurdetensionestconnectaurseau,lafrquencedu fondamentaldelamodulanteestaussicelledesfondamentauxdestensionsensortiede londuleur : ainsi sa valeur est fixe (frquence du rseau).Lindice de modulation m, dfini par lquation (I-10), permet de fixer la frquence de commutation (ou frquence de dcoupage) des interrupteurs de puissance. 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Temps (s)AmplitudePorteuseModulanteMLI(p.u.) CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 21modulante la de Frquenceporteuse la de Frquencem = (I-10) Si m = 1, on retrouve un cas de fonctionnement proche de la commande en pleine onde (Figure I-19).Le contenu harmoniquedes courants tant relativement basse frquence par rapportau fondamental,lesmoyensdefiltragemisenoeuvredoiventtretrsconsquents.Aussi,le choixdunevaleurdemlevesimposepourquelecontenuharmoniqueducourantsoit repoussversleshautesfrquences.Celapermetdefaciliterlefiltrageetdendiminuersa taille et ses cots.Il faut cependant bien noter quil nest pas possible daugmenter la valeur demindfiniment.Eneffet,lesinterrupteursdepuissanceontuntempsdemiseenethors conductionlimit.Deplus,lespertesparcommutationaugmententaveclafrquencede dcoupage. Ainsi, il faut trouver un compromis entre la taille du filtre utilis et les pertes par commutation.Enrglegnrale,pluslonduleurestdefaiblepuissanceetplussafrquence de commutation peut tre importante. I.4.1.2 La MLI intersective avec injection dharmonique de rang 3 LescomposanteshomopolairesprsentesdanslestensionsVsin0neseretrouventpas dans les tensions en sorties de londuleur Vsin si le neutre de londuleur n0 nest pas raccord auneutredurseaun.Ainsi,ilestpossibledintroduiredesharmoniquesdordre3et multiples dans les modulantes sans dformer les tensions Vsin (Cf. Chapitre III III.3.3.4.2). Lobjectifdelinjectiondecomposanteshomopolairesestdaugmenterlamplitudede latensionensortiedelonduleur.Leprincipeestdegnrerunemodulantedfiniepar lquation (I-11). ) t 3 sin( . k . r ) t sin( . r ) t (3 + = (I-11) Lavaleurrmaxestalorscalculepourobtenirlamplitudemaximaledesfondamentaux des tensions de londuleur sans que lamplitude de la modulante ne dpasse lamplitude de la porteuse.Lamplitudemaximaledelatensionentre-phasesestgalelatensiondubus continu Vo.Lquation (I-12) peut alors tre dduite de lquation (I-11). 2V. r3VVs0max0max crte in= =(I-12) Soit :155 . 132rmax = (I-13) CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 22La valeur du deuxime coefficient de rglage est alors dduite (quation I-14). 6 / 1 k . r3 max (I-14) Figure I-21 : Ajout de composantes homopolaires dans les modulantes (harmonique de rang 3). Lafigureci-dessusmontrequelamplitudedufondamentaldelamodulanteat augmente dun rapport de3 / 2par rapport la MLI classique. I.4.1.3 La MLI intersective avec porteuse alatoire Les MLI alatoires ont pour principal objectif de rduire les bruits acoustiques dans les machineslectriques(effetsdemagntostrictionsurlescircuitsmagntiques : transformateurs,machinestournantes,inductancesdefiltrage)etlesinterfrences lectromagntiques avec les autres systmes [WAN 90].Pourcela,lespectreharmoniquedelaMLIalatoireesttalsurunebandede frquence plus importante que pour la MLI classique.Dans le cas de la MLI classique (Figure I-22), les raies frquentielles des harmoniques autresquelefondamentalsontgroupesauxfrquencesmultiplesdelafrquencede dcoupage de la MLI. 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1.5-1-0.500.511.5Temps (s)AmplitudeModulante classique sans harmonique 3 Fondamental de la modulante avec harmonique 3 Modulante avec harmonique 3(p.u.) CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 23 Figure I-22 : Analyse spectrale dune MLI classique avec une frquence de dcoupage de 1kHz. Dans le cas de la MLI alatoire (Figure I-23 ci-dessous), le spectre est rparti sur toute la bande de frquence. Figure I-23 : Analyse spectrale dune MLI alatoire avec une frquence de dcoupage de 1kHz. (p.u.) (p.u.) