PDF (Chapitres 4,5 et annexes) - Les thèses en ligne de l'INP ...
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Lire la première partie <strong>de</strong> la thèse
Chapitre IVApproches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong>l’énergie au sein d’un réseau mailléAfin <strong>de</strong> visualiser un large panel <strong>de</strong>s problèmes pouvant être r<strong>en</strong>contrés lors <strong>de</strong> la mise <strong>en</strong>place d’un réseau HVDC, le laboratoire LAPLACE a inscrit dans le cont<strong>en</strong>u <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te thèse lamise <strong>en</strong> place d’une plateforme d’essai perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r le fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>séquipem<strong>en</strong>ts utilisant c<strong>et</strong>te distribution. On peut citer notamm<strong>en</strong>t les li<strong>en</strong>s actifs prés<strong>en</strong>tésdans le chapitre précéd<strong>en</strong>t, mais la plateforme a été conçue pour perm<strong>et</strong>tre la connexiond’équipem<strong>en</strong>ts futurs.La première partie du chapitre traite <strong>de</strong> la constitution <strong>de</strong> ce banc d’essai. Nous repr<strong>en</strong>onsnotamm<strong>en</strong>t les équipem<strong>en</strong>ts utilisés pour vali<strong>de</strong>r les stratégies <strong>de</strong> gestion énergétiqueproposées. La prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> la partie supervision fait alors suite. Nous y expliquons noschoix <strong>en</strong> ce qui concerne l’utilisation d’un système <strong>de</strong> traitem<strong>en</strong>t temps réel dSpace.C<strong>et</strong>te partie traite égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> la modélisation du réseau <strong>en</strong> utilisant la théorie <strong>de</strong>s graphes.Ce formalisme, largem<strong>en</strong>t utilisé dans la gestion énergétique <strong>de</strong>s réseaux <strong>de</strong> transport, semontre plus adapté à une modélisation <strong>de</strong>s flux <strong>de</strong> puissance que nos modèles électriques.Pour finir, un outil <strong>de</strong> mise <strong>en</strong> équation <strong>de</strong>s échanges énergétiques est développé sousMAPLE afin <strong>de</strong> donner les équations structurelles du réseau.La secon<strong>de</strong> partie traite <strong>de</strong>s métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> managem<strong>en</strong>t énergétique utilisées pour le réseaumaillé. En eff<strong>et</strong>, la prés<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> maîtriser les flux <strong>de</strong> puissance mais il estnécessaire <strong>de</strong> disposer d’un organe <strong>de</strong> supervision générale. Celui-ci doit assumer <strong>de</strong>ux rôles :- Déterminer les référ<strong>en</strong>ces <strong>de</strong>s flux <strong>de</strong> puissance à transférer aux li<strong>en</strong>s actifs ;- Gérer les évènem<strong>en</strong>ts discr<strong>et</strong>s nécessaires pour reconfigurer le réseau (gestion <strong>de</strong>scontacteurs <strong>et</strong> choix <strong>de</strong>s mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs – mo<strong>de</strong>« transfert <strong>de</strong> puissance » ou mo<strong>de</strong> « régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion »).Afin <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r ces mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t, <strong>de</strong>s simulations sont réalisées avant la mise <strong>en</strong>place <strong>de</strong>s essais expérim<strong>en</strong>taux. La troisième partie <strong>de</strong> ce chapitre repr<strong>en</strong>d donc l’<strong>en</strong>semble<strong>de</strong>s essais. Des scénarii sont utilisés aussi bi<strong>en</strong> pour vali<strong>de</strong>r un fonctionnem<strong>en</strong>t normal que<strong>de</strong>s mises <strong>en</strong> défaut.113
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Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléIV.1 Constitution <strong>et</strong> modélisation du réseau mailléNous prés<strong>en</strong>tons ici le réseau mis <strong>en</strong> place au laboratoire pour tester les stratégies <strong>de</strong> gestionénergétique étudiées dans nos travaux. Nous avons pour ambition <strong>de</strong> créer une plateformed’essais complète perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> tester les li<strong>en</strong>s électroniques <strong>de</strong> puissance (DCPFC <strong>et</strong>MAPFC) <strong>de</strong> façon individuelle ou <strong>de</strong> les utiliser au sein d’un réseau maillé.De façon plus détaillée, ce réseau nous sert non seulem<strong>en</strong>t à vali<strong>de</strong>r les li<strong>en</strong>s actifs dans lesdiffér<strong>en</strong>ts mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t prés<strong>en</strong>tés dans