Quelles sont les classifications et les types de contrôleurs et d'appareils FACTS
Selon le type de connexion du contrôleur FACTS avec le système électrique, il est classé comme suit :
Contrôleur en série
Contrôleur en dérivation
Contrôleur combiné en série-série
Contrôleur combiné en dérivation-série
Contrôleurs en série
Les contrôleurs en série introduisent une tension en série avec la tension de ligne, généralement en utilisant des dispositifs d'impédance capacitifs ou inductifs. Leur fonction principale est de fournir ou d'absorber de la puissance réactive variable selon les besoins.
Lorsqu'une ligne de transport est fortement chargée, la demande accrue de puissance réactive est satisfaite en activant des éléments capacitifs dans le contrôleur en série. Inversement, sous un faible chargement - où la demande réduite de puissance réactive fait monter la tension à l'extrémité réceptrice au-dessus de celle de l'extrémité émettrice - des éléments inductifs sont utilisés pour absorber l'excès de puissance réactive, stabilisant ainsi le système.
Dans la plupart des applications, des condensateurs sont installés près des extrémités de la ligne pour compenser la demande de puissance réactive. Les dispositifs courants à cet effet incluent les Condensateurs Série Contrôlés par Thyristors (TCSC) et les Compensateurs Série Synchrone Statique (SSSC). La configuration de base d'un contrôleur en série est illustrée dans la figure ci-dessous.
Contrôleurs en dérivation
Les contrôleurs en dérivation injectent un courant dans le système électrique à leur point de connexion, en utilisant des impédances variables telles que des condensateurs et des inducteurs - similaire en principe aux contrôleurs en série mais différent par la méthode de connexion.
Compensation capacitive en dérivation
Lorsqu'un condensateur est connecté en parallèle avec le système électrique, l'approche est appelée compensation capacitive en dérivation. Les lignes de transport avec des charges hautement inductives fonctionnent généralement à un facteur de puissance retardé. Les condensateurs en dérivation répondent à cela en tirant un courant qui précède la tension de la source, compensant la charge retardée et améliorant le facteur de puissance global.
Compensation inductive en dérivation
Lorsqu'un inducteur est connecté en parallèle, la méthode est connue sous le nom de compensation inductive en dérivation. Cette méthode est moins couramment utilisée dans les réseaux de transport, mais devient cruciale pour les lignes très longues : sous conditions de charge nulle, de faible charge ou de charge déconnectée, l'effet Ferranti fait monter la tension à l'extrémité réceptrice au-dessus de celle de l'extrémité émettrice. Les compensateurs inductifs en dérivation (par exemple, les réacteurs) absorbent l'excès de puissance réactive pour atténuer cette montée de tension.
Des exemples de systèmes de contrôleurs en dérivation incluent les Compensateurs VAR Statiques (SVC) et les Compensateurs Synchrone Statique (STATCOM).
Contrôleurs combinés en série-série
Dans les systèmes de transport multi-lignes, les contrôleurs combinés en série-série emploient un ensemble de contrôleurs en série indépendants travaillant en coordination. Cette configuration permet une compensation réactive individuelle pour chaque ligne, assurant un soutien adapté à chaque circuit.
De plus, ces systèmes peuvent faciliter le transfert de puissance active entre les lignes par le biais d'un lien de puissance dédié. Alternativement, ils peuvent adopter une conception de contrôleur unifié où les bornes DC des convertisseurs sont interconnectées - ce qui permet directement le transfert de puissance active vers les lignes de transport. Un exemple représentatif de ce type de système est le Contrôleur de Flux de Puissance Interligne (IPFC).
Contrôleurs combinés en dérivation-série
Ce type de contrôleur intègre deux composants fonctionnels : un contrôleur en dérivation qui injecte une tension en parallèle avec le système, et un contrôleur en série qui injecte un courant en série avec la ligne. Ces deux composants opèrent de manière coordonnée pour optimiser les performances globales. Un exemple notoire de ce type de système est le Contrôleur de Flux de Puissance Unifié (UPFC).
