# SECTION X.
## ÉNERGIE ET INGÉNIERIE ÉLECTRIQUE

DOI 10.36074/logos-11.11.2022.16

### CERTAINS ASPECTS DE L'ÉVOLUTION ACTUELLE DE L'EFFICATION ÉNERGÉTIQUE DES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES URBAINS

ORCID ID: 0000-0003-4940-7859

Viacheslav Okhrimenko

Candidat ès Sciences Techniques, Professeur agrégé au Département des systèmes urbains d'alimentation et de consommation électrique
*O. M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv*

ORCID ID: 0000-0002-0050-030X

Vitaliy Malyarenko

Docteur ès Sciences en Sciences Techniques, Professeur au Département des systèmes urbains d'alimentation et de consommation électrique
*O. M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv*

ORCID ID: 0000-0002-2395-4865

Kostiantyn Borovoi

Étudiant de troisième cycle au Département des systèmes urbains d'alimentation et de consommation électrique
*O. M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv*

UKRAINE

Les réseaux électriques urbains (RÉU) sont l'un des principaux éléments de City Life-Support Système. Les problèmes environnementaux contemporains et la crise énergétique ont accru la pertinence des questions d'utilisation rationnelle des ressources énergétiques disponibles. De nos jours, l'économie d'énergie est devenue l'une des priorités de la politique technique de tous les pays développés du monde, y compris l'Ukraine.

La croissance des agglomérations, des villes et l'émergence de mégapoles ont entraîné une augmentation significative de la consommation d'électricité et l'aggravation du problème d'efficacité énergétique des RÉUs. L'un des moyens d'augmenter l'efficacité énergétique des RÉUs consiste à réduire les pertes lors de la distribution et de la transformation de l'électricité dans tous les éléments du système d'alimentation électrique, des sous-stations électriques aux l'appareillage du consommateur d'électricité. Cette question est invariablement soulevée lors de la conception de nouveaux systèmes d'alimentation électrique et dans le processus de modernisation des systèmes existants.

Compagnies d'électricité d'Ukraine (National Power Company "Ukrenergo", compagnies d'électricité régionales), institutions scientifiques (Syndicat scientifique et technique des travailleurs de l'énergie et des ingénieurs électriciens d'Ukraine, Institut des problèmes de modélisation en énergie de National Académie des sciences d'Ukraine, l'Institut d'électrodynamique de National Académie des sciences d'Ukraine) [1]) et les scientifiques [2-4] portent une attention particulière aux
problèmes d'économie d'énergie et d'efficacité énergétique du Système Énergétique Uni d'Ukraine.

Les réseaux électriques urbains, en tant que composant du Système Énergétique Uni d'Ukraine, ont des particularités de construction, de structure et d'exigences pour les modes de fonctionnement, qui doivent être pris en compte pour assurer leur fonctionnement fiable dans les conditions du marché de l'énergie. En ce moment, ils sont caractérisés par les facteurs négatifs suivants [5] :

- l'état insatisfaisant d'une partie importante des équipements des réseaux électriques, dont la plupart ont servi la période d'exploitation prévue dans la documentation technique et entraînent des pertes importantes d'énergie électrique, une fiabilité insuffisante lors de l'exploitation du réseau et nécessite un remplacement ;

- une configuration de réseau inefficace, qui se manifeste principalement par la longueur considérable des lignes électriques, ainsi que par la structure sous-optimale du réseau en raison du développement et de la reconstruction progressifs des réseaux ;

- faible niveau d'automatisation du réseau (à ce jour, le niveau d'équipement du RÉU en moyens de gestion automatique des modes est inférieur à 50%, ce qui entraîne des pertes opérationnelles importantes) ;

- les problèmes de raccordement des nouveaux abonnés, notamment les infrastructures de production décentralisée, de chauffage électrique et de transport électrique, qui surviennent du fait de la faible capacité du RÉU ;

- le faible niveau des équipements du RÉU dans les systèmes de comptabilité automatiques de l'électricité.

