Introduction à la simulation des systèmes de puissance

Historique de la simulation des systèmes de puissance

Depuis plus d’un siècle, la simulation des systèmes de puissance constitue un phénomène d’intérêt. Au début du 20e siècle, les outils de simulation étaient limités à des méthodes analytiques et aux analyseurs de réseaux analogiques. Parmi les outils analytiques on compte diverses représentations et méthodes de calcul afin de rendre possible l’analyse de réseaux électriques d’envergure telles la notation phaseur et la représentation symétrique. Ces outils permettent de réduire l’étude d’un système polyphasé à l’analyse de phaseurs monophasés.
Les analyseurs analogiques sont utilisés pour simuler l’équivalent monophasé du système étudié. Ce dernier est représenté par un ensemble d’éléments discrets (résistances, condensateurs, inductances, etc.) assemblés pour modeliser les divers équipements que l’on retrouve dans les systèmes étudiés tels les transformateurs, les lignes de transport et les charges. Des sources alternatives ajustables en amplitude et en phase servent d’alimentation pour le réseau équivalent. Les analyseurs analogiques servent principalement à l’étude de défaut en régime sinusoïdal permanent et à l’étude d’écoulement de puissance. Cependant ils ne peuvent fournir d’information sur le régime transitoire .L’émergence d’équipement ayant des temps de réaction faibles a motivé le développement de la génération suivante de simulateurs. Les analyseurs de transitoire de réseaux ont été développés au milieu des années 50. Similaires à leurs prédécesseurs, ils représentent le système étudié à l’aide d’éléments discrets mais ils sont en mesure de fournir les informations nécessaires au développement et au test d’équipements rapides. Les tests sont effectués à des échelles de tension, de courant et de puissance plus faibles afin de faciliter la réalisation physique (ex. 735 kV est représenté par 100 V). Des modèles analogiques complets de machines et d’équipements complexes tels les convertisseurs de puissance ont été développés mais certains phénomènes ne peuvent être représentés à cause de la différence d’échelle de puissance et de dimensions physiques, particulièrement au niveau des non-linéarités magnétiques .Les inconvénients reliés aux analyseurs de transitoire (coûts d’opération, espace, entretien, changements de topologie longs et coûteux, etc.) ont motivé le développement des premiers simulateurs numériques à la fin des années 60. Le ElectroMagnetic Transient Program (EMTP), développé par Hermann Dommel, permet la simulation des systèmes de puissance en temps différé avec une largeur de bande limitée uniquement par le pas de calcul utilisé pour effectuer les simulations . Une vaste quantité de logiciels ont été développés en utilisant les algorithmes de Dommel. EMTP et ses dérivés sont utilisés pour produire des jeux de données propres à certaines situations. Par la suite, ces jeux de données sont utilisés pour générer les stimuli nécessaires pour tester la réponse de divers équipements.

Problématique actuelle de la simulation numérique des systèmes de puissance

Tel que mentionné précédemment, la largeur du pas de calcul utilisé dans les algorithmes numériques dicte directement la largeur de bande représentable avec le simulateur. Ainsi l’augmentation des performances des engins de calcul a entraîné la diminution du pas de calcul. Aujourd’hui, la valeur standard pour simuler un système opérant à 60 Hz est d’environ 50 (O.S. Cependant la simulation de phénomènes transitoires hautes fréquences, telle la simulation de dispositif d’électronique de puissance commutée à des fréquences de l’ordre des kHz, requiert un pas de calcul beaucoup plus faible, de l’ordre des microsecondes. Pour simuler ce genre de dispositifs tout en conservant un pas de calcul de 50 fis, il faut utiliser un modèle moyen, qui fait abstraction des commutations, ou une méthode d’interpolation qui permet de tenir compte des commutations entre les pas de calcul.Afin de représenter adéquatement les phénomènes hautes fréquences, un pas de calcul inférieur à 50 (as est nécessaire. Cependant, pour le reste du système simulé, qui opère à basse fréquence, un tel pas de calcul est inutile. De plus, l’engin de calcul n’est pas nécessairement en mesure d’opérer en temps réel s’il simule tout le système avec un pas de calcul aussi faible. De plus, la limite inférieure du pas de calcul est généralement imposée par des contraintes temporelles de communication et de synchronisation provenant de l’architecture du calculateur utilisé. Cette limite est généralement de l’ordre de 20 |is, rendant impossible la simulation avec des pas de calcul de l’ordre des microsecondes. Afin de palier à ces limitations, la simulation à pas multiple est une approche intéressante telle qu’illustrée en [29]. Cette méthode consiste à scinder le réseau à simuler en deux parties, la lente (< -200 Hz) et la rapide (> -200 Hz), et de les simuler séparément à deux pas de calcul différents’. Ainsi, un pas de calcul approprié pourrait être utilisé afin de maximiser la précision tout en gardant un l’effort de calcul acceptable pour chacune des parties.