Cours Appareillage électrique ETS - ELE752 Les systèmes FACTS présenté par Philippe Le-Huy, IREQ Auteurs: Gilbert Sybille Pierre Giroux (octobre 2013)

Contenu Convertisseurs CC-CA (VSC) Compensation Shunt (STATCOM)  Concepts et définitions Convertisseurs CC-CA (VSC) Compensation Shunt (STATCOM) Compensation Série (SSSC) Compensation Shunt-Série (UPFC) Interconnexion CC

Méthodologie Interaction/Questions Simulation de modèles FACTS à l’aide du logiciel Simscape Power Systems de MATLAB

Concepts et définitions

FACTS Les FACTS (Flexible AC Transmission System) sont des contrôleurs statiques de réseaux permettant le contrôle dynamique de la tension, de l’impédance et du déphasage angulaire des lignes de transport. Concepteurs: Narain Hingorani (EPRI) Laszlo Gyugyi (Westinghouse)

Principaux rôles des FACTS Améliorer la contrôlabilité d’un réseau de transport à courant alternatif Augmenter la puissance que peuvent transiter les lignes existantes sans compromettre leur fiabilité et leur stabilité

Quelques abréviations …. SSSC Static Synchronous Series Compensator STATCOM Static Synchronous Compensator SVC Static Var Compensator TCSC Thyristor-Controlled Series Capacitor UPFC Unified Power Flow Controller GTO Gate Turn-Off Thyristor IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor IGCT Integrated-Gate Controlled Thyristor PWM Pulse-Width Modulation VSC Voltage-Sourced Converter MMC Modular Multi-Level Converter SHE Selective Harmonic Elimination

Classification des FACTS Selon leur fonction/connexion: Shunt (SVC, STATCOM, …) Série (TCSC, SSSC, …) Shunt-Série (UPFC) Interconnexion CC Selon les composants d’électronique de puissance utilisés: Sans électronique de puissance (Transfo déphaseur, …) Interrupteurs à commutation naturelle (Thyristor, …) Interrupteurs à commutation forcée (GTO, IGCT, IGBT, …)

(« Conventionnels » à thyristors) FACTS (« Conventionnels » à thyristors) SVC Ligne TCSC C Ligne L Thyristors TCR TSC1 TSC2 TSC3

FACTS (Onduleur à GTO/IGBT) SSSC STATCOM Ligne Ligne VSC VSC UPFC Ligne VSC VSC

FACTS (Onduleur à GTO/IGBT) Réseau 1 Réseau 2 Interconnexion CC vsc Câbles CC

- II - Convertisseurs CC-CA

Convertisseurs CC-CA La plupart des FACTS sont constitués d’onduleurs de tension (VSC*) utilisant les interrupteurs électroniques suivants: GTO, IGCT et IGBT * VSC: Voltage-Sourced Converter

Interrupteurs électroniques (à commutation forcée) GTO: Gate Turn-off Thyristor Un type de thyristor, conçu par GE, pouvant être éteint par l'intermédiaire d'un courant envoyé sur sa gachette IGCT: Integrated-Gate Commutated Thyristor Un GTO ayant un « hard turn-off », conçu par ABB et Mitsubishi. permettant une extinction plus rapide qu’un GTO conventionnel IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor Le IGBT représente la version « miniaturisée » du GTO, ou encore la version pour courants forts du transistor électronique

IGCT (Société ABB)

Convertisseur triphasé (2 niveaux) à six pas Intervalle de 60o + - Vdc A B C Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 Q1 X X X Q3 X X X Q5 X X X VDC VAB VBC Note 1: Q2, Q4 et Q6 complémentaires à Q1, Q3 et Q5 VCA Note 2: Chaque GTO conduit pendant 180o 2/3 * VDC Note 3: Tension ph-ph fondamentale (volts crête): VAN 1/3 * VDC

Convertisseur 3 niveaux (onde rectangulaire) Valeur de s pour éliminer une harmonique n: Tension fondamentale (volts crête):

Simscape Power Systems de MATLAB Un outil de simulation qui permet aux ingénieurs de modéliser et de simuler les réseaux électriques et leurs systèmes de commande dans l’environnement Simulink.

Convertisseur triphasé (VSC à 48 impulsions) (démo SPS : power_48pulsegtoconverter) En faisant varier le niveau de tension du lien CC, on change l’amplitude de la tension CA générée.

Contenu spectral - Tension primaire (phase A) VSC à 48 impulsions Simulation SimPowerSystems

Onduleur à IGBT Illustration de la technique « Sinusoidal PWM » (démo SPS power_OnePhasePWMInverter)

Illustration de la technique « Sinusoidal PWM » Onduleur à IGBT Illustration de la technique « Sinusoidal PWM » Modulation index (m)

triphasé à IGBT (2 et 3 niveaux) Onduleur typique PWM triphasé à IGBT (2 et 3 niveaux)

triphasé à IGBT (3 niveaux) Onduleur typique PWM triphasé à IGBT (3 niveaux)

Sommaire Onduleur de tension (VSC) Type de semi-conducteurs: GTO, IGCT ou IGBT Nombre de niveaux: 2, 3, multiple Type onde rectangulaire : Tension rms ph-ph: Onde rectangulaire 2 niveaux Tension rms ph-ph: Onde rectangulaire 3 niveaux où s = angle de conduction

Onduleur de tension (VSC) Sommaire Onduleur de tension (VSC) Type PWM (2 ou 3 niveaux) Sinusoïdal (SPWM) Vecteur d’espace « Space Vector » (SVPWM) : Tension rms ph-ph: (S-PWM) 2 et 3 niveaux Tension rms ph-ph: (SV-PWM) où m = index de modulation

