FR3105627A1 - compensateur synchrone statique série moyenne tension pour réseau électrique de distribution. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) adapté pour connecter électriquement deux réseaux électriques (A, B) de distribution ou pour connecter deux portions d’un même réseau électrique de distribution, comprenant un transformateur (20) de ligne et un onduleur (40) basse tension, l’onduleur (40) étant électriquement connecté au transformateur (20), et le transformateur (20) présentant deux points de couplage (20A, 20B) chacun adapté pour être relié à un réseau électrique (A, B), le transformateur (20) étant configuré pour présenter une saturation maîtrisée lorsqu’il reçoit sur son primaire (22) la tension d’un réseau après le blocage sur réseau triphasé de l’onduleur (40). L’invention concerne également un ensemble de réseaux électriques intégrant le compensateur et un procédé de commande du compensateur. Figure pour l’abrégé : Fig. 5
Description
Le domaine de l’invention est celui de la gestion des réseaux électriques de distribution.
Les réseaux de distribution moyenne tension sont généralement exploités de façon radiale avec des points de reprises entre postes sources pour réalimenter rapidement des clients coupés suite à l’indisponibilité du schéma d’alimentation initial. Ces points de reprises sont normalement ouverts pour ne pas perturber le plan de protection et éviter de détecter les défauts réseaux sur deux départs de distributions différents.
Boucler / coupler les réseaux offre cependant beaucoup d’avantages technico-économiques en fonctionnement normal : meilleure fiabilité, qualité de service de fourniture d’électricité accrue etc. Mais les systèmes de protection contre les défauts de ces réseaux ont des besoins beaucoup plus sophistiqués et sont par conséquent coûteux.
Des solutions de réseaux de distributions maillés peuvent être développées en s’inspirant directement du réseau de transport (qui est en haute tension), mais elles demandent une surveillance et une gestion des flux complexes et des investissements lourds.
Une de ces solutions connues pour les réseaux électriques de transport consiste à intégrer des FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System ou «système de transmission flexible en courant AC». Ces derniers comprennent des SSSC (Static Synchronous Serie Compensator) ou «Compensateur synchrone statique série» qui sont constitués comme illustré sur la figure 1 annexée d'un onduleur triphasé O, autrement dit une source de tension, couplé en série avec la ligne électrique à l'aide d'un transformateur T triphasé. Les SSSC connus sont implémentés de façon ponctuelle sur les réseaux de transport pour, entre autres, gérer les flux. Ils sont néanmoins dimensionnés en transport (i.e. en haute tension) pour tenir les défauts réseaux et/ou conserver la liaison en cas de défaut ce qui requiert une taille importante. En effet, les équipements d’électronique de puissance nécessaires pour résister à des défauts en haute tension sont particulièrement encombrants et onéreux.
De tels dispositifs sont décrits par exemple dans les documents :
. IEEE-SSSC-static synchronous series compensator: theory, modeling and application, Jan 1998 – K.K. Sen,
. IJAREEIE Static Synchronous Series Compensator for Series Compensation of EHV Transmission Line, July 7, 2013,
. Proposed terms and definitions for flexible AC transmission system (FACTS) IEEE Transactions on Power Delivery Volume 12, Issue 4, October 1997,
. Narain et al Understanding FACTS : Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems Wiley-IEEE Press Dec 1999,
. Xiao-Ping Zhang et al Flexible AC Transmission Systems : Modeling and Control – Springer Feb 2012 et
. CIGREE 51 – Load Flow Control in High Voltage Power System Using FACTS Controllers – Jan 1996 Task Force 38.01.06,
ainsi que dans les nombreux articles auxquels font référence les documents cités ci-dessus.
D’autres dispositifs de couplage comme des « smart transformers », des convertisseurs AC/DC/AC (« Static Frequency Converter ») ou des dispositifs de limitations de court-circuit actifs existent en moyenne tension pour apporter de la contrôlabilité. Mais ils ont des désavantages :
• soit ils sont dimensionnés pour transférer la pleine puissance transitée entre les réseaux,
• soit ils ne gèrent pas le transfert de flux entre les réseaux interconnectés,
• soit ils n’ont pas un pouvoir de limitation des courants de défauts assez rapides (< quelques ms) pour éviter la détection de défauts sur le réseau sain provenant de l’autre réseau interconnecté en défaut.
En conclusion les dispositifs jusqu’ici proposés pour assurer le couplage de réseaux électriques, notamment les dispositifs de type SSSC conçus pour les réseaux de transport, ne sont pas adaptés pour un couplage optimal de réseaux de distribution.
Dans ce contexte, il existe un important besoin pour des dispositifs permettant de boucler des réseaux de distribution, ou pouvant être laissés ouverts, dans les deux cas en fonctionnement normal tout en garantissant une sécurité optimale, notamment quant à la limitation de la propagation des défauts, et sans nécessiter de modifier les réseaux ou leurs plans de protection.
