Le réseau électrique vu comme un tandem

1. Le réseau électrique vu comme un tandem Bruxelles Septembre 2005

2. Le réseau électrique vu comme un tandem • Le réseau électrique est à la fois : • d’une importance cruciale au quotidien pour notre économie • et d’une grande complexité • D’où l’idée d’utiliser une bonne analogie pour se faire une meilleure idée de son mode de fonctionnement • Nous comparerons donc le réseau à un tandem

3. Le réseau électrique vu comme un tandem • Aucune analogie ne peut constituer une représentation complète • Il n’est pas possible de “translater” toutes les caractéristiques • Certain aspects de l’analogie ne sont pas totalement pertinents • Les ressemblances doivent être suffisamment proches • Elle peut alors être très utile à une meilleure compréhension du caractère abstrait d’un réseau électrique

4. Représentation fondamentale du système (1) • Le tandem se déplace à vitesse constante • Le but : les personnages en bleu doivent continuer à se déplacer • Personnages en bleu = la charge (charges industrielles, résidences privées) • Personnages en rouge = centrales de production (de différentes tailles)

5. Représentation fondamentale du système (2) • La chaîne = le réseau électrique • La chaîne doit tourner à vitesse constante (le réseau électrique est à fréquence constante) • La partie supérieure de la chaîne doit rester sous tension constante (le niveau de tension en un point donné du réseau doit être constant)

6. Représentation fondamentale du système (3) • Partie inférieure de la chaîne, sans tension = conducteur de neutre • Plateau transmettant l’énergie à la chaîne = transformateur interfaçant la centrale de production et le réseau

7. Représentation fondamentale du système (4) • Certaines personnes en rouge (centrales de production) ne pédalent pas à pleine puissance • Elles sont capables d’appliquer une force supplémentaire quand : • Une nouvelle personne en bleu (charge) s’assoie dans tandem • Une des personnes en rouge (centrales de production) est prise de crampes (= problème technique)

8. La personne en bleu se penche d’un côté = charge inductive La charge inductive décale l’onde de courant par rapport à l’onde de tension (plus spécifiquement : décalage arrière) Causes: bobines excitatrices des moteurs électriques, les ballasts des éclairages fluorescents, et certains types de chauffages électriques … La puissance réactive et sa compensation (1)

9. Personne en bleu: Poids normal (= charge normale) Pas d’influence sur la tension de la chaîne (= niveau de tension normal) Pas d’influence sur la vitesse (= fréquence normale) Mais sans compensation, le tandem risque de tomber La puissance réactive et sa compensation (2)

10. La puissance réactive et sa compensation (3) • La personne en rouge se penche de l’autre côté pour compenser = La centrale de production génère de la puissance inductive (décalage de l’onde courant par rapport à l’onde de tension, comme pour la charge)

11. La puissance réactive et sa compensation (4) • Conséquences: • La compensation doit être instantanée et précise, ce qui requiert la bonne compréhension de la situation • La personne qui pédale en se penchant sur le côté ne fournit pas son effort aussi confortablement que précédemment • Le tandem à plus de prise à l’air, engendrant des pertes supplémentaires

12. La puissance réactive et sa compensation (5) • Une meilleure solution : exercer la compensation au voisinage de la source à l’aide d’une charge capacitive = la personne en bleu est assise près de la charge inductive mais se penche du côté opposé • La charge capacitive place l’onde de courant en avance par rapport à l’onde de tension, compensant ainsi le retard caractéristique d’une charge inductive

13. Distorsion harmonique (1) • Un cycliste bleu • Se penche d’avant en arrière • Trois ou cinq fois plus vite que le tandem = Charge harmonique • La cause : Les récepteurs télé, les ordinateurs, les lampes fluorescentes compactes, les moteurs électriques commandés par des variateurs à ponts onduleurs …

14. Distorsion harmonique (2) • Elle doit être compensée au voisinage de la source, sinon  le tandem va commencer à osciller d’avant en arrière  Engendrant des pertes énergétiques supplémentaires • La compensation à l’aide de filtres anti-harmoniques = Une selle placée sur des roulettes et se déplaçant d’avant en arrière, ce qui compensera le mouvement du personnage bleu hyperactif

15. Conservation à des valeurs constantes du niveau de tension et de la fréquence (1) • Chaussures glissantes (= panne dans une centrale de production) • La chaussure glisse de la pédale (= la centrale de production est arrêtée) • La tension sur la chaîne diminue = la tension baisse sur le réseau  Risque de blessure pour le cycliste rouge, car la pédale continue de tourner ( = risque de casse de certaines parties de l’équipement au moment de l’arrêt instantané de la centrale)