**L'objectif de ce travail** est de découvrir les caractéristiques de l'état actuel de la solution du problème de l'amélioration de l'efficacité énergétique des RÉUs.

L'analyse des publications scientifiques de ces dernières années montre qu'une grande attention est portée aux questions suivantes :

- l'amélioration du cadre juridique et réglementaire, notamment les relations mutuelles entre les acteurs du marché de l'énergie électrique [1, 6] ;

- support d'information pour résoudre les problèmes de fonctionnement efficace des systèmes d'alimentation [1, 4];

- développement de méthodes d'analyse et d'optimisation des réseaux électriques [3, 7, 8] ;

- recherche sur les moyens de réduire les pertes dans les réseaux électriques et amélioration des outils de calcul et d'analyse des pertes, y compris en mettant en place des systèmes automatisés en temps réel [1, 8] ;

- l'étude des modes de systèmes d'alimentation électrique avec de nouvelles composantes structurantes : les sources d'électricité renouvelables, notamment les éoliennes et les photovoltaïques [3, 9] ; consommateurs-sources (voitures électriques) [10], consommateurs-régulateurs de charge électrique [11, 12].

Considérons quelques aspects des moyens modernes d'amélioration de l'efficacité énergétique des RÉU.

**Compensation de puissance réactive.** Le problème d'amélioration du facteur de puissance active est considéré aujourd'hui sous l'angle de l'optimisation de la répartition de la puissance réactive en RÉU. Comme on le sait, la transmission de puissance réactive (PR) charge les éléments du réseau, réduisant leur capacité globale, et en période de pointe, la charge réactive du RÉU est égale à la charge active, le facteur de puissance active a des valeurs plutôt faibles. Par exemple, dans [13] il est indiqué qu'à l'entrée d'un immeuble résidentiel multi-appartements, les
valeurs moyennes de cos φ 0,88 ont été enregistrées pendant la journée, et 0,84 selon la phase.

Les processus de génération d'énergie réactive sont particulièrement évidents dans les systèmes avec des convertisseurs à semi-conducteurs. Aujourd'hui, les convertisseurs d'énergie électrique sont largement utilisés dans les systèmes d'alimentation électrique urbains. Il s'agit de l'alimentation électrique des transports et des entraînements électriques contrôlés, des magasins et des complexes commerciaux avec systèmes de climatisation et de ventilation, des installations de production : petites et moyennes entreprises, entreprises industrielles et usines. L'énergie réactive générée par les convertisseurs à semi-conducteurs a des effets négatifs sur le fonctionnement des systèmes d'alimentation électrique. En conséquence, des surcharges de courant des lignes de transport d'électricité apparaissent, ce qui, à son tour, entraîne une augmentation des pertes de puissance électrique, une augmentation des coûts d'investissement lors de l'introduction de capacités supplémentaires et un vieillissement accéléré des coques d'isolation électrique.

L'utilisation de puissants redresseurs à thyristors réglables, par exemple pour charger des batteries de stockage stationnaires, conduit à la présence d'harmoniques de courant plus élevées dans le système. Lors du réglage de phase des paramètres de sortie, la première harmonique du courant est décalée par rapport à la tension d'alimentation de l'angle de commande. En conséquence, PR est consommé à partir du réseau.

Pour la compensation de PR, comme solution schématique la plus simple, on utilise les batteries de condensateurs. Le fonctionnement du redresseur à condensateurs de compensation se distingue principalement par la présence de la composante capacitive du courant circulant dans les fils du réseau d'alimentation, ainsi que par l'effet des tensions des condensateurs sur les moments de commutation naturelle des vannes incontrôlées.

On sait que la part de puissance réactive augmente lorsque la charge diminue. Par conséquent, l'une des mesures pour éliminer l'impact négatif de la PR est l'optimisation de la charge du réseau électrique. Ainsi, par exemple, la majorité des entraînements électriques asynchrones, dont la part utilisée dans la production est d'environ 60%, fonctionnent la plupart du temps à une charge de 60 à 80%. Par conséquent, l'une des mesures pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'électricité peut consister à réduire la puissance nominale des entraînements électriques.