Convertisseurs multi-niveaux type « MMC »

Évolution des topologies (vue ABB) 2 niveaux 3 niveaux 2 niveaux - SHE (« Selective Harmonic Elimination ») CTLC (MMC)

Comparaison des pertes (vue ABB) SiemensCompareConv2N_MMC.wmv

Convertisseurs multi-niveaux (MMC)

Convertisseurs multi-niveaux (MMC)

Convertisseurs multi-niveaux (MMC) power_HalfBridgeMMC

Convertisseurs multi-niveaux (MMC) power_statcom_22PM

- III - Compensation shunt STATCOM

STATic Synchronous COMpensator STATCOM STATic Synchronous COMpensator Compensateur statique de type shunt qui fournit ou absorbe de la puissance réactive pour maintenir la tension du réseau constante. Comparé à un compensateur statique à thyristors (SVC), le STATCOM: utilise un VSC au lieu d’éléments LC contrôlés par thyristors peut produire plus de puissance réactive lorsque la tension est faible est normalement plus rapide ne génère pas d’harmoniques de basses fréquences

STATCOM vs SVC Caractéristique V-I Plage de régulation STATCOM Imax Imax Iréactif Capacitif Inductif

Principe de fonctionnement STATCOM Principe de fonctionnement Vs Vonduleur > Vréseau STATCOM capacitif Vonduleur < Vréseau STATCOM inductif X Vréseau Vonduleur P Q q = angle d’avance de Vréseau sur Vonduleur Normalement ~ 0 degrés P ~ 0 X = réactance reliant les deux sources Vréseau et Vonduleur = tensions rms ph-ph des deux sources

STATCOM (démo SPS power_statcom_gto48p) Système de commande (modèle Simulink)

Formes d’onde STATCOM Régime capacitif Régime inductif Vprim Vsec Ip

- IV- Compensation série SSSC

Static Synchronous Series Compensator SSSC Static Synchronous Series Compensator La tension injectée (Vinj) par le SSSC est en quadrature (90o en avance ou en retard) avec le courant de ligne. Il ne requiert donc pas de source d’énergie externe. Il influence la puissance active transitée indépendamment de l’amplitude du courant de ligne. Il est efficace pour contrôler le transit de puissance sur une ligne de transport et pour amortir les oscillations de puissance. SSSC - Vinj + Ligne Iligne VSC

SSSC Contrôle de la puissance active transportée sur une ligne (démo SPS : power_sssc)

SSSC Amortissement des oscillations de puissance (POD) (démo SPS : power_sssc) Puissance (MW) SSSC en service Défaut de 10 cycles Temps (s)

Compensation shunt-série - V - Compensation shunt-série UPFC

(Unified Power Flow Controller) UPFC (Unified Power Flow Controller) Un STATCOM + un SSSC partageant le même lien CC. Le UPFC peut contrôler à la fois la tension CA du réseau, ainsi que les puissances active et réactive transportées par la ligne et ce, de façon indépendante.

(Unified Power Flow Controller) UPFC (Unified Power Flow Controller) I X - Vs + V2 V3 Ligne de transport V1 Vdc V2 Vs q Convertisseur shunt contrôle : module de V1 tension Vdc du lien CC Convertisseur série contrôle : module et angle de Vs Variation de d contrôle de P et Q d V1 I V3

Vue aérienne du UPFC au poste Inez (Westinghouse-Siemens) de la compagnie AEP (Westinghouse-Siemens)

Onduleurs du UPFC au poste Marcy (NYPA)

VI Interconnexion CC HVDC conventionnel : convertisseurs à thyristors, 12 impulsions ( voir démo SPS : power_hvdc12pulse) « HVDC light » (ABB) « HVDC plus » (Siemens) convertisseurs de type VSC à IGBT ( voir démo SPS : power_hvdc_vsc)

Interconnexion CC Réseau 1 Réseau 2 Interconnexion CC vsc Câbles CC Deux STATCOMs sur le même lien CC, utilisant des onduleurs de tension (IGBTs commandés par PWM)

Interconnexion CC Exemples Cross Sound link: Lien CC de 40 km entre le Connecticut et Long Island (NY). Tension de +/- 150 kV et puissance de 330 MW Back-to-Back (BtB) Tie de Eagle Pass: Interconnexion dos-à-dos de 36 MVA entre le Texas et le Mexique

Interconnexion CC BtB de Eagle Pass (ABB)

Répartition des coûts (Projet typique*) * Source Banque mondiale et ABB

Bibliographie [1] HINGORANI N. et GYUGYI L., Understanding FACTS, IEEE Press, 1996 [2] WILDI, T. et SYBILLE, G., Électrotechnique, 4e édition Les Presses de l’Université Laval, 2005. [3] SimPowerSystem User’s Guide - Version 4, The Mathworks Inc., 2008. [4] MOHAN, N., UNDELAND et ROBBINS, Power Electronics, J. Wiley & Sons, Inc., 1995 [5] FACTS – Powerful Systems for Flexible Power Transmission, ABB Review, 1999 [6] Power Compensation in Transmission Systems , Siemens Power Engineering Guide, Transmission and Distribution, 4th Edition [7] RUFER A.-CH., Développement, performances et perspectives des composants de l’électronique de puissance, EPFL, Lausanne [8] LARSSON T. et al. Eagle Pass Back-to-Back Tie: a Dual Purpose Application of VSC Technology, papier IEEE [9] Grunbaum R., Sharma R. et Charpentier J.P. Improving the efficiency and quality of AC transmission systems (Draft 3), joint World Bank/ABB Power System paper, March 2000