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1-0.500.51Temps (s)Amplitude0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 2000000.20.40.60.8Frquence (Hz)Amplitude(p.u.) (p.u.) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1-0.500.51Temps (s)Amplitude0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 2000000.20.40.60.8Frquence (Hz)AmplitudeCHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 24LesMLIalatoirespeuventtrelaboresdediffrentesmanires.Dunepart,pourla MLI intersective, on peut utiliser une modulante alatoire [CAP 02] ou une porteuse alatoire. Dautre part, pour la MLI vectorielle, la priode dchantillonnage est alatoirement modifie. Exemple de la MLI intersective porteuse alatoire : Figure I-24 : Elaboration de la MLI intersective avec porteuse alatoire. Surlafigureprcdente,lespentesdelaporteusesontgnresdefaonalatoire.Il fautremarquerquelapriodedelaporteusenestplusconstante,etcestlaraisonpour laquelle, le spectre est tal sur une bande plus large. I.4.2 La MLI vectorielle LaMLIvectorielle(enanglais :SpaceVectorModulation)diffredesmthodes prcdentes par le fait que les signaux de commandes sont labors en tenant compte de ltat destroisbrasdelonduleurenmmetemps(contrleduvecteurdtatdelonduleur). Lobjectifducontrlevectoriel estdegnrerdestensionsaussiprochesquepossibledune rfrence refVr que lon fixe. Si ces rfrences sont sinusodales triphases quilibres, alors le vecteurderfrencetourneraunevitesseconstanteetsonmodulesuivraunetrajectoire circulaire.I.4.2.1 Calcul des temps dapplications des vecteurs Le vecteur tension de contrle refVr est approch, sur la priode de modulation TMLI, par un vecteur de tension moyen Vr labor par application des vecteurs d'tat de l'onduleur kVr (p.u.) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Temps (s)AmplitudePorteuse alatoireModulanteMLI alatoireCHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 25et 1 kV+r adjacents pendant les temps kT , 1 kT+ respectivement et des vecteurs nuls 0Vr pendant 0 0T ) k 1 ( et 7Vr pendant 0 0T k (Figure I-27). Les signaux de commandes MLI vont donc permettre de recreren valeur moyenne sur unepriode TMLI un vecteur tension gal celui dfini comme rfrence.Par ailleurs, le vecteur tension de rfrence refVr est chantillonn lafrquencefMLI=1/TMLI.Lavaleurchantillonne n ref) V (restensuiteutilisepourrsoudre les quations (I-15). ( ))`+ + + = = ++2 T k072 T ) k 1 (00T01 kT0kMLIn n ref0 0 0 0 1 k kdt V dt V dt V dt VT1V Vr r r r r r(I-15) Avec0 V V7 0r r r= =: ( ) ( )1 k 1 k k ken n refV . T V . TT1V V+ ++ = =r r r r(I-16) ( )1 k k MLI 0T T T T++ = (I-17) T0 est le temps d'application des vecteurs nuls. I.4.2.1.1 Exemple de ralisation du vecteur moyen : Dans cet exemple, le vecteur moyen peut tre ralis partir des vecteurs 1Vr et 2Vr et parlesvecteursnuls 0Vret7Vr.Lestempsdapplicationdesdiffrentsvecteurssontalors calculs pour sapprocher le plus possible du vecteur de rfrence. De nombreux algorithmes, qui ne seront pas dtaills ici, permettent de calculer les temps de conduction des interrupteurs [GUI 98]. 1Vr2Vr Vr7Vr0Vr2MLI2VTTr1MLI1VTTr Figure I-25 : Reprsentation du vecteur de tension moyen de londuleur. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 26I.4.2.1.2 Dfinition de la squence temporelle de vecteurs d'tat La squence temporelle de vecteurs d'tat applique est celle montre sur la Figure I-26 avec un choix possible priori dans la rpartition des vecteurs nuls, illustr par le paramtre k0. Cette squence permet de rpondre aux contraintes : -sur les harmoniques. Levecteur d'tat kVr doit tre le plus proche possible de la rfrence n ref) V (r ; -sur la frquence de commutation. Ilestintressantderduire,sipossible,lenombredecommutationsdechaquebras. Parmi les 2 vecteurs adjacents, il y a toujours : Un vecteur dtat impair : Un vecteur dtat pair : ( ) 0 , 0 , 1 V1 r( ) 0 , 1 , 1 V2 r ( ) 0 , 1 , 0 V3 r( ) 1 , 1 , 0 V4 r ( ) 1 , 0 , 0 V5 r( ) 1 , 0 , 1 V6 r En dfinissant judicieusement les transitions possibles entre deux tats delonduleur il est possible de minimiser le nombre de commutations des interrupteurs de londuleur. Un bras ne commute alors que deux fois pendant la priode TMLI.7Vr0Vr3Vr 2Vr4Vr 1Vr 6Vr5Vr Figure I-26 : Graphique montrant les transitions entre les diffrents tats de londuleur permettant de minimiser les commutations. I.4.2.1.3 Exemple de la MLI vectorielle asynchrone CetteMLIestqualifiedasynchronecarlafrquencedeMLIestasynchronepar rapport la frquence des fondamentaux. La frquence MLI est fixe contrairement la MLI CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 27synchrone ou la frquence MLI varie suivant la frquence des fondamentaux (MLI utilise en traction lectrique [PEL 96]). La Figure I-27 montre une squence dapplication des vecteurs : 0VrimpairVrpairVr7Vr7VrpairVrimpairVr0Vr(1-k0)T0 Timpair Tpair k0T0 k0T0 Tpair Timpair (1-k0)T0 TMLI/2TMLI/2 Figure I-27 : Principe dlaboration de la MLI vectorielle asynchrone. LafrquencedecommutationestgalefMLI.ChaquepriodedemodulationTMLIest divise en deux demi-priodes TMLI/2 symtriques. Le Tableau I-2 montre le cas ou k0=1/2 : Vecteurs appliqus V0V1V2V7V7V2V1V0V0V3V2V7V7V2V3V0V0V3V4V7V7V4V3V0 Temps dapplication 2T01T2T2T0 2T0 2T1T2T02T03T2T2T02T02T3T2T02T03T4T2T0 2T0 4T3T2T0 Zone i123 Vecteurs appliqus V0V5V4V7V7V4V5V0V0V5V6V7V7V6V5V0V0V1V6V7V7V6V1V0 Temps dapplication 2T05T4T2T0 2T0 4T5T2T02T05T6T2T02T06T5T2T02T01T6T2T0 2T0 6T1T2T0 Zone i456 Tableau I-2 : Application des vecteurs dtat suivant la zone de lhexagone. 1Vr2Vr3Vr4Vr5Vr6Vr7Vr0VrZONE 1 ZONE 2 ZONE 3 ZONE 4 ZONE 5 ZONE 6 Vr Figure I-28 : Dfinition des zones dtats dans lhexagone. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 28Ainsi,pourlazone1,laconstructiondelaMLIvectorielleasynchroneseffectue comme prsent sur la figure suivante. 0Vr1Vr2Vr7Vr7Vr2Vr1Vr0Vr(1-k0)T0 T1 T2 k0T0 k0T0 T2 T1 (1-k0)T0 TMLI/2TMLI/2 U1 U2 U3 +1 -1 +1 -1 +1 -1 Figure I-29 : Principe de la gnration de la MLI vectorielle partir des vecteurs dtats. Leparamtrek0estundegrdelibertsupplmentairedelaMLIvectorielle.Ce paramtre peut tre utilis pour rduire les pertes dans londuleur en diminuant le nombre de commutationsdesinterrupteurs[CAP02].Cependant,lavaleuroptimaleestdek0=0.5pour rduirelesharmoniquesdecourantgnrsparlonduleur(critreprpondrantpourles applications rseau). Exemple de MLI vectorielle pour k0=0.5 : 2V VVinf supnn0+ = (I-18) Avec : ( )cn bn an supV , V , V Sup V =(I-19) ( )cn bn an infV , V , V Inf V = (I-20) Les modulantes numriques (obtenues par le calcul des temps de conductions) et la MLI vectorielle peuvent alors tre reprsentes sur les Figure I-29 et Figure I-30.Lamplitudemaximaledestensionsdesortiepeuttrecalculeenconsidrantquela modulantevectorielleunecomposantehomopolaire(signaltriangulaireFigureI-30) damplitudegale0,25p.u..Lefondamentaldutriangleaalorsuneamplitudede2/2p.u. CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 29qui est ajout lamplitude du fondamental de la modulante sans composante homopolaire (1 p.u.). Figure I-30 : Exemple de modulante obtenue avec une MLI vectorielle asynchrone avec k0=0.5. Figure I-31 : Exemple de MLI vectorielle asynchrone avec k0=0.5. Lien entre lamodulante et la MLI vectorielle. 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Temps (s)AmplitudeModulante vectorielle avec harmonique de rang 3Composante homopolaire de la modulante vectorielleModulante classique sans harmonique de rang 3+0.25-0.25(p.u.) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Temps (s)AmplitudeModulante vectorielleMLI vectorielle(p.u.) CHAPITRE I : Londuleur de tension dans le rseau de distribution 30Ainsi le tableau suivant comparant les MLI prsentes peut tre ralis. Type de MLIAmplitude maximale du fondamental de la tension en sortie de londuleur MLI en pleine onde ooV 637 . 02V 4 MLI vectorielle oo2V 601 . 02V12 |.|