L’invention porte sur un compensateur synchrone statique série moyenne tension (SSSC MV - Static Synchronous Series Compensator MV) possédant une fonction de protection et découplage rapide de réseaux.
L’invention a notamment pour objectif de proposer un compensateur adapté pour limiter des courants de court-circuit et bloquer rapidement des défauts pour ne pas perturber le schéma de protection de chaque réseau.
L’invention a également pour objectif de proposer un compensateur configuré pour réagir rapidement lors de l’apparition d’un défaut et limiter des courants de défaut suffisamment rapidement pour qu’un défaut sur un réseau ne soit pas détecté par le système de protection de l’autre réseau et n’entraine pas son déclenchement.
Plus particulièrement, l’invention porte sur un compensateur synchrone statique série moyenne tension adapté pour connecter électriquement deux réseaux électriques de distribution ou pour connecter deux portions d’un même réseau électrique de distribution, comprenant un transformateur de ligne et un onduleur basse tension, l’onduleur basse tension étant électriquement connecté au transformateur de ligne, et le transformateur de ligne présentant deux points de couplage chacun adapté pour être relié à un réseau électrique, le compensateur synchrone statique série moyenne tension étant caractérisé en ce que le transformateur est configuré pour présenter une saturation maîtrisée lorsqu’il reçoit sur son primaire la tension d’un réseau après le blocage sur réseau triphasé de l’onduleur.
Selon d’autres caractéristiques préférentielles de l’invention:
. le transformateur est adapté pour présenter une saturation maitrisée à partir d’une tension de l’ordre du double de la tension nominale de l’onduleur,
. le transformateur est adapté pour présenter une saturation maitrisée à partir d’une tension de l’ordre de 1000V,
. le transformateur est adapté pour présenter à l’état de saturation maitrisée une inductance magnétisante saturée maitrisée comprise entre 1/10 et 1/20 de l’inductance magnétique non saturée du transformateur,
. le transformateur est adapté pour présenter à l’état de saturation maitrisée une inductance magnétisante saturée maitrisée de l’ordre de 100mH,
. le compensateur comprend au moins un contacteur adapté pour séparer les deux réseaux électriques en cas de défaut sur l’un d’eux,
. au moins l’un des points de couplage comprend un contacteur adapté pour séparer les deux réseaux électriques en cas de défaut sur l’un d’eux,
. le compensateur comprend deux contacteurs placés respectivement au niveau des points de couplage, adaptés pour séparer les deux réseaux électriques en cas de défaut sur l’un d’eux et isoler le compensateur,
. le compensateur comprend un contacteur de bypass parallèle,
. le transformateur comprend une cale magnétique adaptée pour tenir un flux nominal à une tension nominale en fonctionnement normal et pour saturer et devenir équivalente à un entrefer à au moins une tension de défaut, de sorte à garantir une inductance suffisante pour limiter un courant de défaut à une valeur proche d’un courant nominal et limiter la tension aux bornes de l’onduleur en dessous d’une tension nominale de celui-ci,
. le compensateur comprend une cale magnétique formée d’un tronçon de section réduite de tôle magnétique sur chacun des noyaux portant un bobinage,
. l’onduleur est adapté pour générer une tension, pour définir l’orientation d’une circulation électrique entre les deux points de couplage,
. le transformateur comprend un noyau non bobiné de retour de flux en parallèle des noyaux bobinés, pour conserver une inductance magnétisante homopolaire de l’ordre de l’inductance magnétisante équilibrée / 3;
. le transformateur comprend au moins quatre colonnes.
L’invention concerne également un ensemble de réseau électrique comprenant deux portions d’un même un réseau électrique de distribution, par exemple deux départs d’un même poste, ou deux réseaux électriques de distribution électrique, par exemple deux réseaux reliés à deux postes sources respectifs, reliés par un compensateur synchrone statique série moyenne tension du type précité.
L’invention concerne par ailleurs un procédé de commande d’un compensateur synchrone statique série moyenne tension du type précité, comprenant les étapes suivantes:
(a) réception d’un ordre de circulation d’un signal électrique d’un premier point de liaison vers le second point de liaison;
(b) génération par l’onduleur d’une basse tension pour orienter la circulation du signal électrique conformément à l’ordre reçu;
(a) réception d’un ordre de circulation d’un signal électrique d’un premier point de liaison vers le second point de liaison;
(b) génération par l’onduleur d’une basse tension pour orienter la circulation du signal électrique conformément à l’ordre reçu;
caractérisé par le fait qu’il comprend en outre l’étape suivante:
(c) lors de la détection d’un signal électrique indiquant un défaut provenant d’un premier réseau de distribution, protection du second réseau de distribution en bloquant l’onduleur et entrainant si nécessaire le transformateur dans un état de saturation maitrisée.
