Brevet FR2744296A1 — publié le 19970801

La présente invention se rapporte à un système de régulation de puissance d'une ligne de distribution d'énergie électrique polyphasée. De nombreux types d'incidents peuvent apparaître dans les réseaux de distribution d'énergie électrique. Ces incidents peuvent être causés par exemple par des défauts dans un élément constitutif du réseau, par des chocs provoqués par des manoeuvres de ces moyens ou par de la foudre et peuvent entraîner une modification de la topologie du réseau. Pour assurer la stabilité du réseau ou pour équilibrer le transit de puissance en présence de tels incidents, différents dispositifs électroniques régulateurs de puissance peuvent être utilisés. On connaît des systèmes de régulation de puissance du type comprenant, branchés sur une ligne du réseau de distribution d'énergie, des premiers moyens de régulation de puissance réactive comportant un circuit onduleur d'échange de puissance réactive avec ladite ligne de distribution sous le contrôle d'un dispositif de commande de l'amplitude de la tension alternative de sortie du circuit onduleur et des deuxièmes moyens de régulation de puissance active et de l'impédance de ladite ligne comportant un deuxième circuit onduleur adapté pour injecter une tension alternative en série dans ladite ligne de distribution sous le contrôle d'un deuxième dispositif de commande de l'amplitude et du déphasage de ladite tension alternative par rapport à la tension de ladite ligne. Dans ces systèmes connus, les circuits onduleurs des premiers et deuxièmes moyens de régulation de puissance comportent un point commun, et sont donc situés au même potentiel. Cette construction nécessite de maintenir sensiblement constante la tension de ce point commun. Ces systèmes de régulation connus présentent par conséquent un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison du fait qu'une commande des onduleurs de type "pleine onde" avec variation de la tension du bus continu est inadaptée à cause de la structure de ces onduleurs. L'invention vise à pallier cet inconvénient. Elle a donc pour objet un système de régulation du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte une première et une deuxième sources de tension continue d'alimentation de chacun des circuits onduleurs respectifs et des moyens de commande de la charge et de la décharge desdites sources l'une par l'autre pour assurer à chacune d'elles, à l'aide de l'énergie disponible dans l'autre, le maintien d'un niveau d'énergie prédéterminé suffisant pour assurer un fonctionnement indépendant des premiers et deuxièmes moyens de régulation de puissance. L'invention peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes - les moyens de commande de la charge et de la décharge desdites sources comportent un circuit convertisseur tension continue-tension continue interposé entre lesdites sources et piloté par un dispositif de contrôle de la tension délivrée par chacune desdites sources - le circuit convertisseur comporte un élément inductif dont une borne est reliée à l'une des bornes de chaque source de tension continue et dont l'autre borne est reliée, par l'intermédiaire d'une cellule de commutation correspondante pilotée par le dispositif de contrôle, à l'autre borne de chacune des sources de tension continue;; - le circuit convertisseur comporte un transformateur de tension relié, par l'intermédiaire d'au moins une cellule de commutation pilotée par le dispositif de contrôle, auxdites sources de tension continue - lesdites cellules de commutation comportent un élément de commutation commutable à l'ouverture et à la fermeture, sous la commande du circuit de contrôle, et une diode branchée en anti-parallèle sur ledit élément de commutation - le circuit convertisseur comporte un élément inductif dont une borne est reliée à l'une des bornes de chaque source de tension continue et dont l'autre borne est reliée, par l'intermédiaire d'une diode à l'autre borne de l'une des sources de tension continue, et, par l'intermédiaire d'une cellule de commutation commutable à l'ouverture et à la fermeture, à l'autre borne de l'autre source de tension continue - le dispositif de contrôle comporte des moyens de réglage d'une tension alternative de consigne représentative de la tension à injecter en série dans la ligne de distribution et un circuit régulateur de la charge de la source de tension continue des deuxièmes moyens de régulation de puissance pilotant un circuit de commande de la commutation desdites cellules de commutation pour provoquer sélectivement la charge et la décharge de ladite source respectivement à partir de et dans la source de tension continue des premiers moyens de régulation de puissance réactive, en vue d'asservir la tension présente aux bornes de ladite source des deuxièmes moyens de régulation de puissance sur ladite tension de consigne - le circuit régulateur de la charge de ladite source de tension continue comporte un régulateur du type proportionnel-intégral - le dispositif de commande des premiers et deuxièmes moyens de régulation de puissance comporte un circuit de commande de type "pleine onde" ; - lesdites sources de tension continue sont constituées chacune par un condensateur. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure du système de régulation selon l'invention; - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant la structure du dispositif de contrôle du circuit convertisseur circuit continu-circuit continu ; et - la figure 3 illustre la structure du convertisseur tension continue-tension continue selon un autre mode de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté la structure générale d'un système de régulation d'un réseau de distribution d'énergie électrique de puissance, désigné par la référence numérique générale 10. Ce système de régulation comporte, branchés sur une ligne de distribution d'énergie électrique 12 du réseau, un premier module de régulation de puissance réactive 14 et un deuxième module de régulation 16 assurant la régulation de la puissance active et de l'impédance de la ligne 12. Le premier module de régulation de puissance réactive 14 comporte un circuit onduleur 18 constitué de deux circuits convertisseurs tension alternative-tension continue, respectivement 20 et 22, constitués de GTO, tel que 24, aux bornes desquels est branchée une diode 26 en anti-parallèle, et dont la commutation est pilotée par un dispositif de commande 28. La structure du circuit onduleur 18 est de type connu et ne sera donc pas décrit en détail par la suite. Le côté continu du circuit onduleur 18 est relié à une source de tension continue 30, constitué par un condensateur C1. Le côté alternatif du circuit onduleur 18 est branché en parallèle sur la ligne 12 par l'intermédiaire de deux transformateurs 32 et 34. Ces transformateurs permettent d'abaisser la tension élevée de la ligne de distribution d'énergie 12 afin de la rendre compatible avec le dimensionnement en tension des GTO, et d'échanger du courant réactif au moyen de son inductance de fuite. La puissance réactive échangée est fonction de la différence d'amplitude entre la tension délivrée par le circuit onduleur 18 et la tension de la ligne de distribution d'énergie 12, au rapport de transformation prêt. Par ailleurs, le dispositif de commande 28 permet d'échanger de la puissance active avec la ligne de distribution d'énergie électrique 12 en provoquant le déphasage de la tension délivrée par le circuit onduleur 18 par rapport à la tension de la ligne de distribution 12, afin de réguler la tension du condensateur 30. On voit également sur cette figure 1 que le deuxième module de régulation de puissance 16 comporte un circuit onduleur 36 constitué également de deux convertisseurs courant continu-courant alternatif, respectivement 38 et 40, comprenant également chacun un ensemble de cellules de commutation constituées chacune d'un GTO 42 et d'une diode 44 branchée en anti-parallèle sur le GTO 42. Le côté continu de ce deuxième circuit onduleur 36 est connecté à une source de tension continue 46 constitué par un deuxième condensateur C2 et son côté alternatif est branché en série sur la ligne de distribution d'énergie électrique 12 par l'intermédiaire de deux transformateurs 48 et 50. Ces transformateurs 48 et 50 assurent un isolement galvanique entre le circuit onduleur 36 et la ligne de distribution d'énergie électrique 12 à haute tension, et de réduire les harmoniques, et en particulier les harmoniques homopolaires. Ils assurent en outre une modification du rapport entre la tension ondulée et la tension insérée en série dans le réseau. Le deuxième circuit onduleur 36 assure la conversion de la tension continue VC2 délivrée par le deuxième condensateur C2 en une tension alternative injectée dans la ligne de distribution de l'énergie électrique 12. On voit également sur cette figure 1 que le deuxième circuit onduleur 36 est relié à un deuxième dispositif de commande 52 assurant le pilotage de la commutation des GTO 42 afin de réguler la tension insérée en série en fonction d'une tension de consigne imposée par exemple par un opérateur. Ce deuxième circuit onduleur 36 a également une structure connue et son fonctionnement ne sera donc pas décrit en détail par la suite. On voit en outre sur cette figure 1 que le système de régulation 10 est complété par un circuit 54 de liaison