\|+ MLI sinusodale avec harmonique 3 ooV 583 . 02V161 |.|

\|+MLI sinusodale ooV 5 . 02V Tableau I-3 : Comparaison des diffrentes MLI en fonction de lamplitude de la tension en sortie de londuleur. La MLI en pleine onde donne lamplitude de tension en sortie de londuleur maximale pourunetensiondubuscontinudonne.Cependantlecontenuharmoniquedescourantsest tropimportantpourlesapplicationsrseau.AinsilemeilleurcompromisestlaMLI vectorielle,maisquidoittreraliseobligatoirementsurunmicrocontrleurpourlecalcul numrique des temps de conductions. I.5 Conclusion Ce chapitre a effectu un tat de lart pour des applications reprsentatives de londuleur de tension ddi au rseau de distribution ainsi que lescommandes prochesgnres par les contrleurs pour piloter les interrupteurs de puissance. La suite de ce rapport soriente vers les dispositifs utilisant la connexion shunt. Ainsi, le D-STATCOM sera modlis dans le chapitreIII, puis son modle valid dans le chapitreIV et son contrleur MLI test en temps-rel dans le chapitre V. Les applications type interfaces qui ont t retenus sont :-un systme olien base de machine synchrone a t modlis dans le chapitre III, puis son modle valid dans le chapitre IV ; -unsystmeolienbasedemachineasynchronedoublealimentationat testlorsdunesimulationtemps-relhybride.Lesrsultatsserontprsents dans le chapitre V. Le chapitre suivant va traiter de laspect temps-rel pour le test dquipements rseau. CHAPITRE II La simulation temps-rel CHAPITRE II ..................................................................................................................................................... 31 II.1 INTRODUCTION........................................................................................................................................... 31 II.2 LASPECT TEMPS-REEL ............................................................................................................................... 31 II.3 LES GRANDES CLASSES DE SIMULATEURS TEMPS-REEL............................................................................... 33 II.3.1.1 Les simulateurs temps-rel analogiques .......................................................................................................34 II.3.1.2 Les simulateurs temps-rel numriques........................................................................................................35 II.3.1.3 Les simulateurs temps-rel hybrides.............................................................................................................36 II.4 LES SIMULATEURS NUMERIQUES TEMPS-REEL ............................................................................................ 38 II.4.1 Le fonctionnement des simulateurs numriques temps-rel............................................................... 38 II.4.1.1 Mthodes dintgration des lments du rseau pour le temps-rel..............................................................38 II.4.1.2 Principe des mthodes dintgration utilises en temps-rel.........................................................................38 II.4.1.3 Rsolution des quations du rseau ..............................................................................................................42 II.4.1.4 Le paralllisme .............................................................................................................................................43 II.4.2 Le simulateur temps-rel numrique ARENE URT............................................................................ 44 II.5 PROBLEMATIQUE DE LA SIMULATION NUMERIQUE TEMPS-REEL ................................................................. 