le chapitre précéd<strong>en</strong>t, mais égalem<strong>en</strong>t àvali<strong>de</strong>r leur capacité à gérer <strong>de</strong> façon satisfaisante une architecture maillée.Une modélisation du réseau utilisant un formalisme issu <strong>de</strong> la théorie <strong>de</strong>s graphes est alorsappliquée à ce réseau pour modéliser les échanges énergétiques.IV.1.1 Prés<strong>en</strong>tation du banc d’essaisDans le but d’étudier les possibilités <strong>de</strong> maillage d’un réseau électrique <strong>de</strong> distributioncontinue, il a été décidé <strong>de</strong> construire un réseau maillé fonctionnant <strong>en</strong> haute t<strong>en</strong>sion continue[BRU05] [GAR07]. Afin <strong>de</strong> tester un large panel <strong>de</strong> sc<strong>en</strong>arii, le réseau constitue une maille« minimale ». Autrem<strong>en</strong>t dit, ce réseau est constitué <strong>de</strong> 3 cœurs électriques reliés <strong>en</strong>tre euxpar <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> contrôle du transfert d’énergie. La figure IV.1 montre un schémasimplifié <strong>de</strong> ce réseau.Côté GaucheGCôté DroitGHVDC GDCPFC 1HVDC DChargeGChargeDDCPFC 2ChargeADCPFC 3HVDC Afigure IV.1 : schéma simplifié du réseau maillé mis <strong>en</strong> place au laboratoire LAPLACEL’Annexe F donne le schéma électrique détaillé du réseau mis <strong>en</strong> place. La suite <strong>de</strong> ceparagraphe donne une <strong>de</strong>scription <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts élém<strong>en</strong>ts constitutifs <strong>de</strong> ce réseau.115
Chapitre IVIV.1.1.1 Equipem<strong>en</strong>ts pris <strong>en</strong> compteAfin <strong>de</strong> simplifier l’étu<strong>de</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong> se conc<strong>en</strong>trer sur les possibilités <strong>de</strong> gestion, le réseau mis <strong>en</strong>place au laboratoire LAPLACE n’est pas pris intégralem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> compte dans c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong>.Malgré cela, le choix <strong>de</strong>s élém<strong>en</strong>ts perm<strong>et</strong> une large variété <strong>de</strong> possibilités <strong>de</strong> gestionénergétique. Mais avant d’<strong>en</strong>trer dans la <strong>de</strong>scription <strong>de</strong>s moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> gestion, nous allons listerles équipem<strong>en</strong>ts.IV.1.1.1.aCœurs électriques <strong>et</strong> contacteurs<strong>Les</strong> cœurs électriques constitu<strong>en</strong>t la base du réseau. Le réseau compr<strong>en</strong>d 3 cœurs électriquessur lesquels sont connectés les équipem<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> maillage mais égalem<strong>en</strong>t les sources <strong>et</strong> lescharges électriques. <strong>Les</strong> cœurs électriques ont ainsi pour rôle <strong>de</strong> protéger le réseau maiségalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> réaliser les mesures <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>tes gran<strong>de</strong>urs électriques nécessaires à son bonfonctionnem<strong>en</strong>t (courants <strong>et</strong> t<strong>en</strong>sions).Chaque armoire <strong>en</strong>fermant un cœur électrique est disposée <strong>de</strong> façon id<strong>en</strong>tique, autour <strong>de</strong> labarre <strong>de</strong> distribution HVDC réalisée à l’ai<strong>de</strong> d’un busbar <strong>en</strong> forme <strong>de</strong> « marguerite » (figureIV.2). C<strong>et</strong>te forme a été choisie afin <strong>de</strong> minimiser les distances <strong>en</strong>tre les différ<strong>en</strong>tséquipem<strong>en</strong>ts. Sur chaque pôle <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te « marguerite », <strong>de</strong>s capteurs <strong>de</strong> courants sont disposés.De plus, le capteur <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion du cœur est connecté aux bornes <strong>de</strong>s pôles positif <strong>et</strong> négatif <strong>de</strong>ce bus bar. La figure IV.2 repr<strong>en</strong>d l’organisation <strong>de</strong> la barre <strong>de</strong> distribution.figure IV.2 : « marguerite » <strong>de</strong> distribution HVDC figure IV.3 : schéma électrique <strong>de</strong> la « marguerite »Un élém<strong>en</strong>t important est connecté sur une <strong>de</strong>s <strong>en</strong>trées/sorties du cœur : un cond<strong>en</strong>sateur <strong>de</strong>bus dont la valeur est <strong>de</strong> 4,7mF. C<strong>et</strong>te capacité perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> contribuer à la qualité <strong>de</strong> la t<strong>en</strong>siondu cœur électrique. Afin <strong>de</strong> pouvoir m<strong>et</strong>tre ce cond<strong>en</strong>sateur à la t<strong>en</strong>sion du réseau ou bi<strong>en</strong> <strong>de</strong>pouvoir le déconnecter facilem<strong>en</strong>t, un système <strong>de</strong> charge <strong>et</strong> <strong>de</strong> décharge est ajouté (celui-cilimite le courant d’appel, lors <strong>de</strong> la charge du cond<strong>en</strong>sateur quand on le connecte sur le cœur116