Types de dispositifs FACTS
Une gamme de dispositifs FACTS a été développée pour répondre à divers besoins d'application. Voici un aperçu des contrôleurs FACTS les plus couramment utilisés, classés par type de fonction :
Compensateurs en série :
Compensateurs en dérivation :
Compensateurs en série-série :
Compensateurs en dérivation-série :
Examinons brièvement chaque compensateur :
Condensateur Série Contrôlé par Thyristors (TCSC)
Le TCSC introduit une réactance capacitive en série avec le système électrique. Sa structure de base comprend une banque de condensateurs (composée de plusieurs condensateurs en configuration série-parallèle) connectée en parallèle avec un réacteur contrôlé par thyristors. Cette conception permet un ajustement lisse et variable de la capacité en série.
Les thyristors régulent l'impédance du système en contrôlant l'angle de déclenchement, ce qui ajuste l'impédance totale du circuit. Un diagramme simplifié du TCSC est illustré dans la figure ci-dessous.
Réacteur Série Contrôlé par Thyristors (TCSR)
Le TCSR est un compensateur en série qui fournit une réactance inductive réglable en douceur. Sa conception est analogue à celle du TCSC, la principale différence étant que le condensateur est remplacé par un réacteur.
Le réacteur cesse de conduire lorsque l'angle de déclenchement des thyristors atteint 180°, et commence à conduire lorsque l'angle de déclenchement est inférieur à 180°. Un diagramme de base du Réacteur Série Contrôlé par Thyristors (TCSR) est illustré dans la figure ci-dessous.
Condensateur Série Commuté par Thyristors (TSSC)
Le TSSC est une technique de compensation en série similaire en principe au TCSR, mais avec une différence opérationnelle clé : tandis que le TCSR réalise le contrôle de puissance en ajustant les angles de déclenchement des thyristors (permettant une régulation par paliers), les thyristors du TSSC fonctionnent en mode simple "marche/arrêt" sans ajustement de l'angle de déclenchement. Cela signifie que le condensateur est soit entièrement connecté à la ligne, soit complètement déconnecté.
Cette opération simplifiée réduit la complexité et le coût des thyristors et du contrôleur global. Le diagramme de base du TSSC est identique à celui du TCSC.
Compensateur Série Synchrone Statique (SSSC)
Le SSSC est un dispositif de compensation en série utilisé dans les systèmes de transport pour réguler le flux de puissance en contrôlant l'impédance équivalente de la ligne. Sa tension de sortie est entièrement contrôlable et indépendante du courant de ligne - en ajustant cette tension de sortie, l'impédance effective de la ligne peut être modulée avec précision.
Fonctionnellement, le SSSC agit comme un générateur synchrone statique connecté en série avec la ligne de transport. Son objectif principal est d'ajuster la chute de tension sur la ligne, permettant ainsi de contrôler le flux de puissance. Le SSSC injecte une tension en quadrature (décalage de phase de 90°) par rapport au courant de ligne : si la tension injectée précède le courant, elle fournit une compensation capacitive ; si elle le suit, elle fournit une compensation inductive. Un diagramme de base du Compensateur Série Synchrone Statique est illustré dans la figure ci-dessous.
Compensateur VAR Statique (SVC)
Un Compensateur VAR Statique (SVC) se compose d'une banque de condensateurs fixes connectée en parallèle avec un inducteur contrôlé par thyristors. L'angle de déclenchement des thyristors régule le fonctionnement du réacteur, contrôlant directement la tension à travers l'inducteur - et donc la quantité de puissance qu'il consomme.
Cette configuration permet au SVC de régler dynamiquement la production de puissance réactive, stabilisant la tension et améliorant le facteur de puissance dans le système de transport. Un diagramme de base du Compensateur VAR Statique est illustré dans la figure ci-dessous.
Applications du Compensateur VAR Statique (SVC)
Les SVC sont des dispositifs polyvalents utilisés pour améliorer les performances du système électrique, avec des fonctions clés comprenant :
Ils sont également largement adoptés dans les environnements industriels pour la gestion de la puissance réactive et l'amélioration de la qualité de l'énergie. Voici un aperçu des configurations SVC les plus courantes :
Réacteur Contrôlé par Thyristors (TCR)
Un TCR se compose d'un réacteur connecté en série avec une valve de thyristors - spécifiquement, deux thyristors connectés en anti-parallèle. Ces thyristors conduisent alternativement pendant chaque demi-cycle de l'alimentation AC, avec un circuit de commande délivrant des impulsions de déclenchement aux thyristors à chaque demi-cycle.
L'angle de déclenchement des thyristors détermine la quantité de puissance réactive retardée fournie au système. Les TCR sont couramment déployés sur les lignes de transport EHV (Très Haute Tension), où ils fournissent une compensation de puissance réactive pendant les conditions de faible charge ou de charge nulle. Un diagramme de base d'un Réacteur Contrôlé par Thyristors est illustré dans la figure ci-dessous.