(c) lors de la détection d’un signal électrique indiquant un défaut provenant d’un premier réseau de distribution, protection du second réseau de distribution en bloquant l’onduleur et entrainant si nécessaire le transformateur dans un état de saturation maitrisée.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses du procédée de l’invention:
- l’étape (b) comprend la génération d’une basse tension inférieure à 1kV, préférentiellement de l’ordre de 500V,
- l’étape (c) comprend les étapes suivantes:
(c1) détection d’un courant de défaut;
(c3) blocage de l’onduleur et limitation du courant de défaut par le transformateur série dans un état de saturation maitrisée;
(c4) ouverture d’un contacteur relié au réseau n’étant pas en défaut;
(c5) transmission d’informations d’état et de détection du défaut à un organe de contrôle du réseau en défaut,
(c1) détection d’un courant de défaut;
(c3) blocage de l’onduleur et limitation du courant de défaut par le transformateur série dans un état de saturation maitrisée;
(c4) ouverture d’un contacteur relié au réseau n’étant pas en défaut;
(c5) transmission d’informations d’état et de détection du défaut à un organe de contrôle du réseau en défaut,
- l’étape (c) comprend en outre l’étape suivante: (c2) détermination du réseau à l’origine du défaut.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Compensateur synchrone statique série moyenne tension
Selon un premier aspect, l’invention concerne un compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 adapté pour connecter électriquement deux réseaux électriques A, B de distribution ou pour connecter deux portions d’un même réseau électrique, par exemple des départs d’un même poste ou de postes différents.
Par réseau électrique de distribution, il est entendu un réseau électrique A, B moyenne tension pouvant comprendre plusieurs générateurs et plusieurs consommateurs de courant électrique.
Le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 comprend notamment comme illustré sur la figure 2 un transformateur 20 de ligne triphasé et un onduleur 40 basse tension dont les caractéristiques respectives seront détaillées ci-après.
Par convention on considère le réseau HTA comme étant le primaire.
Comme indiqué précédemment le transformateur 20 conforme à l’invention est configuré pour présenter une saturation maitrisée en cas de défaut sur l’un des réseaux. Cette disposition sera précisée par la suite.
La figure 3 représente un schéma équivalent du transformateur sur lequel on voit l’inductance de magnétisation Lmag en série entre les deux points de sortie du primaire et l’inductance de court-circuit Lcc du transformateur.
En outre, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 comprend des moyens 60 de protection (formés de moyens de coupure de courant nominal), à base de contacteurs, contre la propagation de défauts entre les deux réseaux électriques A, B. Ainsi le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention permet de sécuriser une liaison entre deux réseaux électriques A, B de distribution. En l’absence de défaut sur les réseaux couplés, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention permet d’avoir une circulation électrique entre les réseaux électriques A, B pour par exemple équilibrer la production et la consommation entre les réseaux. En cas de défaut, tel que cela sera décrit ci-après, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1, permet de couper la liaison entre les réseaux électriques A, B, de sorte qu’un réseau en défaut est pratiquement instantanément confiné, ce qui évite la propagation du défaut à l’autre réseau ou plus précisément la contribution de l’autre réseau à ce défaut.
Par ailleurs le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 comprend un module 80 de contrôle de l’onduleur 40 et des contacteurs 60. Le module 80 assure notamment l’ensemble des communications entre les capteurs de défaut, l’onduleur 40 et les contacteurs 60.
Transformateur de ligne
Le transformateur de ligne triphasé peut faire l’objet de tous modes de réalisation permettant une saturation maitrisée lorsqu’il est soumis à une tension supérieure à un seuil résultant d’un défaut.
Il s’agit typiquement d’un transformateur HTA/BT ayant un rapport d’enroulement entre primaire et secondaire de l’ordre de 1.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le transformateur 20 de ligne est un transformateur 20 triphasé comprenant au moins quatre colonnes.
Comme on le voit sur la figure 8 classiquement un tel transformateur 20 présente un primaire 21 composé de trois bobinages primaires 21a, 21b et 21c et un secondaire 22 composé de trois bobinages secondaires 22a, 22b et 22c.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 8, la carcasse du noyau magnétique est formée de deux culasses 23a et 23b reliées par quatre colonnes 24a, 24b, 24c et 24d. Les bobinages primaires 21a, 21b et 21c et les bobinages secondaires 22a, 22b et 22c sont enroulés par paires sur l’une respective des trois colonnes 24a, 24b, 24c.
Ainsi le bobinage primaire 21a et le bobinage secondaire 22a associé sont enroulés sur la colonne commune 24a.
Les culasses 23 et colonnes 24 sont de façon connue en soi réalisé par un empilement de tôles en matériau magnétique doux, isolées électriquement entre elles par exemple par un vernis pour réduire les pertes par courant de Foucault.