Dans le même temps, la puissance réactive est nécessaire à la création de champs électromagnétiques lors du processus de conversion de l'énergie électrique dans les transformateurs, et vice versa - conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique dans les machines électriques. À cet égard, afin d'éviter l'impact négatif de la PR sur les processus se déroulant dans le réseau électrique, il est nécessaire de prévoir des dispositifs de génération d'énergie électrique directement au niveau du récepteur final. À cet effet, dans les appareils électriques, des compensateurs capacitifs sont installés sur les bornes d'entrée, qui génèrent de la PR directement dans la charge et l'empêchent de revenir sur le réseau lorsque les valeurs de courant et de tension sont de signe opposé, puisque l'échange d'énergie dans ce cas n'a pas lieu entre le réseau et la charge, mais entre la charge et le compensateur.

Indicateurs d'économie d'énergie en cas d'utilisation de convertisseurs à semi-
conducteurs dépendent directement du facteur de puissance active et de l'efficacité.
Étant donné qu'on obtient l'amélioration d'efficacité par des méthodes traditionnelles,
qui sont pratiquement épuisés, le développement de schémas de correction active
du facteur de puissance actif dans la structure de convertisseurs à semi-conducteurs semble le plus favorable [8, 14]. Il s'agit de développement et de la mise en œuvre de puissants convertisseurs à semi-conducteurs utilisant la fonction de correction du facteur de puissance PFC (Power Factor Correction) [8, 15, 16]. Des travaux sont actuellement en cours pour créer des convertisseurs avec des cosφ de 0,98 ou plus.

Les réseaux de distribution urbaine de 0,4 kV se caractérisent par la présence de gratte-ciel dont le nombre tend à augmenter. Le mode de réseau de distribution de gratte-ciel se caractérise par une charge de phases uniforme (les consommateurs électriques dans les appartements sont généralement monophasés) et de faibles valeurs de cosφ, ce qui complique la solution de la tâche d'optimisation du mode dans le réseau de gratte-ciel. On propose [17] une solution au problème d'optimisation de la compensation PR dans les colonnes montantes de gratte-ciel en assimilant une ligne avec une charge uniformément répartie par une ligne principale avec une connexion aveugle au centre de chacune. On définit la capacités et lieux d'installation des batteries de condensateurs sur la base des mesures des pertes de tension dans les sections principales du schéma du réseau électrique et de l'algorithme de calcul de la perte de puissance active et réactive dans le réseau électrique de 0,4 kV de gratte-ciel.

**Sources locales, consommateurs-régulateurs et consommateurs-consommateur-générateur.** Facteurs relativement nouveaux qui affectent le régime du RÉU sont les sources locales d'électricité sur les panneaux solaires. La crise énergétique mondiale entraîne la diffusion des sources renouvelables d'énergie électrique, en particulier l'utilisation de photovoltaïque comme sources locales dans le RÉU.

La large gamme de puissances des sources urbaines sur panneaux solaires (de l'unité du kW à la centaine de MW) et l'instabilité de leur production d'électricité compliquent la tâche de planification du mode optimal du réseau de distribution urbain.

Le second facteur de diffusion est l'apparition des consommateurs-régulateurs d'électricité [11]. S'il est possible de contrôler le processus de raccordement du consommateur électrique au réseau électrique, alors il est logique de le connecter au réseau pendant les heures creuses. Par conséquent, de tels consommateurs électriques permettent de réduire les irrégularités du diagramme de charge électrique journalier et d'augmenter l'efficacité énergétique du RÉU.

