Soutenance mémoire
Les systèmes électriques sont des infrastructures cruciales pour la bonne marche de l’économie. Dans les pays développés, ceux–ci ont été gérés au lendemain de la seconde guerre mondiale par des entreprises verticalement intégrées (de la production à la distribution en passant par le transport et la commercialisation), qui disposaient ainsi des moyens techniques et financiers pour mettre en œuvre des systèmes de fortes capacités, que ce soit en production ou en transport [1]. A partir des années 1980, un mouvement d’ouverture à la concurrence des marchés de l’électricité a débuté dans certains pays, visant à introduire une certaine compétition dans l’approvisionnement en énergie électrique des consommateurs. Cette concurrence n’est jamais totale : les infrastructures de transport et distribution, nécessitant des investissements très lourds, ne peuvent pas être mises en concurrence. Cellesci constituent de ce fait un monopole naturel, ayant vocation à être régulé par des autorités indépendantes. La mise en concurrence a concerné essentiellement la production et la commercialisation de puissance active. Cette concurrence, qui concerne les producteurs et les fournisseurs, impose une séparation entre les entreprises de production et les gestionnaires des infrastructures de transport et de distribution. Différentes structures ont été imaginées pour cette séparation, et les différentes formes que prennent celles-ci font l’objet de débats importants. Néanmoins, ces différents acteurs sont interdépendants car on ne peut pas dissocier physiquement les producteurs et les infrastructures de transport et distribution : en effet le système électrique a été conçu comme un ensemble physique intégrant la chaîne complète Production-TransportDistribution. Cette chaîne ne peut pas être coupée car l’électricité n’est pas un produit comme les autres : on ne peut pas stocker de grandes quantités d’énergie sous forme électrique. Cette impossibilité de stocker impose d’équilibrer à chaque instant la production et la consommation. Le réseau de transport d’électricité joue ainsi un rôle crucial dans le fonctionnement du système électrique, car il permet de relier les moyens de production, qui pour des raisons économiques et techniques sont en grande partie centralisés, aux consommateurs. Il permet alors de gérer cet équilibre entre la production et la consommation, en mutualisant les capacités de production et de réserves, assurant ainsi la fiabilité du système. Cette fiabilité s’obtient par l’implication de tous les acteurs dans le respect des contraintes de fonctionnement : un producteur ne peut assurer la continuité d’approvisionnement de ses consommateurs sans un bon fonctionnement du réseau de transport, et le réseau de transport ne peut remplir sa mission sans faire appel à un certain nombre de services que doivent rendre les générateurs. Parmi ces services, dénommés services système ou bien services auxiliaires, nous pouvons citer :
• la participation au réglage de la fréquence et à l’équilibre production-consommation via la fourniture de réserves de production de puissance active et la régulation des puissances actives générées par les centrales.
• la participation au réglage de tension sur le réseau via la maîtrise des flux de puissance réactive. Cette maîtrise des flux de puissance réactive est obtenue en définissant le plan de tension et donc en faisant appel aux capacités de production réactive des générateurs.
Le théorème de Boucherot
Le théorème de Boucherot permet de faire le bilan des puissances entre les différents éléments d’un circuit : « La puissance active consommée dans un dipôle linéaire est la somme des puissances actives consommées par chacun des éléments composant ce dipôle. » « La puissance réactive d’un dipôle linéaire est la somme algébrique des puissances réactives consommées par chacun des éléments de ce dipôle. » Ce théorème met en évidence le découplage entre les éléments consommant la puissance active, qui peut être transformée en puissance utilisable (thermique, mécanique, chimique…) et ceux consommant ou produisant de la puissance réactive, qui n’est qu’échangée entre ces éléments.
Caractéristiques réactives des réseaux
Les lignes composant les réseaux de transport d’électricité et les charges qui y sont connectées sont majoritairement des consommateurs de puissance réactive. Néanmoins, cela n’est pas toujours le cas et nécessite d’être précisé. Nous allons donc détailler les caractéristiques des différents éléments ayant un impact sur la puissance réactive, à savoir les charges, les conducteurs, les transformateurs et les moyens de compensation.
Charges
Les charges sont les consommateurs de puissance active. Leur comportement réactif dépend de leur nature, néanmoins la plupart des charges présentent un caractère inductif. Vues du réseau de transport ou de répartition, il peut s’agir :
➤ de grandes installations industrielles.