16. Conservation à des valeurs constantes du niveau de tension et de la fréquence (2)  d’autres cyclistes doivent compenser, pour ne pas perdre de la vitesse = d’autres centrales de production doivent augmenter leur contribution, pour éviter une baisse de la fréquence

17. Conservation à des valeurs constantes du niveau de tension et de la fréquence (3) • Il est difficile pour un cycliste de replacer son pied = il n’est pas évident, dans une centrale de production de recoupler son alternateur au réseau, les fréquences respectives devant parfaitement concorder

18. Conservation à des valeurs constantes du niveau de tension et de la fréquence (4) • Le même type de creux de tension risque d’apparaître lorsque qu’une charge puissante et brutalement raccordée au réseau (un cycliste bleu monte sur le tandem en marche) • Une charge puissante est brutalement déconnectée (un cycliste bleu saute du tandem en marche)  une surtension transitoire peut apparaître

19. Trois différents types de centrales de production (1) • Un cycliste rouge est directement relié à la chaîne par l’intermédiaire d’un seul pignon et pédale à vitesse constante = cela correspond aux centrales de production traditionnelles tournant à vitesse constante et connectées au réseau par l’intermédiaire d’un transformateur

20. Trois différents types de centrales de production (2) • Un cycliste peut pédaler plus lentement • Tandis qu’il est relié à la chaîne par un système à pignons = cela correspond à une turbine hydraulique, dont la vitesse dépend du courant dans la rivière • La turbine est connectée à l’alternateur par un réducteur • Ou : un convertisseur de fréquence interface l’alternateur et le réseau

21. Trois différents types de centrales de production (3) • Un cycliste rouge peu puissant • Qui ne pédale que quand il fait beau • N’est pas fiable pour les autres = cela correspond à une turbine éolienne • Qui ne fonctionnera que si la vitesse du vent n’est ni trop lente ni trop rapide • Et devra être redondante avec d’autres types de centrales de production

22. Trois différents types de centrales de production (4) • relié à la chaîne à l’aide d’une courroie et d’un système à pignon = turbines éoliennes connectées à un réducteur ou un convertisseur de fréquence pour gommer les variations de la vitesse du vent • Aussi pourquoi le cycliste rouge doit-il se situer entre des cyclistes bleu ?

23. Trois différents types de centrales de production (5) • Pourquoi entre des cyclistes bleus ? 1) Les turbines éoliennes sont beaucoup moins puissantes que les centrales de production traditionnelles 2) Les turbines éoliennes ne sont pas habituellement raccordées au réseau haute tension comme les autres centrales de production mais au réseau local  Celui-ci étant conçu pour l’alimentation des charges, il devient difficile de gérer la répartition et la protection du réseau

24. Trois différents types de charges (1) • Un cycliste bleu sans pédale et qui appuie sur les freins = une résistance électrique • Par exemple : les ampoules lumineuses ou la plupart des systèmes de chauffage • Le système de freinage transforme l’énergie cinétique en chaleur • au même titre qu’une résistance transforme l’énergie électrique en chaleur

25. Trois différents types de charges (2) • Un cycliste bleu, les pieds sur les pédales en rotation, • au lieu d’accompagner le mouvement de rotation, appuie de tout son poids sur elles en cherchant à s’opposer à la rotation mais elles l’entraînent = Un moteur électrique • Même principe fondamental qu’un alternateur • Mais, à l’inverse, transforme l’énergie électrique en énergie de rotation

26. Un cycliste bleu se penche d’un côté = une charge inductive La charge inductive décale l’onde de courant par rapport à l’onde de tension (plus spécifiquement: décalage arrière) Déjà présenté précédemment Trois différents types de charges (3)

27. Conclusion (1) • contrôler un réseau électrique est extrêmement complexe • La puissance fournie à chaque instant doit être parfaitement égale à celle appelée par la charge • Il convient de garder constantes à la fois la fréquence du réseau (vitesse du tandem) et son niveau de tension (tension de la chaîne)

28. Conclusion (2) • Différents types de perturbations peuvent ébranler l’équilibre • En Europe : chaque pays possède un opérateur de réseau indépendant qui réalise cette tâche difficile

29. Merci pour votre attention! Bibliographie Explaining Power System Operation to Non-engineers by Lennart Söder, IEEE Power Engineering, April 2002