On notera que pour assurer la saturation maitrisée dans le cadre de l’invention, comme illustré sur la figure 8, une partie des colonnes 24a, 24b, 24c qui portent des bobinages primaires 21a, 21b et 21c et secondaires 22a, 22b et 22c, appelée «cale magnétique» 25 et ayant vocation à créer un entrefer, est insérée dans chaque colonne 24a, 24b, 24c. Cette cale magnétique 25a, 25b et 25c possède une section réduite de tôle magnétique.
La figure 9 représente une colonne isolée 24 possédant une telle cale magnétique 25.
On a représenté sur la figure 10 une section pleine des colonnes 24a, 24b, 24c en dehors de la cale 25.
La figure 11 représente un premier mode de réalisation de la cale 25 sous forme d’un anneau ayant le même contour extérieur que les colonnes 24a, 24b, 24c, mais ajouré en son centre pour présenter une section réduite de tôle magnétique.
La figure 12 représente un autre mode de réalisation de la cale 25 sous forme de bandes parallèles non jointives.
Les représentations des cales 25 illustrées sur les figures 11 et 12 ne sont bien entendu données qu’à titre d’exemples non limitatifs. Tous modes de réalisation permettant une saturation maitrisée sont envisageables.
La section des colonnes 24a, 24b, 24c et des culasses 23a et 23b du transformateur est dimensionnée pour supporter un flux équivalent à une tension de défaut de 20kVrms phph.
La cale 25 est configurée pour supporter un flux équivalent au flux nominal de l’onduleur soit de l’ordre de 500Vrms phph.
En cas de défaut cette partie 25 du transformateur définit une valeur de Lmag saturée typiquement de l’ordre de Lmag/10 à Lmag/20.
Typiquement le transformateur 20 peut comprendre quatre colonnes 24 comme illustré sur la figure 8 ou cinq colonnes en possédant une colonne additionnelle située à l’opposé de la colonne 24d dépourvue de bobinage et elle-même dépourvue de bobinage pour conserver une inductance magnétisante homopolaire suffisante de l’ordre de l’inductance magnétisante en régime équililbré /3.
En variante le transformateur 20 pourrait être de type cuirassé comme illustré schématiquement sur la figure 23.
Contrairement aux transformateurs à colonne du type illustré sur la figure 8 dans lesquels les enroulements 21, 22 sont placés autour du circuit magnétique, le circuit cuirassé au contraire entoure les enroulements primaires 21 et secondaires 22. Les enroulements primaires 21a, 21b et 21c et secondaires 22a, 22b et 22c sont enroulés par paires sur des noyaux communs 24a, 24b, 24c alignés entourés par un circuit magnétique 24d.
Comme on le voit sur la figure 23, dans le cadre de l’invention chacun des noyaux 24 muni d’un bobinage primaire et secondaire est là encore pourvu d’une cale magnétique 25a, 25b et 25c assurant la même fonction que les cales magnétiques précédemment décrites en regard de la figure 8 pour un transformateur à colonnes.
Bien entendu la présente invention n’est pas limitée aumode de réalisation de transformateur cuirassé illustré sur la figure 23.
Le transformateur 20 de ligne présente deux points de couplage 20A, 20B, formés par les extrémités respectives des bobinages primaires 21a, 21b et 21c, chacun adaptés pour être reliés à un réseau électrique A, B. Les bobinages primaires 21a, 21b et 21c sont ainsi placés en série entre les deux réseaux électriques A et B. Typiquement, il peut s’agir, par exemple de deux réseaux électriques A, B de distribution différents, ou de deux portions distinctes d’un même réseau électrique.
Le transformateur 20 de ligne conforme à l’invention comprend ainsi une cale magnétique 25 adaptée pour tenir un flux nominal à une tension nominale en fonctionnement normal, et pour saturer et devenir équivalente à un entrefer à au moins une tension de défaut, de sorte à garantir une inductance suffisante pour limiter un courant de défaut à une valeur proche d’un courant nominal tout en limitant la tension aux bornes de l’onduleur 40 en dessous d’une tension nominale de l’onduleur 30.
Ainsi, cette disposition permet très avantageusement de limiter un courant de défaut à une valeur proche d’un courant nominal et de limiter la tension aux bornes de l’onduleur 40 en dessous d’une tension nominale de celui-ci. En d’autres termes, cette disposition permet de protéger l’onduleur 40 basse tension en évitant qu’il ne soit exposé à une tension trop importante. Ainsi, la cale magnétique 25 permet de protéger l’onduleur 40 basse tension en évitant l’apparition de hautes tensions lors d’un défaut sur un réseau. Ainsi l’onduleur 40 basse tension peut être aisément intégré au compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 et dans une infrastructure de réseaux électriques A, B existants.
Selon une disposition particulière, on pourra choisir un transformateur 20 de type basse tension, adapté pour délivrer/recevoir une tension de 500Vrms à ses bornes. En outre, le circuit magnétique du transformateur pourra être dimensionné pour saturer à partir d’une tension de 1000V pour atteindre une inductance magnétisante saturée maitrisée de l’ordre de 100mH, soit environ 1/10 à 1/20 de l’inductance magnétisante non saturée du transformateur. Le transformateur est dimensionné pour ne pas dépasser une tension résiduelle au secondaire de l’ordre de 500Vrms en cas de saturation du primaire à une tension de l’ordre de 20kVrms.