des deux sources de tension continue C1 et C2. Ce circuit 54 est constitué par un convertisseur tension continue-tension continue piloté par un dispositif de contrôle 56 de la tension délivrée par les sources de tension continue 30 et 46, afin de permettre une variation indépendante des tensions de ces sources de tension continue C1 et C2 tout en permettant une charge et une décharge de ces sources, à l'aide de l'énergie disponible dans l'autre source pour assurer un maintien de ces sources à un niveau d'énergie suffisant pour un fonctionnement indépendant des premier et deuxième modules de régulation. Cette construction autorise une commande des circuits onduleurs 18 et 36 de type "pleine onde" avec variation de la tension du bus continu. Le circuit convertisseur tension continuetension continue comporte un élément inductif 58 dont une borne est reliée aux bornes communes des condensateurs 30 et 46. L'autre borne de l'élément inductif 58 est reliée par l'intermédiaire de deux cellules de commutation 60 et 62 correspondantes aux autres bornes des condensateurs 30 et 46. On voit également sur cette figure que les cellules de commutation 60 et 62 sont constituées chacune d'un élément de commutation 64 et 66 piloté par le dispositif de contrôle 56 et aux bornes duquel est branchée une diode 68 et 70 en anti-parallèle. Les éléments de commutation 64 et 66 sont de préférence constitués de GTO commutables à l'ouverture et à la fermeture. Comme mentionné précédemment, le dispositif de contrôle 56 assure le pilotage de la commutation des éléments de commutation 64 et 66. Il assure ainsi la régulation de la tension présente aux bornes des condensateurs C1 et C2. En particulier, pendant l'initialisation du système de régulation, le dispositif de contrôle 56 précharge le condensateur C1 du premier module de régulation de puissance. On notera que cette opération de précharge ne nécessite aucun dispositif auxiliaire. Pour effectuer cette opération de charge, le premier régulateur de puissance réactive 18 est déconnecté du réseau, et le deuxième régulateur de puissance réactive est connecté au réseau. Le dispositif de contrôle 56 permet ainsi de charger le condensateur 30 du premier régulateur de puissance réactive tandis que la tension présente aux bornes du condensateur C2 du deuxième circuit régulateur de puissance active conserve une valeur sensiblement nulle. Le condensateur 30 est chargé sans surtension à ses bornes. Le dispositif de contrôle 56 permet la charge de ce condensateur au moyen d'un courant de charge et d'un temps de charge réglables. En régime permanent, le dispositif de contrôle 56 effectue le calcul de tensions de consigne pour les condensateurs C1 et C2 et asservit les tensions aux bornes de ces condensateurs sur ces valeurs de consigne. En particulier, la tension aux bornes du condensateur C1 du premier module de régulation de puissance 14 est régulée par le circuit onduleur 18 et la tension aux bornes du condensateur C2 du deuxième module de régulation de puissance 16 est régulée par un transfert de puissance active provenant du premier circuit régulateur de puissance réactive 14. Si la tension du deuxième condensateur C2 est inférieure à sa valeur de consigne, un transfert de puissance active s'effectue du premier module de régulation de puissance 14, en particulier du premier condensateur C1, dans le deuxième condensateur C2. De même, si la tension du deuxième condensateur C2 est supérieure à sa valeur de consigne, un transfert de puissance réactive de ce deuxième condensateur C2 s'effectue dans le premier condensateur C1. La description du dispositif de contrôle 56 permettant d'assurer ces différentes fonctions va maintenant être décrite en référence à la figure 2. Sur cette figure 2, la ligne de distribution d'énergie électrique a été schématisée par un bloc 72. Le dispositif de contrôle comporte des moyens de réglage d'une valeur alternative de consigne C représentative de la tension à injecter en série par le dernier module de régulation 16 (figure 1) dans la ligne de distribution. Ces moyens de réglage sont de type connus et ne sont pas représentés. Un comparateur 74 assure la comparaison entre la consigne C et une valeur correspondante mesurée à partir de la ligne de distribution et délivre un signal d'erreur à un régulateur 76 de type proportionnel intégral. Par ailleurs, un module 78 accessible à un opérateur permet de positionner le mode de fonctionnement du système de régulation, à savoir un mode de fonctionnement en régime permanent ou un mode de précharge du condensateur C1 du premier module de régulation de puissance réactive 14. I1 est à noter qu'au cours de la précharge du condensateur