Celles-ci peuvent être connectées directement sur le réseau de transport car elles nécessitent une puissance élevée ou bien une puissance de court-circuit importante (ligne de chemin de fer par exemple). Ces installations sont essentiellement de nature inductive et résistive, du fait de la présence de transformateurs et de moteurs asynchrones qui sont fortement inductifs. Certaines installations contiennent des convertisseurs d’électronique de puissance qui eux aussi présentent un caractère inductif.
➤ de réseaux de distribution.
Ces réseaux acheminent la puissance électrique depuis le réseau de transport jusqu’aux petits consommateurs finaux (sites industriels, particuliers). Les lignes aériennes et les transformateurs qui constituent ces réseaux sont eux aussi inductifs. Néanmoins l’enfouissement des lignes étant de plus en plus répandu, les câbles souterrains ont une part de plus en plus prépondérante dans ces réseaux. Or ces câbles sont générateurs de puissance réactive. Tant que ces câbles restent minoritaires dans les infrastructures des réseaux de distribution, nous pouvons considérer que les réseaux de distribution et les charges associées sont consommateurs de réactif.
➤ d’interconnexions avec les réseaux de transport de pays étrangers.
Les règles d’exploitation de ces interconnexions sont définies entre Gestionnaires de Réseau de Transport (GRT). Le principe fondamental concernant les transits de puissance réactive sur ces lignes est de les maintenir nuls. Cependant des différences de stratégie de conduite des réseaux peuvent se traduire par des flux importants de puissance réactive sur ces derniers.
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Table des matières
Introduction
Motivations
Objectif
Collaboration
Structure
Chapitre I La puissance réactive comme service système
I.1 La puissance réactive dans les circuits électriques.
I.1.1 Sens physique de la « puissance imaginaire »
I.1.2 Le théorème de Boucherot
I.2 Le réglage de la tension et la production de puissance réactive
I.2.1 Approche théorique
I.2.2 Caractéristiques réactives des réseaux
I.2.2.1 Charges
I.2.2.2 Réseaux de transport et distribution
I.2.2.2.1 Transformateurs
I.2.2.2.2 Lignes aériennes et câbles souterrains
I.2.2.3 Production et compensation
I.2.2.3.1 Générateurs synchrones
I.2.2.3.2 Compensateurs synchrones
I.2.2.3.3 Bancs de condensateurs
I.2.2.3.4 Compensateurs statiques de puissance réactive
I.3 Organisation du réglage de la tension et de la gestion de la puissance réactive
I.4 Conclusion
Chapitre II Données économiques sur la puissance réactive, tarification et état de l’art
II.1 Coûts de production de la puissance réactive
II.1.1 Coûts de production pour les générateurs
II.1.1.1 Coûts d’investissements
II.1.1.2 Coût d’exploitation : pertes
II.1.1.3 Coût d’exploitation : coût d’opportunité
II.1.2 Coûts des moyens de production statiques
II.1.2.1 Bancs de condensateurs / bobines
II.1.2.2 Compensateurs Statiques de Puissance Réactive : SVC, STATCOM
II.2 Dispatching économique
II.3 Méthodes basées sur les sensibilités
II.3.1 Définition des sensibilités
II.3.2 Sensibilités marginales
II.3.3 Sensibilités globales
II.4 Conclusion
Chapitre III Méthode des Capacités Réactives Equivalentes
III.1 Présentation de la méthode ERC
III.1.1 Remplacement de la production réactive d’un générateur
III.1.2 Lien entre sensibilités et méthode ERC
III.2 Evaluation de la capacité réactive équivalente
III.2.1 Etat initial du réseau
III.2.2 Consignes de tension et production de puissance réactive
III.2.3 Calcul de la capacité réactive équivalente
III.2.4 Calcul de la capacité réactive équivalente de manière incrémentale
III.2.5 Nature des moyens de compensation
III.2.6 Application aux réseaux maillés
III.3 Application sur un réseau à deux nœuds
III.3.1 Caractéristiques du réseau à 2 nœuds
III.3.2 Influence du niveau de production du générateur
III.3.3 Influence de la longueur de la ligne
III.3.3.1 Capacités réactives équivalentes pour différentes longueurs de ligne
III.3.3.2 Capacités réactives équivalentes marginales
III.4 Conclusion
Conclusion
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