Onduleur basse tension
L’onduleur 40 basse tension est une disposition technique particulièrement avantageuse de l’invention. En effet, l’onduleur 40 basse tension est un élément relativement peu encombrant et peu onéreux, par rapport aux onduleurs haute tension, de sorte que son intégration ne nécessite pas de grands investissements sur les réseaux électriques A, B de distribution.
En sus, il est remarquable que l’intégration d’un onduleur 40 basse tension pour sécuriser un dispositif de liaison entre deux réseaux électriques A, B moyenne tension va à l’encontre des préjugés techniques du domaine. En effet, on aurait pu être naturellement dirigé vers un onduleur haute tension, adapté pour recevoir des hautes tensions émises en cas de défaut sur l’un des réseaux, mais très encombrant et difficilement intégrable dans les réseaux électriques A, B existants.
Or, dans le cas présent, c’est la synergie du transformateur 20 spécifique à l’invention et de l’onduleur 40 basse tension qui permet de garantir une sécurité optimale tout en utilisant des composants basse tension (i.e. donc en s’affranchissant de l’utilisation de composants haute tension).
Comme on peut le voir sur les figures, notamment sur la figure 18, l’onduleur 40 basse tension est électriquement connecté au transformateur 20 de ligne.
L’onduleur 40 est adapté pour générer une tension qui est transmise au transformateur 20. Cette tension générée par l’onduleur 40 permet de définir l’orientation d’une circulation électrique entre les deux points de couplage 2A, 2B.
Comme on le voit sur la figure 4 en créant une source de tension Vsssc purement réactive en quadrature, on force un courant actif entre deux sources de tensions identiques, limité par l’impédance du réseau.
Un calcul montre que pour une hypothèse de puissance transférée de 4MW, le courant de transfert (4MW / (20kV.√3) est de 116 Arms.
L’onduleur 40 peut être alimenté sur son entrée 42 par tous moyens appropriés, à partir d’un réseau BT ou encore une alimentation dérivée des réseaux HTA.
Contacteur
Comme indiqué précédemment, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention comprend des moyens 60 de coupure contre la propagation de défauts limités à des valeurs proches du courant nominal entre lesdits deux réseaux. Typiquement ces moyens de protection peuvent être formés d’au moins un contacteur 60 HTA et de préférence deux contacteurs 60A, 60B adaptés pour séparer les deux réseaux en cas de défaut sur l’un d’eux.
Selon une disposition particulière, les contacteurs 60A, 60B adaptés pour séparer les deux réseaux en cas de défaut sur l’un d’eux sont placés au niveau des points de couplage 2A, 2B.
Un seul contacteur 60A ou 60B suffit en théorie. La présence de deux contacteurs 60A et 60B permet cependant d’ouvrir le couplage entre les deux réseaux A et B et d’isoler le compensateur synchrone 1 des deux réseaux A et B pour des besoins opérationnels (par exemple de maintenance).
Tel que cela sera développé ci-après, les défauts les plus fréquents sont les défauts de triphasés et les défauts de mise à la terre.
D’une manière préférentielle, les deux points de couplage 20A, 20B comprennent chacun un contacteur 60A, 60B. Cette disposition permet avantageusement de pouvoir isoler le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 des deux réseaux électriques A, B. Cela peut être particulièrement utile, par exemple, pour des opérations de maintenance.
Selon une disposition avantageuse, comme illustré sur la figure 5, les deux contacteurs 60A, 60B prévus aux points de couplage 20A, 20B peuvent être complétés d’un contacteur de contournement ou by-pass 62 placé entre les deux points de couplage 20A, 20B, pour boucler les réseaux électriques A, B sans passer par le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 (bouclage temporaire en cas d’incident par exemple).
Préférentiellement, le ou les contacteur 60A, 60B, 62 sont des contacteurs moyenne tension. Ainsi, l’invention permet de limiter un courant de défaut à une valeur proche d’un courant nominal et d’ouvrir la connexion entre les réseaux électriques A, B avec un contacteur 60A, 60B moyenne tension sans avoir besoin de recourir à un disjoncteur moyenne tension qui serait bien plus onéreux.
Ensemble de réseau électrique
Selon un deuxième aspect, comme représenté sur les figures 6 et 7, l’invention concerne un ensemble C de réseaux électriques A, B comprenant deux portions d’un même réseau électrique de distribution, ou deux réseaux électriques de distribution, reliés par un compensateur synchrone statique série moyenne tension 1.
On a ainsi illustré sur la figure 6 un ensemble de réseaux électriques C comprenant un compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention, couplant deux départs 102, 104 d’un poste source 100.