C1 du premier module de régulation, une consigne de tension nulle est imposée au condensateur C2 du deuxième module de régulation. Un second comparateur 80 assure la comparaison entre la valeur d'une tension de consigne VC2ref délivrée par le régulateur 76 et la valeur mesurée VC2mes de la tension présente aux bornes du deuxième condensateur C2 et pilote un circuit de commande 82 de la commutation des cellules de commutation du convertisseur courant continucourant continu. On voit sur cette figure que le dispositif de contrôle est complété par un module 84 assurant la multiplication de la tension VC2 aux bornes du deuxième condensateur C2 par un coefficient multiplicateur K dont la sortie délivre la valeur Vinj de la tension à insérer en série dans la ligne de distribution d'énergie 12. Ce circuit permet, en régime permanent, de maintenir la tension du deuxième condensateur C2 égale à sa valeur de consigne VC2ref. Si la valeur de consigne VC2ref est supérieure à la tension mesurée VC2mes du deuxième condensateur C2, le deuxième GTO 66 est ouvert, et le premier GTO 64 de la cellule de commutation reliée au premier condensateur C1 est fermé. Dès lors, le courant dans l'élément inductif 58 augmente. La valeur de courant ILref qui doit circuler dans l'inductance en vue de charger le deuxième condensateur C2 jusqu'à sa valeur de consigne VC2ref est données par la relation suivante dans laquelle L est la valeur de l'inductance 58. Lorsque l'égalité entre ILref et ILmes est établie, un ordre de fermeture du premier GTO 64 est fourni par le dispositif de contrôle. Il est à noter que les premier et deuxième GTO fonctionnent de manière complémentaire, à savoir que lorsque l'un est ouvert, l'autre est fermé. Le blocage du premier GTO 64 provoque par conséquent la charge du deuxième condensateur C2. Par ailleurs, si la consigne VC2ref est inférieure à la tension mesurée VC2mes du deuxième condensateur C2, le deuxième GTO 66 est fermé pour décharger le deuxième condensateur C2 dans l'élément inductif 58. Une fois l'égalité entre VC2ref et VC2mes établie, un ordre de blocage du deuxième GTO 66 est envoyé par le dispositif de contrôle au circuit de commande 82, tandis que le premier GTO 64 est fermé. Dès que le courant circulant dans l'élément inductif 58 s'annule, on ouvre le premier GTO 64. De ce qui précède, on conçoit que le circuit convertisseur 54 associé à son dispositif de contrôle 56 assure la régulation du niveau de charge des condensateurs Cl et C2 au moyen d'un couplage en deux étapes distinctes de ces condensateurs à des instants auxquels l'un de ces condensateurs présente à ses bornes une tension située en dehors d'une plage admissible. Il autorise en outre une variation indépendante des tensions délivrées par chacune de ces sources de manière à permettre un fonctionnement indépendant des premier et deuxième 16 modules de régulation de puissance. Il est ainsi possible d'échanger de la puissance active et de la puissance réactive avec le réseau de façon indépendante. Un autre mode de réalisation du convertisseur tension continue-tension continue va maintenant être décrit en référence à la figure 3. Sur cette figure, le dispositif de contrôle du convertisseur courant continu-courant continu comporte une structure et un fonctionnement similaires à ce qui a été décrit précédemment. I1 ne sera donc pas décrit. On voit sur cette figure qu'il est également possible de réduire considérablement le nombre des interrupteurs, en supposant que le deuxième régulateur de puissance active fournit de la puissance active. Dans ce mode de réalisation, le circuit convertisseur ne comporte qu'un unique élément de commutation 86 constitué par un GTO reliant l'élément inductif 88 au deuxième condensateur C3, alimentant le deuxième module de régulation (non représenté), et piloté par un dispositif de contrôle (non représenté). Dans cet exemple, la cellule de commutation de la figure 1, reliant l'élément inductif 88 au premier condensateur C4 alimentant le premier module de régulation (non représenté), est remplacé par une diode 90. Le système de régulation qui vient d'être décrit permet d'améliorer de façon considérable les performances des régulateurs actuels. Ses avantages sont les suivants: - une réduction des contraintes de tension appliquée à l'onduleur du premier régulateur de puissance réactive de 20% - une réduction des harmoniques par l'utilisation d'un dispositif de contrôle minimisant les harmoniques par rapport au dispositif de contrôle de l'état de la technique, les valeurs les plus défavorables étant réduites de plus de 50% - une réduction des pertes dans les onduleurs par diminution des pertes par commutation ; et - une