La politique de réduction des émissions de CO₂ et réduire la consommation de carburant a conduit à l'apparition des voitures électriques, dont le nombre ne cesse d'augmenter. Le développement de l'infrastructure des stations de recharge pour véhicules électriques a immédiatement affecté les modes de RÉU. Un nouveau facteur influençant le mode de RÉU est l'utilisation de véhicules électriques comme sources d'énergie électrique [18]. L'approche consiste à charger les batteries des véhicules principalement pendant les heures creuses du RÉU et pendant les périodes de pointe de charge du RÉU transférer l'énergie de la batterie au réseau [12].

Tenant compte du terme déjà accepté de « consommateur-régulateur de charge électrique journalier » nous proposons également d'utiliser le terme « consommateur-générateurs » comme consommateurs d'électricité, qui, en mode de charges quotidiennes minimales, peut consommer de l'électricité du réseau électrique et, en mode de charges quotidiennes maximales, peut générer de l'électricité dans le réseau. Les voitures électriques et leurs stations-service appartiennent à cette catégorie de consommateurs d'électricité.

**Conclusion.** La problématique de l'efficacité énergétique des réseaux électriques urbains reste pertinente dans l'ensemble des tâches de réduction de la
consommation de carburants. Le développement dynamique des technologies, l'émergence de nouveaux types de consommateurs d'énergie électrique, leur impact important sur le mode des réseaux électriques urbains nécessitent des recherches scientifiques appropriées et le développement de méthodes et de modèles d'optimisation des modes des RÉUs qui prennent en compte les caractéristiques modernes des consommateurs d'énergie électrique.

Références:

[1] Problemy vtrat elektroenerhii v elektrychnykh merezhakh. Rishennia konferentsii. (2019) [Problems of power losses in electrical networks. Decision of the conference]. Cite de «Syndicat Scintifique et Technique des Travailleurs de l'Énergie et des Ingénieurs Électriciens d'Ukraine». [in Ukrainian]. Retrieved from https://www.ntseu.net.ua/special-projects/557-conf-decision

[2] Malyarenko, V. A. (2008). Enerhetyka i navkolyshnie seredovyshche [L'énergie et l'environnement]. Kharkiv, Édition de SAGA. [in Ukrainian]. Retrieved from https://eprints.kname.edu.ua/5282/1/e-book.pdf

[3] Lezhnyuk, P. D., Rubanenko, O. Ye., Gunko, I. O. (2018). Optymizatsiia rezhymiv elektrychnykh merezh z vidnovliuvanymy dzherelamy elektroenerhii [Optimisation des modes de réseaux électriques avec des sources d'électricité renouvelables]. Vinnytsia, VNTU. [in Ukrainian]. Retrieved from http://repository.vsau.org/getfile.php/16954.pdf

[4] Vakulenko, I. A., Kolosok, S. I., Kubatko O. V., Marekha, I. S., Matveeva, Y. T. & Opanasyuk, Yu. A. (2019). Dosvid rozbudovy rozumnykh enerhetychnykh merezh na mizhnarodnomu rivni [Expérience dans la construction de réseaux énergétiques intelligents au niveau international]. Soumy, Université d'État de Soumy. [in Ukrainian]. Retrieved from https://essuir.sumdu.edu.ua/bitstream-download/123456789/81682/1/Kolosok_monograf.pdf

[5] Dovgalyuk, O., Omelianenko, H., Pirotti, A., Bondarenko, R., Syromyatnikova, T. & Yakovenko, I. Measures evaluation to increase the work effciency of city distribution electric networks in conditions the Ukraine energy market. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Ser. : Energy: reliability and energy efficiency, 29 (1354), pp. 70-76. [in Ukrainian]. Retrieved from http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/47307/1/vestnik_KhPI_2019_29_Dovhaliuk_Otsinka.pdf

[6] Bohonko, I. V. (2017). Problemy zmenshennia vtrat elektroenerhii pid chas peredavannia. [Problèmes de réduction des pertes d'électricité pendant la transmission]. [in Ukrainian]. Retrieved from https://science.lpnu.ua/sites/default/files/journal-paper/2017/jun/2738/visnyk2016-16-22.pdf