On a illustré sur la figure 7 un autre ensemble de réseaux électriques C comprenant un compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention couplant des réseaux provenant de deux postes sources 100, 110.
Procédé de commande et fonctionnement
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un procédé de commande d’un compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’invention.
Le procédé de commande comprend notamment les étapes suivantes :
(a) réception sur le module 80 d’un ordre de circulation d’un signal électrique d’un premier point de liaison vers le second point de liaison ;
(b) génération par l’onduleur 40 d’une basse tension pour orienter la circulation du signal électrique conformément à l’ordre reçu ;
(c) détection d’un signal électrique indiquant un défaut provenant d’un premier réseau de distribution et protection du second réseau de distribution en bloquant l’onduleur 40.
Selon une disposition particulièrement avantageuse, l’étape (b) peut comprendre la génération d’une basse tension inférieure ou égale à 1kV.
En sus, l’étape (c) peut comprendre les étapes suivantes :
(c1) détection d’un courant de défaut ;
(c3) blocage de l’onduleur 40 et limitation du courant de défaut par le transformateur 20;
(c4) ouverture du contacteur 60A, 60B relié au réseau n’étant pas en défaut ;
(c5) transmission d’informations d’état et de détection du défaut à l’organe 80 de contrôle du réseau en défaut.
De plus, selon une disposition particulière, l’étape (c) peut aussi comprendre l’étape suivante : (c2) détermination du réseau à l’origine du défaut.
On comprendra que dans ce cas, l’étape (c2) est préférentiellement intercalée entre les étapes (c1) et (c3).
Ainsi, en d’autres termes et en référence aux figures, en fonctionnement, il peut être constaté une importante différence de production et/ou de consommation entre les deux réseaux électriques A et B. D’une manière avantageuse, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 permet de faire communiquer les deux réseaux électriques A, B pour gérer les flux électriques.
L’onduleur 40 permet d’influencer le sens du courant en générant une tensionschématisée sur la figure 4 positive ou négative. Ainsi, bien que basse, la tension générée par l’onduleur 40 permet d’influer directement sur le sens de circulation de l’électricité à travers le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1, du réseau électrique A vers le réseau électrique B ou inversement.
Si un défaut est détecté sur l’un des réseaux électrique (étape (c)) l’onduleur 40 est immédiatement bloqué et le transformateur 20 limite le courant de défaut.
D’une manière quasi-simultanée un contacteur 60A, 60B est ouvert pour isoler le réseau électrique A, B en défaut. Dans le cas où le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 comprend deux contacteurs 60A, 60B, sera ouvert celui étant sur le point de couplage au réseau électrique A, B en défaut, voire les deux contacteurs.
Ainsi, cette disposition permet de limiter en cas de défaut triphasé ou de bloquer en cas de défaut à la terre pratiquement immédiatement, puis de séparer le réseau sain du réseau en défaut.
Il est remarquable que le délai de coupure du compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 est inférieure au délai de détection de défaillance par le réseau lui-même.
Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 peut transmettre au réseau concerné la détection de défaillance. Il y a alors une redondance dans la détection de défaillance, ce qui augmente la sécurité globale.
En sus, après avoir isolé le réseau électrique A, B défaillant, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 transmet ses informations d’état à un organe de contrôle tel qu’un gestionnaire de réseau.
Comme indiqué précédemment, les deux défauts les plus courant sont d’une part un défaut triphasé (court-circuit) et d’autre part un défaut de liaison à la terre.
Les deux scénarii correspondants à ces défauts typiques sont décrits ci-après en regard des figures 13 à 22.
Exemple de fonctionnement – cas d’un défaut triphasé
Dans cet exemple, en référence à la figure 13, on considère la présence d’un court-circuit (défaut triphasé D) sur le départ du réseau électrique B.
A la détection du courant de défaut, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 commande le blocage de l’onduleur 40 avec un temps de réaction court (environ quelques ms) comme illustré sur la figure 14.
Au blocage de l’onduleur 40, la tension du réseau électrique B se retrouve directement aux bornes du transformateur 20 de ligne comme illustré sur la figure 15. Ainsi, dans le pire des cas, on peut avoir 0V côté réseau électrique B et 20kV côté réseau électrique A.
La structure « avec entrefer maitrisé en cas de saturation » du transformateur 20 permet de conserver une inductance suffisante pour limiter le courant de défaut à une valeur proche du courant nominal de transfert comme illustré sur la figure 16.
Ce courant étant limité, le réseau électrique A ne réagit pas (temps de saturation puis limitation du courant étant inférieur au seuil et temporisation de détection de défaillance par un réseau).
L’ordre de blocage de l’onduleur 40 entraine un ordre d’ouverture du contacteur 60A, 60B du compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 qui ouvre quelques centaines de millisecondes plus tard sur un courant limité et découple finalement le réseau électrique A du réseau électrique B comme illustré sur la figure 17.