46 II.5.1 Relation entre le pas de temps et la taille de la simulation................................................................ 46 II.5.2 Problmatique du choix du pas de temps........................................................................................... 47 II.5.3 Problmatique de la simulation de dispositifs base dlectronique de puissance........................... 48 II.5.3.1 Les algorithmes de dtection des commutations...........................................................................................48 II.5.3.2 Lchantillonnage des signaux en entre du simulateur................................................................................49 II.6 CONCLUSION .............................................................................................................................................. 54 CHAPITRE II : La simulation temps-rel 31 II.1 Introduction Un simulateur temps-rel est un trs bon outil pour tester unquipementrel dans son environnementrseau.Cependant,lessimulateurstemps-rel prsententdeslimitationspour letestdecertainsquipements,commeparexemple :lesconvertisseursdlectroniquede puissance(Cf.ChapitreI).Cechapitretraiteradecessimulateurstemps-rel,deleurs contraintesetlimitationsainsiquedelaproblmatiquedestestsentemps-relde convertisseurs base dlectronique de puissance. Lapremirepartiedecechapitretraiteradelaspecttemps-reletdesdiffrences fondamentalesentrelessimulateursdits horstemps-rel et temps-rel .Lesecond paragraphe effectuera un tat de lart sur les diffrents types de simulateurs temps-rel utiliss danslemonde.Puisdansletroisimeparagrapheseraprsentlefonctionnementdes simulateursnumriquestemps-rel :leursmthodesdintgrationetlestechniques spcifiquesutilisespourlasimulationtemps-rel.Lecinquimeetdernierparagraphe dvelopperalesproblmatiquesdessimulateurstemps-reletplusparticulirementdela problmatique de la simulation en temps rel de dispositifs base dlectronique de puissance pour lapplication de tests de contrleurs MLI (Cf. Chapitre V). II.2 Laspect temps-rel Lessimulateursddisaurseaupeuventtreclasssendeuxgrandesfamilles,les simulateurs dtude et les simulateurs temps-rel.Les simulateurs dtude servent en gnral la conception dquipements, aux rglages de systmes tels que les boucles dasservissement et lanalyse de phnomnes transitoires ou dynamiquestelsqueceuxcaussparlescourts-circuitsoulesenclenchementsdecharge. Lobjectifdecetypedesimulationestdobtenirlersultatleplusprcispossibleenun minimumdetemps.Onpeutciterquelquesexemplesdecetypedesimulateurspourles tudes de rseau : EMTP, EUROSTAG, ARENE PCNRT. Pour les tudes de systmes base dlectronique de puissance : SPICE et multi-physiques : MATLAB / SIMULINK, SABER... Cetypedesimulateurpeututiliserunpasdetempsvariable(FigureII-1).Lepasdecalcul sadaptealorsladynamiquedesgrandeurssimulesetpeutchangerlorsdelasimulation pour grer les disparits dynamiques pouvant apparatre [GER 98].CHAPITRE II : La simulation temps-rel 32 t Horloge pas de temps variable Figure II-1: Principe d'adaptation du pas variable. Les simulateurs temps-rel doivent, quant eux, reproduire le plus fidlement possible lecomportementdunsystmephysique.Ilestainsipossibledeprsenterunquipement lectriquedesphnomnesoudesvnementstelsquillespercevraitdanslaralit. Lobjectif du simulateur temps-rel est de tester des quipements dans