[7] Falabretti, D & Sabbatini, G. (2022) A new clustering method for the optimization of distribution networks layout considering energy efficiency and continuity of service. Sustainable Energy, Grids and Networks, (30). https://doi.org/10.1016/j.segan.2022.100654

[8] Hu, X. M., & Zhang, G. T. (2012). Correction Technology and Development on Active Power Factor. Advanced Materials Research, Vols. 424-425, pp. 941-944. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.424-425.941

[9] Guingane, T., Koalaga, Z., Beogo, C., Simonguy, E., Ouiya, N., Bonkoungou, D., et Zougmore, F. (2017). Impact de la pénétration du photovoltaïque sur le resau électrique. Am. J. innov. res. appl. sci. 5(6). 397-404. http://american-jiras.com/Toussaint-ManuscriptRef.1-ajira211017.pdf

[10] Kumar, P., Nikolovski, S., Ali, I., Thomas, M.S., Ahuja, H. (2022). Impact of Electric Vehicles on Energy Efficiency with Energy Boosters in Coordination for Sustainable Energy in Smart Cities. Processes, 10, 1593. https://doi.org/10.3390/pr10081593

[11] Shcherbak, I. Evaluation of equalization of the schedules of electric load. (2018). Lighting Engineering & Power Engineering, 1(51), 36-31. [in Ukrainian]. Retrieved from https://lepe.kname.edu.ua/index.php/lepe/issue/download/38/7

[12] Shevchenko, S.Y., Savchenko, N.A., Tretjak, A.V. (2017). Managing the load schedule of the administrative building taking into accountemerging riskswhen connecting the kinetic energy storage to the power supply system. Electrical Engineering & Electromechanics, 69-73. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.6.11

[13] Lazurenko, A. P., Prokhorenko, Yu. V. (2011). Sovremennye metody i oustroistva kompensatsii reaktivnoi mochtchnosti v bytovykh sistemakh elektropotrebleniia [Méthodes et dispositifs modernes de compensation de la puissance réactive dans les systèmes de consommation d'électricité domestique]. Bulletin de l'Université technique nationale "KhPI", Kharkov. 41, 83-87. [in Russian]. Retrieved from http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/14812/1/vestnik_HPI_2011_41_Lazurenko_Sovremennye.pdf
[14] Basu, S. &. Bollen, M. H. J. (2005). A novel common power factor correction scheme for homes and offices. IEEE Transactions on Power Delivery, V. 20, no. 3, pp. 2257-2263. https://ieeexplore.ieee.org/document/1458905

[15] Opryshkina, M., Vezhichanin, R. (2015). Korektsiia koefifiientu potuzhnosti [Correction du facteur de puissance]. Université technique nationale "Institut polytechnique de Kharkiv". [in Ukrainian]. Retrieved from http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/25980/1/Opryshkina_Korektsiia_koefitsientu_2016.pdf

[16] Facteur de puissance: correction active (2015). Syte "Astuse pratique". Retrieved from https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/facteur-de-puissance-correction-active

[17] Harevych, V. & Orobchuk, B. (2021). Projects of reactive power compensation in urban distribution electrical networks. Documents de la 10e Conférence scientifique et pratique internationale des jeunes scientifiques "Problèmes réels des technologies modernes". Ternopil, 46-47. [in Ukrainian]. Retrieved from http://elartu.tntu.ua/bitstream/lib/36575/2/MNPK_2021v2_Harevych_V-Projects_of_reactive_power_46-47.pdf

[18] Loutsenko, I.M., Tsigan, P.S. (2017). Tekhnichni ta ekonomichni aspekty vykorystannia elektromobiliv v elektrychnykh merezhakh ukrainy [Aspects techniques et économiques de l'utilisation des véhicules électriques dans les réseaux électriques de l'Ukraine]. Bulletin de Mykhailo Ostrogradsky l'Université nationale de Krementchoug. 6(107), 21-30. [in Ukrainian]. Retrieved from http://visnikkrnu.kdu.edu.ua/statti/2017_6_21-30_6-2017.pdf