Le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 communique avec les postes, transmet sa détection de défaut et son état.
La saturation du transformateur 20 est une disposition particulièrement avantageuse (dû à la présence de la cale magnétique 25). En effet, si le transformateur 20 de ligne ne saturait pas l’inductance magnétisante limiterait fortement le défaut qui ne serait pas détectable par le réseau électrique A. Mais une tension de ligne haute tension s’appliquerait alors à l’onduleur 40, ce qui détruirait l’onduleur 40 basse tension.
En sus, la cale magnétique 25 permet très avantageusement de doser la saturation, en effet, si le transformateur 20 de ligne saturait complétement, le secondaire du transformateur 20 ne serait plus magnétiquement couplée au primaire et ainsi l’onduleur 40 serait « protégé » des tensions et courants induits par le défaut.
Cependant l’inductance magnétisante résiduelle serait faible et ne limiterait pas le courant de défaut qui circulerait sur le réseau électrique A. De sorte que le réseau électrique A ne serait pas « découplé » du réseau B ce qui entrainerait un risque de double détection de défaillance (chaque réseau se détecterait en défaut et il serait délicat de trouver la source du problème).
Exemple de fonctionnement – cas d’un défaut monophasé à la terre
Dans l’exemple suivant, représenté sur les figures 18 à 22, on estime que le réseau électrique B présente un défaut de mise à la terre DT.
La figure 18 représente le schéma du transformateur 20 à quatre colonnes 24, tandis que la figure 19 représente le schéma homopolaire équivalent.
On aperçoit sur la figure 18 les secondaires 22a, 22b et 22c montés en étoile. Leur point commun est relié à la terre par une impédance 30. Les secondaires 22a, 22b et 22c sont par ailleurs reliés aux sorties respectives de l’onduleur triphasé 40, lequel est lui-même relié à la terre par une impédance adaptée 32. Les primaires 21a, 21b et 21c sont quant à eux placés en série entre les deux points de couplage aux réseaux A et B.
On retrouve sur la figure 19 l’inductance de magnétisation non saturée, homopolaire Lmag/3 du transformateur 20.
En fonctionnement normal, les courants homopolaires sont naturellement limités par l’impédance magnétisante homopolaire du transformateur 20 (si l’impédance homopolaire du secondaire est suffisamment impédante).
Or, d’une manière avantageuse, la présence d’une quatrième colonne 24d dans le transformateur 20 permet d’avoir une inductance magnétisante homopolaire.
En cas d’un défaut d’une phase à la terre sur le réseau électrique B, en fonction du système de mise à la terre / détection des défauts terre du système, le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 détecte le défaut et potentiellement sa localisation (réseau A ou réseau B) comme illustré sur la figure 20.
A la détection par le compensateur synchrone statique série moyenne tension 1, le contrôle 80 commande le blocage de l’onduleur 40 comme illustré sur la figure 21 avec un temps de réaction court (de l’ordre de quelques millisecondes). Ainsi, il n’y a pas de tension anormale de lignes entre le réseau A et B, et le blocage de l’onduleur 40 n’entraine pas la saturation du transformateur 20.
Le circuit secondaire est ouvert, les courants homopolaires sont limités par l’impédance magnétisante homopolaire du transformateur 20. Le réseau sain ne détecte pas de défaut.
L’ouverture du contacteur 60A, 60B finit par découpler les deux réseaux, comme illustré sur la figure 22.
L’invention offre de nombreux avantages par rapport à l’état de la technique.
Elle propose un moyen permettant de coupler deux réseaux électriques ou portions de réseaux électriques avec une limitation efficace de la contribution d’un réseau à une partie du réseau en défaut.
Elle réduit la puissance installée par rapport à des installations proposées selon l’état de la technique et utilise des matériels, contacteurs, transformateur et onduleur, connus en soi séparément, répandus et donc de coût raisonnable.
L’invention ne requiert pas de contrôle complexe pour la gestion des défauts.
L’invention permet de minimiser la puissance en évitant de gérer les tensions et courants de défaut par l’onduleur.
L’invention permet de limiter le courant de défaut à une valeur proche du courant nominal et d’ouvrir avec un contacteur MT sans avoir besoin de recourir à un disjoncteur MT (qui serait plus cher) (une fonction de protection additionnelle est assurée par les disjoncteurs des postes sources interconnectés).
Par ailleurs l’ensemble des moyens composant le compensateur étant des ensembles à faible puissance, ils peuvent être réunis dans un environnement commun de dimensions limitées ce qui facilite l’implantation du compensateur.
Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d’être décrits, mais s’étend à toutes variantes conformes à son esprit.