des conditions les plus naturellespossibles :commesiceux-citaientconnectsauxvraissystmesphysiquesleur tant associs. Ce type de simulateur subit donc une contrainte forte appele contrainte temps-relquiestlerespectdutempsimposparlesloisrgissantlesphnomnesconcerns. Aussi,lessignauxchangsentrelesimulateuretlesystmetestdoiventtresynchroniss parrapportunehorlogetemps-rel.Celancessitelerecoursunpasdetempsde simulation fixe qui ne peut voluer dans le temps (Figure II-2). Contrairement aux simulateurs dtude, le temps que dure une simulation est rigoureusement le temps rel physique. On appellera simulation temps-rel le processus dinteraction ralis par le simulateur temps-rel sur lquipement test. t Pas de temps fixe (PT) Horloge temps-rel Figure II-2: Principe du pas fixe. CHAPITRE II : La simulation temps-rel 33 II.3 Les grandes classes de simulateurs temps-rel Un simulateur temps-rel ddi la simulation de rseaux lectriques peut tre amen tester des quipements tels que : -lessystmesdeprotectiondedfauts.Ilspermettentdedtecterle franchissementdeseuilsdetensionsetdecourantsquilscontrlent(relaisde protections,indicateursdepassagededfauts...).Encasdedfaut,unsignal dinformation ou de dclenchement peut alors tre gnr ; -les systmes de rgulation. Par exemple, les systmes permettant de contrler la tensionenunpointdurseauparlinjectiondnergieractive(excitationdes alternateurs...).Lessystmespermettantdergulerlafrquenceparactionsur lapuissanceactiveinjecteaurseau(producteursdnergie,vitessedes alternateurs...) ; -les systmes lectriques de puissance. Dans ce cas, il faut amplifier les signaux ensortiedusimulateurpourtesterlesquipementsenpuissance.Ilfautalors quelescaractristiquesdelamplificateurdepuissancesoientenadquation avec lquipement test (linarit, rversibilit, caractristiques lectriques...) ; -les systmes de contrle de dispositifs base dlectronique de puissance. Pour le rseau de transport : FACTS (TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitors, UPFC...[BES96]).Pourlerseaudedistribution :D-FACTS(D-STATCOM, DVR,UPQC...)etlessystmesdinterfaagedeproducteursdnergie (systmesoliens,photovoltaques...).Danscecas,lessignauxenentredu simulateursontlesordresdecommandesdesinterrupteursdlectroniquede puissance en tout ou rien {0 ; 1}, fortement discontinus. Pour raliser ces tests, un simulateur temps-rel est trs bien appropri car il permet de tester lquipement dans des modes de fonctionnement classiques mais aussi dans des modes perturbs.Desperturbationspeuventtreralisesductdelasimulation :danslexemple delasimulationdunrseaulectriqueviadesenclenchementsdecharge,oudescourts circuits... Et du ct de lquipement pour tudier son impact sur le rseau, en faisant varier, par exemple, ses caractristiques (paramtres, gains et point de fonctionnement...). Il est aussi possible de tester un quipement ayant caus un dysfonctionnement sur le rseau. Les tudes deperturbationssurlastabilitoulesperturbationsharmoniquessurlerseaumaisaussi lanalysedesinteractionsentreplusieursdispositifsestpossibleengarantissantunecertaine scurit pour les personnes et pour le matriel face aux risques. CHAPITRE II : La simulation temps-rel 34 Frquence (Hz)Foudre Surtensions de manoeuvre Courts-circuitsFerrorsonanceOscillations rotoriquesRglages tension / frquence 10610-510510410310210110-2 10-310-410710-1 Figure II-3: Frquences d'tude des domaines frquentiels [MEY 98]. En fonction de lquipement test, diffrents types de phnomnes frquentiels peuvent tre reprsents dans la simulation (Figure II-3). On peut citer : les phnomnes de dynamique lente(oscillationsdegnrateursinter-rgions,actionsderglagedurseau :tensionet frquence),lestransitoireslectromcaniques(lisauxconstantesdetempsmcaniquesdes machinestournantes)etlectromagntiques(liesauxconstantesdetempslectriques,aux