Comprendre la puissance réactive : clés pour la fiabilité des systèmes électriques

Analyse de la puissance réactive dans les systèmes électriques

La puissance réactive est une puissance imaginaire, mais elle est néanmoins nécessaire dans le système électrique. Si la puissance réactive est en excès dans le système électrique, la tension peut augmenter et en cas de pénurie de puissance réactive, la tension peut être basse. Dans cet article, nous expliquerons divers aspects de la puissance réactive, quel est son rôle dans le système électrique et comment elle peut être injectée dans le système électrique.

Bases de la tension et de la puissance réactive dans le système électrique :

Il est souhaitable que la tension dans le système électrique soit de 1 per unit (pu) partout (mais il est hautement impossible de la maintenir). Le contrôle de la puissance réactive et la magnitude de la tension sont des mots presque corrélés ; de même, le contrôle de la puissance active et l'angle de tension sont des mots presque corrélés. Considérons la Figure 1. Le nœud 1 est connecté au nœud infini par une longue ligne de transport. Généralement, la puissance active circule de l'angle de tension élevé vers l'angle de tension bas et la puissance réactive circule de la magnitude de tension plus élevée vers la magnitude de tension plus basse. Donc, dans la Figure 1, la puissance active et réactive circuleront toutes deux du nœud 1 vers le nœud 2 (dans quelques cas, cela dépend d'autres facteurs aussi).

Comprendre la puissance réactive : clés pour la fiabilité des systèmes électriques

Analyse de la puissance réactive dans le générateur synchrone :

Considérons un circuit équivalent simple de Générateur Synchrone (GS) comme montré dans la Figure 2. Sa tension aux bornes est 1∠0, ou nous pouvons dire que le GS est directement connecté au nœud infini.

Il faut noter que la puissance réactive est une puissance imaginaire, donc elle peut être fournie ou absorbée par le GS. Si E_f est inférieur à '1' (c.-à-d. E_f < V_t), alors nous dirons qu'il fonctionne à faible excitation (c.-à-d. courant continu dans son enroulement de champ est faible) ; dans ce cas, le GS peut consommer de la puissance réactive. Si E_f est supérieur à '1' (c.-à-d. E_f > V_t), alors nous dirons qu'il fonctionne à forte excitation (c.-à-d. courant continu dans son enroulement de champ est fort) ; dans ce cas, le GS peut fournir de la puissance réactive.

La puissance active est appelée puissance réelle. Le GS fournit toujours la puissance active ; donc, vous pouvez comprendre pourquoi l'angle du rotor est positif dans le cas du générateur synchrone et il est négatif dans le cas du moteur synchrone.

L'équation « Entrée = sortie + pertes » est valide pour toute machine. Pour le GS, l'équation est « Entrée Mécanique = Sortie Électrique (Puissance active) + pertes ».

Comme écrit ci-dessus, si le GS fonctionne à forte excitation, il peut générer de la puissance réactive, c.-à-d. le GS fournira la puissance réactive au système. En fait, ce qui se passe, c'est juste un échange d'énergie entre le générateur et la charge. (Supposons que la charge est un Moteur à Induction. Donc, il y aura un échange d'énergie entre le GS et le Moteur à Induction ; ou nous pouvons dire que le GS génère de la puissance réactive et le Moteur à Induction consomme la puissance réactive ; mais ce sont juste des conventions, la puissance réactive est une puissance imaginaire donc ne peut pas être générée ou consommée).

Dans les livres de système électrique, pour calculer la puissance complexe, la formule S = VI* est mentionnée. Si la formule S = V*I est utilisée, le même résultat peut être trouvé sauf que le signe de la puissance réactive sera inversé. Donc, les universitaires en génie électrique ont finalisé la formule S = VI* et rejeté la seconde formule. Pourquoi ils ont choisi la première formule au lieu de la seconde, essayez d'analyser vous-même sur la base de cet article.

D'après la Figure 3, vous pouvez facilement comprendre pourquoi la puissance active est appelée puissance réelle et la puissance réactive est appelée puissance imaginaire.