Condensateur Commuté par Thyristors (TSC)
Sous des conditions de forte charge, la demande de puissance réactive augmente - et les Condensateurs Commutés par Thyristors (TSC) sont conçus pour répondre à cette demande accrue. Ils sont couramment déployés sur les lignes de transport EHV pendant les périodes de forte charge.
Le TSC partage un principe structurel similaire avec le TCR, mais avec un changement clé de composant : le réacteur dans le TCR est remplacé par un condensateur. Comme le TCR, le TSC régule la quantité de puissance réactive fournie à la ligne de transport en ajustant l'angle de déclenchement des thyristors. Un diagramme de base du Condensateur Commuté par Thyristors (TSC) est illustré dans la figure ci-dessous.
Réacteur Commuté par Thyristors (TSR)
Le TSR est structuralement similaire au Réacteur Contrôlé par Thyristors (TCR) mais diffère dans son fonctionnement : tandis que le TCR ajuste le courant en contrôlant les angles de déclenchement des thyristors (permettant un contrôle de phase), les thyristors du TSR fonctionnent en mode binaire "marche/arrêt" sans contrôle de phase. Cela signifie que le réacteur est soit entièrement connecté au circuit, soit complètement déconnecté.L'absence de régulation de l'angle de déclenchement simplifie la conception, réduisant les coûts des thyristors et minimisant les pertes de commutation. Le diagramme de base d'un TSR est identique à celui d'un TCR.
Compensateur Synchrone Statique (STATCOM)
Le STATCOM est un convertisseur de tension à source de courant basé sur l'électronique de puissance (VSC) qui régule les performances du système de transport en fournissant ou en absorbant de la puissance réactive - et peut également fournir un soutien de puissance active si nécessaire. Il est particulièrement efficace sur les lignes de transport avec un mauvais facteur de puissance et une régulation de tension, ce qui en fait un dispositif largement utilisé pour améliorer la stabilité de tension dans les systèmes électriques.
Le STATCOM fonctionne en utilisant un condensateur chargé comme sa source d'entrée DC, qui est converti en tension AC triphasée via un onduleur commandé en tension. La sortie de l'onduleur est synchronisée avec le système électrique AC, et le dispositif est connecté en dérivation avec la ligne de transport par l'intermédiaire d'un transformateur de couplage. En ajustant la sortie de l'onduleur, la puissance réactive (et active) fournie par le STATCOM peut être contrôlée avec précision. Un diagramme de base du STATCOM est illustré dans la figure ci-dessous.
Contrôleur de Flux de Puissance Interligne (IPFC)
L'IPFC est une technique de compensation conçue pour les systèmes de transport multi-lignes, comportant plusieurs convertisseurs reliés par un bus DC commun - chaque convertisseur est connecté à une ligne de transport distincte.
Une capacité clé de ces convertisseurs est le transfert de puissance active, permettant d'équilibrer la puissance active et réactive entre les lignes interconnectées. Ce contrôle coordonné améliore l'efficacité et la stabilité globales des réseaux multi-lignes.Un diagramme de base de l'IPFC est illustré dans la figure ci-dessous.
Contrôleur de Flux de Puissance Unifié (UPFC)
Le UPFC intègre un STATCOM (Compensateur Synchrone Statique) et un SSSC (Compensateur Série Synchrone Statique) via un lien de tension DC partagé, combinant leurs fonctionnalités dans un seul système. Il utilise une paire de ponts triphasés commandables pour générer un courant, qui est injecté dans la ligne de transport par l'intermédiaire d'un transformateur de couplage.
Le UPFC excelle dans l'amélioration de multiples aspects des performances du système électrique, y compris la stabilité de tension, la stabilité de l'angle de puissance et l'amortissement du système. Il peut contrôler précisément le flux de puissance active (réelle) et réactive dans les lignes de transport. Cependant, il fonctionne de manière optimale uniquement sous des conditions de sinusoïde équilibrée et peut ne pas fonctionner efficacement lors d'états anormaux du système. De plus, le UPFC aide à supprimer les oscillations du système électrique et améliore la stabilité transitoire. Un diagramme de base du Contrôleur de Flux de Puissance Unifié (UPFC) est illustré dans la figure ci-dessous.