phnomnes naturels comme la foudre, les manoeuvres sur le rseau comme le dclenchement dun disjoncteur). II.3.1.1 Les simulateurs temps-rel analogiques Historiquement, les premiers simulateurs furent analogiques. Ces simulateurs sont bass surdescomposantslectriquesphysiquestaillerduiteoudesfonctionsdetransfert quivalentes.Lesprincipauxavantagesdecessimulateurssontquilsfonctionnent naturellemententemps-rel,puisquebasssurdescomposantsphysiques.Parailleurs,le fonctionnement temps-rel est assur quelque soit la complexit des rseaux reprsents. Les grandeursphysiquesdunrseaulectriquequesontlescourantsetlestensionsexistent, valeur rduite, sur un simulateur analogique.Le simulateur analogique reprsente un micro-rseau plus ou moins dtaill en fonction dutypedtudesraliseretdesphnomnestudis.Cerseaupeuttreconstitude gnrateurs, de transformateurs, de lignes, de cbles, de convertisseurs et de charges...Lareprsentationdeslmentsdurseautaillerduitenevapassansquelques difficults.Parexemple,pourlamodlisationhomothtiquedesmachinestournantestaille rduite par rapport aux machines taille relle. Pour ce faire, des volants dinertie sont ajouts sur les rotors et des couples sont gnrs par des machines courant continu asservies par le CHAPITRE II : La simulation temps-rel 35 courant dinduit. Cependant, le respect de lhomothtie est difficilement ralisable dans le cas durendement.Pourillustrer :lentreferdunemachinetournantetaillerduiteest relativement plus important quune machine taille relle de forte puissance, ce qui cre une diffrenceauniveaudecescaractristiqueslectriques(pertesfer)etdurendementglobal. Pourlensembledesdispositifstaillerduite,lespertessonttoujoursplusimportantes,en proportion, que dans les systmes rels et des moyens de compensation doivent alors tre mis enoeuvre.Celapeutconduiredessystmesassezcomplexesmettreenoeuvreet paramtrer (rglage des niveaux de compensation). Si les simulateurs analogiques prsentent encore des avantages indniables pour certains domainesdutilisationparrapportauxsimulateursnumriquestemps-rel,lesinconvnients suivants font que ces derniers tendent les remplacer : -lalimitationdanslatailledesrseauxreprsents,causeparlencombrement et la complexit des micro-rseaux raliss ; -lemanquedesouplessequantauxchangementsdetopologie,bienquedes systmes de connexion automatique aient t conus ([NIM 88], [DOI 90]) ; -descotslevsdexploitationetdemaintenance,causedelutilisation dquipementsfaitssur-mesure,delaconnectique,duvieillissementetdela dtrioration du matriel ; -lancessitdutiliserdumatrielspcifique(ralisationdessystmestaille rduite). Leurutilisationactuellerestemarginale,lexceptiondecertainesralisationsdansle domainedellectroniquedepuissance[OLI00],pourletestdecontrleursdesystmes multiniveaux utilisant des frquences de dcoupages trs leves ([BRA 97], [ZEC 00]). II.3.1.2 Les simulateurs temps-rel numriques Lessor des calculateurs et laugmentation de leurs puissances de calcul ont fait que les simulateurs temps-rel numriques ont pu voir le jour ilya dj une vingtaine dannes. En effet, la taille et la complexit des systmes simuls en temps-rel ainsi que les frquences des phnomnes tudis dpendent directement de la puissance des calculateurs utiliss.La simulation numrique prsente des avantages dterminants tels que : -unebonnereprsentationdeslmentsetphnomneslectriquesdepar lutilisation de modles pouvant tre adapts facilement aux tudes ralises ; -uneprparationplusrapideetplusaiseauxtests,carlescaractristiquesdes composantsainsiquelesparamtresdesimulationpeuventtremodifispar simple programmation ; CHAPITRE II : La simulation temps-rel 36 -la reproductibilit des essais grce linvariance des caractristiques lectriques des composants simuls ; -lascuritdespersonnesetdumatriel,carlesmachinestournantespeuvent tremodlises,lestensionsetcourantspeuventtreparamtrsdesvaleurs faibles pour ne pas causer de risques aux utilisateurs ; -lvolutivitdessimulationsetlapossibilitdecrationdescnarii dvnements ; -la possibilit de lire et de simuler des fichiers de mesures raliss partir dun quipement rel. Parmilessimulateurstemps-relnumriquescommercialissdanslemondeonpeut citer : RTDS (RDTS Inc., Manitoba/Canada) [FOR 04], HYPERSIM (HydroQuebec, Canada) [BAR00]etARENEURT(EDF)[DEV98].Lescaractristiquesdecessimulateursrestent assez semblables : typiquement, leur pas de temps de simulation temps-rel est de 50s. II.3.1.3 Les simulateurs temps-rel hybrides Lessimulateurstemps-relhybridesallientlesavantagesdessimulateurstemps-rel analogiques et numriques. Ils sont constitus dune partie simule numriquement connecte une partie analogique de puissance via un amplificateur (Figure II-4). Lavantage de ce type desimulateursestquelapartieanalogiquepeutpermettredesimulerunquipement difficilementmodlisablenumriquementdeparsacomplexitouparrapportaux phnomnesfrquentielsmisenjeux.Parexemple,celaesttypiquementlecaspourletest dun systme base dlectronique de puissance dont la frquence des ordres de commandes dpasse les limites techniques dacquisition du simulateur numrique temps-rel. On prfrera alorsreprsenterlesystmedlectroniquedepuissanceainsiquesoncontrleurdefaon analogique et intgrer dans la simulation numrique les courants injects au rseau. En effet, les composantes harmoniques hautes frquences des courants sont relativement faibles car des filtrespermettentdelesattnuer.Lescourantspeuventalorstrechantillonnsavecune meilleure prcision que les ordres de commande. Ilestaussipossibledesimulerunsystmeindustrielenpuissance.Celaprsenteun intrtparticuliersilonneconnatpaslesystmeetquelonsouhaiteidentifierles paramtres de ce systme dans le but de le modliser par la suite.CHAPITRE II : La simulation temps-rel 37 Amplificateurde puissance Simulateur temps-rel numrique TensionInterface de puissanceCourant Systme physique de puissance Electronique de puissanceMachines tournantes Systmes de contrlesSimulateur hybride Figure II-4: Schma de principe de la simulation hybride (cas de la connexion Shunt). Lamplificateurdepuissancepeuttrecommandentensionouencourantpour reprsenter le type de connexion de la partie analogique (respectivement : srie et shunt). Un intrt particulier doit tre apport au choix de cet amplificateur. On retiendra comme critres: -sa bonne linarit ;-sa puissance apparente nominale ;-ses caractristiques nominales en tension et courant ;-sarversibilitetsacapacittravaillerdansplusieursquadrants :en gnrateur ou en rcepteur comme reprsent sur la Figure II-5. Courant TensionGnrateurGnrateur Rcepteur Rcepteur Figure II-5: Fonctionnement en gnrateur ou rcepteur dans les quatre quadrants. Desapplicationsonttralisessurcessimulateursdanslalittraturecommepar exemple : -le test dun contrleur de HVDC [HAN 98] ;-le test dun alternateur simul sur le simulateur numrique connect un rseau lectrique analogique compos dun HVDC [GIC 96] ; CHAPITRE II : La simulation temps-rel 38 -le test dune charge dynamique ralise par un simulateur numrique connecte un rseau simul analogiquement [NAK 95] ; -letestdunsystmeolienbasedeMASDA(Cf.ChapitreI)pourltude dimpactdeloliennesurunrseausimulnumriquementetdurseausur lolienne [OCN 05]. Enraisonducotdesamplificateursdepuissance,quipourcertainesapplications doiventtreralisssur-mesure,lasimulationhybridenestappliquequepourdesbesoins bien justifis. II.4 Les simulateurs numriques temps-rel II.4.1 Le fonctionnement des simulateurs numriques temps-rel Lesrseauxlectriquesmodlissdanslesapplicationstemps-relnumriquessonten gnraldepetitetaille(unedi