Un diagramme de GS est montré dans la Figure 4. Cette figure est aussi auto-explicative.

Dans son champ d'excitation, si la tension CC (ou courant CC) est élevée, le GS fournira plus de puissance réactive. Donc, vous pourriez penser que la puissance CC de l'enroulement de champ est convertie en puissance réactive. C'est une grande méconnaissance parmi les étudiants. Veuillez noter : Plus de tension CC dans l'enroulement de champ signifie plus de courant CC, et cette puissance sera consommée comme pertes I²R dans la résistance 'R' de l'enroulement de champ. Aucune puissance CC dans le circuit de champ ne sera convertie en puissance réactive. À mesure que le courant CC augmente, la puissance réactive fournie par le GS augmente, cela signifie que l'échange d'énergie du générateur est augmenté avec la charge. En cas de courant CC élevé dans l'enroulement de champ, le flux dans l'inductance de l'enroulement de champ sera élevé, ce qui aidera à générer de la puissance réactive par le GS.

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Considérez la Figure 1 à nouveau. Si l'excitation du GS est augmentée, deux choses se produiront :

(i) Le générateur fournira plus de puissance réactive
(ii) Sa tension aux bornes (magnitude) augmentera (comme dit précédemment, le contrôle de la puissance réactive et la magnitude de la tension sont des mots presque corrélés).

S'il y a un excès de puissance réactive dans le système électrique, la tension augmente, c'est vice versa. Sur cette base, les lecteurs devraient essayer de comprendre l'effet Ferranti aussi. [Dans le cas de l'effet Ferranti, la tension au bout récepteur est plus élevée que la tension au bout émetteur. Cela se produit à vide (ou la charge est très faible). La plupart de la charge dans le système électrique est une charge inductive. Donc, en conditions de vide, l'effet inductif diminue et la capacitance shunt naturelle (capacités shunt naturelles dans l'air) domine. Le condensateur génère de la puissance réactive, donc il essaie d'augmenter la tension]

Dans les livres de machines électriques, il est écrit qu'à charge à FP avant (c.-à-d. charge capacitive), un transformateur peut avoir une régulation de tension négative ; les lecteurs devraient essayer de comprendre cette ligne aussi avec l'aide de cet article. Notez que la charge capacitive essaie d'augmenter la tension. Supposons que vous ayez un transformateur de rapport de spires 1:1, la tension appliquée est de 100 V, sa tension aux bornes est de 102 V, alors la régulation de tension du transformateur est simplement de -2%. C'est possible en cas de charge capacitive. Les débutants peuvent être surpris de voir comment la tension aux bornes du transformateur peut être supérieure à la tension appliquée, ils devraient essayer de l'analyser.

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Compensation shunt et compensation série :

Deux termes « Compensation shunt » et « Compensation série » sont couramment utilisés dans les systèmes électriques. « La compensation shunt » contrôle la puissance réactive et « La compensation série » contrôle la puissance active. La compensation shunt peut être un simple condensateur en dérivation de la ligne de transport ou tout dispositif FACTS shunt. La compensation série peut être un simple condensateur en série avec la ligne de transport ou tout dispositif FACTS série.

Considérez la formule Comprendre la puissance réactive : clés pour la fiabilité des systèmes électriques (C'est une formule très célèbre, donc aucune explication détaillée n'est donnée ici). 'X' est la réactance de la ligne de transport. Cette formule est dérivée, en supposant que la résistance de la ligne de transport est négligeable. Si un simple condensateur série est inséré dans la ligne de transport (ou entre le nœud 1 et le nœud 2 dans la Figure 1), alors nous pouvons dire que c'est une compensation série. En contrôlant la valeur du condensateur série, nous pouvons contrôler le 'X', donc 'P' peut être contrôlé. Aussi, vous pouvez voir que 'P' est lié à 'δ'. (Comme écrit précédemment, le contrôle de 'P' et 'l'angle de tension' sont des mots étroitement liés).

