Stabilité d'État Stable dans les Systèmes Électriques : Définition Causes et Méthodes d'Amélioration

Définition de la stabilité en régime permanent

La stabilité en régime permanent est définie comme la capacité d'un système électrique à maintenir sa condition opérationnelle initiale après une petite perturbation, ou à converger vers un état proche de la condition initiale lorsque la perturbation persiste. Ce concept revêt une importance cruciale dans la planification et la conception des systèmes électriques, le développement de dispositifs de contrôle automatique spécialisés, la mise en service de nouveaux composants du système et l'ajustement des conditions de fonctionnement.

L'évaluation de la limite de stabilité en régime permanent est essentielle pour l'analyse du système électrique, qui comprend la vérification des performances du système dans des conditions de régime permanent spécifiées, la détermination des limites de stabilité, l'évaluation qualitative des processus transitoires, et l'évaluation de facteurs tels que le type de système d'excitation et ses commandes, les modes de commande, et les paramètres des systèmes d'excitation et d'automatisation.

Les exigences de stabilité sont déterminées par la limite de stabilité, la qualité de l'énergie électrique dans des conditions de régime permanent, et les performances transitoires. La limite de stabilité en régime permanent fait référence au flux de puissance maximal à travers un point spécifique du système qui peut être maintenu sans déclencher d'instabilité lorsque la puissance est progressivement augmentée.

Dans l'analyse du système électrique, toutes les machines au sein d'un même segment sont traitées comme une seule grande machine connectée à ce point, même si elles ne sont pas directement liées au même bus et sont séparées par des réactances importantes. Les grands systèmes sont généralement supposés avoir une tension constante et sont modélisés comme un bus infini.

Considérons un système comprenant un générateur (G), une ligne de transmission, et un moteur synchrone (M) fonctionnant comme charge.

L'expression ci-dessous donne la puissance développée par un générateur G et un moteur synchrone M.

L'expression ci-dessous donne la puissance maximale générée par le générateur G et le moteur synchrone M.

Ici, A, B et D représentent les constantes généralisées de la machine à deux bornes. L'expression ci-dessus donne la puissance en watts, calculée par phase, à condition que les tensions utilisées soient des tensions de phase en volts.

Raisons de l'instabilité du système

Considérons un moteur synchrone connecté à un barreau infini, fonctionnant à une vitesse constante. Sa puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie plus les pertes. Si on ajoute la plus petite augmentation de charge mécanique au moteur, la puissance de sortie du moteur augmente tandis que sa puissance d'entrée reste inchangée. Cela crée un couple de freinage net, provoquant une diminution temporaire de la vitesse du moteur.

Alors que le couple de freinage diminue la vitesse du moteur, l'angle de phase entre la tension interne du moteur et la tension du système augmente jusqu'à ce que la puissance d'entrée électrique soit égale à la puissance de sortie plus les pertes.

Au cours de cet intervalle transitoire, puisque la puissance d'entrée électrique du moteur est inférieure à la charge mécanique, l'excédent de puissance nécessaire est prélevé sur l'énergie stockée dans le système rotatif. Le moteur oscille autour du point d'équilibre et peut finalement s'arrêter ou perdre la synchronisation.

Un système perd également sa stabilité lorsqu'une charge importante est appliquée ou lorsque la charge est appliquée trop brusquement à la machine.

L'équation ci-dessous décrit la puissance maximale qu'un moteur peut développer. Cette charge maximale n'est atteignable que lorsque l'angle de puissance (δ) est égal à l'angle de charge (β). La charge peut augmenter jusqu'à ce que cette condition soit remplie ; au-delà de ce point, toute augmentation supplémentaire de la charge fera perdre la synchronisation à la machine en raison d'une puissance de sortie insuffisante.

Le déficit de puissance sera alors fourni par l'énergie stockée du système rotatif, entraînant une diminution de la vitesse. À mesure que le déficit de puissance s'accentue, l'angle diminue progressivement jusqu'à ce que le moteur s'arrête.

Pour tout δ donné, la différence entre la puissance développée par le moteur et le générateur est égale aux pertes de ligne. Si la résistance et l'admittance latérale de la ligne sont négligeables, la puissance transférée entre l'alternateur et le moteur peut être exprimée comme suit :

Où, X – réactance de la ligne

• V_G – tension du générateur

• V_M – tension du moteur

• δ – Angle de charge

• P_M – Puissance du moteur

• P_G – Puissance du générateur

• P_max – puissance maximale

Méthodes pour améliorer la limite de stabilité en régime permanent

La puissance maximale transférée entre un alternateur et un moteur est directement proportionnelle au produit de leurs forces électromotrices internes (FEM) et inversement proportionnelle à la réactance de la ligne. La limite de stabilité en régime permanent peut être augmentée par deux approches principales :

• L'augmentation de l'excitation du générateur, du moteur, ou des deux
  L'amélioration de l'excitation augmente la FEM interne des machines, ce qui à son tour augmente la puissance maximale transférée entre elles. De plus, des FEM internes plus élevées réduisent l'angle de charge (δ).

• La réduction de la réactance de transfert
  La réactance de transfert peut être réduite par :

• L'ajout de lignes de transmission parallèles entre les points de connexion ;

• L'utilisation de conducteurs groupés, qui réduisent la réactance de ligne ;

• L'incorporation de condensateurs en série dans la ligne.

Les condensateurs en série sont principalement utilisés dans les lignes de très haute tension (THT) pour améliorer l'efficacité du transfert de puissance et sont plus économiquement viables pour des distances dépassant 350 km.