diminution de la taille des condensateurs pour une ondulation similaire. On conçoit par ailleurs que la précharge du condensateur du premier module de régulation de puissance réactive étant effectuée par le deuxième module de régulation de puissance active, un circuit auxiliaire de précharge n'est pas nécessaire. Le système de régulation selon l'invention peut par conséquent fonctionner de manière autonome. REVENDICATIONS 1. Système de régulation de puissance d'une ligne de distribution (12) d'énergie électrique comprenant, branchés sur ladite ligne, des premiers moyens de régulation de puissance réactive (14) comportant un circuit onduleur (18) d'échange de puissance réactive avec ladite ligne de distribution (12) sous le contrôle d'un dispositif de commande (28) de l'amplitude de la tension alternative de sortie du circuit onduleur (18) et des deuxièmes moyens (16) de régulation de puissance active et de l'impédance de ladite ligne (12) comportant un deuxième circuit onduleur (36) adapté pour injecter une tension alternative dans ladite ligne (12) de distribution sous le contrôle d'un deuxième dispositif de commande (52) de l'amplitude et du déphasage de ladite tension alternative par rapport à la tension de ladite ligne, caractérisé en ce qu'il comporte une première (30) et une deuxième (46) sources de tension continue (VC1,VC2) d'alimentation de chacun des circuits onduleurs (18,36) respectifs et des moyens de commande (54,56) de la charge et de la décharge desdites sources (30,46) l'une par l'autre pour assurer à chacune d'elles, à l'aide de l'énergie disponible dans l'autre, le maintien d'un niveau d'énergie prédéterminé suffisant pour assurer un fonctionnement indépendant des premiers (14) et deuxièmes (16) moyens de régulation de puissance. 2. Système de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de la charge et de la décharge desdites sources (30,46) comportent un circuit convertisseur (54) tension continuetension continue interposé entre lesdites sources (30,46) et piloté par un dispositif de contrôle (56) de la tension délivrée par chacune desdites sources (30,46). 3. Système de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit convertisseur (54) comporte un élément inductif (58) dont une borne est reliée à l'une des bornes de chaque source de tension continue (30,46) et dont l'autre borne est reliée, par l'intermédiaire d'une cellule de commutation (60,62) correspondante pilotée par le dispositif de contrôle (56), à l'autre borne de chacune des sources de tension continue. 4. Système de régulation selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites cellules de commutation comportent un élément de commutation (64,66) commutable à l'ouverture et à la fermeture, sous la commande du circuit de contrôle, et une diode (68,70) branchée en anti-parallèle sur ledit élément de commutation (64,66). 6. Système de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit convertisseur (54) comporte un élément inductif (88) dont une borne est reliée à l'une des bornes de chaque source de tension continue et dont l'autre borne est reliée, par l'intermédiaire d'une diode (90), à l'autre borne de l'une des sources de tension continue, et, par l'intermédiaire d'une cellule de commutation (86) commutable à l'ouverture et à la fermeture, à l'autre borne de l'autre source de tension continue. 7. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (56) comporte des moyens de réglage d'une tension alternative de consigne (C) représentative de la tension à injecter en série dans la ligne de distribution (12) et un circuit régulateur (76) de la charge de la source de tension continue (46) des deuxièmes moyens (16) de régulation de puissance pilotant un circuit de commande (82) de la commutation desdites cellules de commutation pour provoquer sélectivement la charge et la décharge de ladite source (46) respectivement à partir de et dans la source de tension continue (30) des premiers moyens de régulation de puissance réactive (14), en vue d'asservir la tension présente aux bornes de ladite source (46) des deuxièmes moyens (16) de régulation de puissance sur ladite tension de consigne (C). 8. Système de régulation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit régulateur de la charge de ladite source de tension continue comporte un régulateur (76) du type proportionnel-intégral. 9. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de commande (28,52) des premiers et deuxièmes moyens de régulation de puissance comporte un circuit de commande de type "pleine onde". 10. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites sources de tension continue sont constituées chacune par un condensateur (C1,C2).