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Méthodes d'injection de la puissance réactive dans le système électrique :

Si la tension dans le système de transport est inférieure à 1 pu, alors la puissance réactive doit être injectée dans le système. Diverses méthodes d'injection/absorption de la puissance réactive dans le système électrique sont données ci-dessous :

Contrôle de l'excitation CC du GS, comme expliqué ci-dessus dans cet article,
Condensateurs shunt (Pour fournir la puissance réactive et augmenter la tension),
Inductances shunt (Pour consommer la puissance réactive et faire baisser la tension), en cas d'effet Ferranti (c.-à-d. lorsque la charge est très faible et la tension au bout récepteur peut être élevée), il est utilisé.
TCR-FC ou TCR-TSC (C'est un dispositif FACTS basé sur l'impédance),
STATCOM (C'est un dispositif FACTS basé sur un convertisseur de source de tension). Le STATCOM ou Compensateur Synchrone Statique est un dispositif électronique de puissance utilisant des dispositifs à commutation forcée comme IGBT, GTO, etc. pour contrôler le flux de puissance réactive à travers un réseau électrique et ainsi augmenter la stabilité du réseau électrique. Le STATCOM est un contrôleur FACTS shunt c.-à-d. il est connecté en dérivation avec la ligne. Dans ses débuts, son nom était STATCON au lieu de STATCOM. C'est un membre de la famille des dispositifs de Système de Transmission AC Flexible (FACTS) et a un grand potentiel de recherche. L'installation d'un STATCOM à un ou plusieurs points appropriés dans un réseau améliorera la stabilité de tension et maintiendra un profil de tension lisse sous différentes conditions de réseau. Sa capacité à effectuer un filtrage actif est aussi très utile pour les améliorations de la qualité de l'énergie.
Dans les parcs éoliens, un Générateur à Induction est utilisé, c'est une machine à simple excitation (c.-à-d. qu'il n'a pas d'enroulement de champ). Donc, le contrôle de la puissance réactive dans un Générateur à Induction n'est pas possible ; donc, dans ce cas, pour fournir la puissance réactive, le STATCOM est largement utilisé. Le STATCOM est installé aux bornes du Générateur à Induction comme contrôleur shunt. Ce sujet a aussi un grand potentiel de recherche.

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Comme écrit dans cet article, la 'compensation shunt' est liée au contrôle de la puissance réactive, on peut voir que dans les méthodes ci-dessus de 2 à 6, toutes sont des contrôleurs shunt.

Comme dit précédemment, la puissance réactive est une puissance imaginaire, donc les lignes de transport sont censées fournir la puissance active. C'est une question : pourquoi injectons-nous de la puissance réactive dans le système électrique ? La réponse est : les générateurs, lignes de transport, transformateurs, etc., ont une résistance négligeable comparée à leur réactance inductive, donc nous pouvons dire que le système de transport est un circuit inductif. Il consomme de la puissance réactive, donc pour la compenser, nous devons fournir de la puissance réactive.

En d'autres termes, nous pouvons dire : pour maintenir un profil de tension plat (c.-à-d. maintenir la tension à 1 pu partout), dans un système de transport, un contrôle approprié de la puissance réactive est nécessaire. Pour éviter une transmission excessive de puissance réactive ; la génération et la consommation de puissance réactive doivent être aussi proches que possible l'une de l'autre ; sinon, cela entraînera un profil de tension inapproprié.

À propos de l'auteur

Le Dr. Vipin Jain a obtenu son diplôme de Bachelor of Engineering en 1992 de l'Université de Nagpur, Master of Technology en 2007, Doctorat en 2017 de l'Université de Delhi. Il a une longue expérience d'enseignement et industrielle. Il est membre du corps professoral au Département de Génie Électrique, Bharat Institute of Technology, Meerut (UP), Inde, depuis décembre 2007. Plus de vingt articles de recherche ont été publiés par lui jusqu'à présent. Il est auditeur énergétique certifié par le Bureau of Energy Efficiency, Gouvernement de l'Inde.