Claims (19)
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) adapté pour connecter électriquement deux réseaux électriques (A, B) de distribution ou pour connecter deux portions d’un même réseau électrique de distribution, comprenant un transformateur (20) de ligne et un onduleur (40) basse tension, l’onduleur (40) basse tension étant électriquement connecté au transformateur (20) de ligne, et le transformateur (20) de ligne présentant deux points de couplage (20A, 20B) chacun adapté pour être relié à un réseau électrique (A, B), le compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) étant caractérisé en ce que le transformateur (20) est configuré pour présenter une saturation maîtrisée lorsqu’il reçoit sur son primaire (22) la tension d’un réseau après le blocage sur réseau triphasé de l’onduleur (40).
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le transformateur (20) est adapté pour présenter une saturation maitrisée à partir d’une tension de l’ordre du double de la tension nominal de l’onduleur (40).
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le transformateur (20) est adapté pour présenter une saturation maitrisée à partir d’une tension de l’ordre de 1000V.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendication 1 à 3, caractérisé par le fait que le transformateur (20) est adapté pour présenter à l’état de saturation maitrisée une inductance magnétisante saturée maitrisée (Lmag) comprise entre 1/10 et 1/20 de l’inductance magnétique non saturée du transformateur.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendication 1 à 4, caractérisé par le fait que le transformateur (20) est adapté pour présenter à l’état de saturation maitrisée une inductance magnétisante saturée maitrisée de l’ordre de 100mH.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendication 1 à 5, caractérisé par le fait qu’il comprend au moins un contacteur (60A, 60B) adapté pour séparer les deux réseaux électriques (A, B) en cas de défaut sur l’un d’eux.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins l’un des points de couplage (20A, 20B) comprend un contacteur (60A, 60B) adapté pour séparer les deux réseaux électriques (A, B) en cas de défaut sur l’un d’eux.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une des revendication 1 à 7, caractérisé par le fait qu’il comprend deux contacteurs (60A, 60B) placés respectivement au niveau des points de couplage, adaptés pour séparer les deux réseaux électriques (A, B) en cas de défaut sur l’un d’eux et isoler le compensateur.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu’il comprend un contacteur de contournement parallèle (62).
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel le transformateur (20) de ligne comprend une cale magnétique (25) adaptée pour tenir un flux nominal à une tension nominale en fonctionnement normal et pour saturer et devenir équivalente à un entrefer à au moins une tension de défaut, de sorte à garantir une inductance suffisante pour limiter un courant de défaut à une valeur proche d’un courant nominal et limiter la tension aux bornes de l’onduleur (40) en dessous d’une tension nominale de celui-ci.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’un des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend une cale magnétique (25) formée d’un tronçon de section réduite de tôle magnétique sur chacun des noyaux (24) portant un bobinage (21, 22).
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l’onduleur (40) est adapté pour générer une tension, pour définir l’orientation d’une circulation électrique entre les deux points de couplage (20A, 20B).
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que le transformateur (20) comprend un noyau (24d) non bobiné de retour de flux en parallèle des noyaux bobinés (24a, 24b, 24c) pour conserver une inductance magnétisante homopolaire de l’ordre de l’inductance magnétisante équilibrée / 3.
- Compensateur synchrone statique série moyenne tension 1 selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le transformateur (20) comprend au moins quatre colonnes (24a, 24b, 24c, 24d).
- Ensemble (C) de réseau électrique (A, B) comprenant deux portions d’un même un réseau électrique (A, B) de distribution, par exemple deux départs (102, 104) d’un même poste (100), ou deux réseaux électriques (A, B) de distribution électrique, par exemple deux réseaux reliés à deux postes sources respectifs (100, 110), reliés par un compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14.
- Procédé de commande d’un compensateur synchrone statique série moyenne tension (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, comprenant les étapes suivantes:
(a) réception d’un ordre de circulation d’un signal électrique d’un premier point de liaison (20A) vers le second point de liaison(20B) ;
(b) génération par l’onduleur (40) d’une basse tension pour orienter la circulation du signal électrique conformément à l’ordre reçu;
caractérisé par le fait qu’il comprend en outre l’étape suivante:
(c) lors de la détection d’un signal électrique indiquant un défaut provenant d’un premier réseau de distribution (A, B), protection du second réseau de distribution en bloquant l’onduleur (40) et entrainant si nécessaire le transformateur (20) dans un état de saturation maitrisée. - Procédé selon la revendication 16, dans lequel l’étape (b) comprend la génération d’une basse tension inférieure à 1kV, préférentiellement de l’ordre de 500V.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 16 ou 17, dans lequel l’étape (c) comprend les étapes suivantes:
(c1) détection d’un courant de défaut;
(c3) blocage de l’onduleur (40) et limitation du courant de défaut par le transformateur série (20) dans un état de saturation maitrisée;
(c4) ouverture d’un contacteur (60A, 60B) relié au réseau n’étant pas en défaut;
(c5) transmission d’informations d’état et de détection du défaut à un organe de contrôle (80) du réseau en défaut. - Procédé selon la revendication 18, dans lequel l’étape (c) comprend en outre l’étape suivante: (c2) détermination du réseau à l’origine du défaut.
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