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillé<strong>et</strong> décharge le cond<strong>en</strong>sateur lorsqu’on déconnecte le cond<strong>en</strong>sateur du cœur). Ceci nousperm<strong>et</strong>tra <strong>de</strong> faire <strong>de</strong>s essais avec ou sans cond<strong>en</strong>sateur <strong>de</strong> bus, afin d’examiner l’impact d’uncond<strong>en</strong>sateur <strong>de</strong> forte valeur sur un bus HVDC. La figure IV.3 représ<strong>en</strong>te le schémaélectrique <strong>de</strong> la « marguerite » compr<strong>en</strong>ant notamm<strong>en</strong>t le cond<strong>en</strong>sateur <strong>de</strong> bus.Comme on peut le voir égalem<strong>en</strong>t sur ce schéma, chaque voie dispose <strong>de</strong> 2 contacteurs (un surle pôle positif <strong>et</strong> un sur le pôle négatif). Ceci nous perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> configurer le réseau à notre guiselors <strong>de</strong>s essais. On note égalem<strong>en</strong>t que certaines voies dispos<strong>en</strong>t d’un 3 ème contacteurperm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> court-circuiter ou non une résistance. Il s’agit <strong>de</strong>s voies dédiées auxéquipem<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> transfert <strong>de</strong> puissance aux bornes <strong>de</strong>squelles on trouve un cond<strong>en</strong>sateur. Larésistance sert donc à limiter le courant d’appel lors <strong>de</strong> la charge du cond<strong>en</strong>sateur d’<strong>en</strong>trée,lors <strong>de</strong> la connexion <strong>de</strong> c<strong>et</strong> équipem<strong>en</strong>t sur le coeur.IV.1.1.1.bGénérateursAfin d’alim<strong>en</strong>ter les cœurs électriques, le réseau mis <strong>en</strong> place dispose <strong>de</strong> 2 sources <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionsperm<strong>et</strong>tant une alim<strong>en</strong>tation HVDC. La figure II.9 montre le schéma électrique d’une <strong>de</strong> cessources.figure IV.4 : schéma électrique <strong>de</strong> la source <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionComme on peut le voir sur la figure précéd<strong>en</strong>te, l’alim<strong>en</strong>tation continue est générée parl’intermédiaire d’un redresseur à 6 dio<strong>de</strong>s. Ce système possè<strong>de</strong> l’avantage d’être simple <strong>et</strong>robuste, cep<strong>en</strong>dant, il n’est pas régulé <strong>et</strong> les t<strong>en</strong>sions d’alim<strong>en</strong>tations vari<strong>en</strong>t <strong>en</strong> fonction ducourant fourni par ces sources.NB : un tel canal <strong>de</strong> génération est une <strong>de</strong>s solutions probables <strong>en</strong>visagées dans le contexte dufutur réseau HVDC Airbus, la t<strong>en</strong>sion étant contrôlée par l’excitation <strong>de</strong> l’alternateur.L’alim<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> ce redresseur s’effectue à travers un autotransformateur perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong>régler la t<strong>en</strong>sion à vi<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’<strong>en</strong>semble. On note égalem<strong>en</strong>t sur le schéma électrique que lastructure <strong>de</strong> c<strong>et</strong> <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> génération perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> fonctionner avec un neutre isolé <strong>de</strong> la terreou non. Ceci peut se révéler intéressant dans le cadre d’essais relatifs à la connexion duneutre.IV.1.1.1.cChargesNotre réseau HVDC comporte principalem<strong>en</strong>t 2 types <strong>de</strong> charges. <strong>Les</strong> charges résistivesconstitu<strong>en</strong>t le premier type. Il s’agit <strong>de</strong> banc résistifs perm<strong>et</strong>tant une consommation <strong>de</strong> 10kWsous une t<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> 600V. Ces charges serv<strong>en</strong>t principalem<strong>en</strong>t à m<strong>et</strong>tre le réseau à un point <strong>de</strong>fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>et</strong> égalem<strong>en</strong>t à faire <strong>de</strong>s variations suivant <strong>de</strong>s échelons <strong>de</strong> puissances. Lafigure IV.5 montre une photo <strong>de</strong> ce type <strong>de</strong> charge.117
Chapitre IV<strong>Les</strong> autres charges sont <strong>de</strong>s charges programmables. Elles ont pour avantages <strong>de</strong> pouvoirfonctionner à puissance constante, à courant constant ou bi<strong>en</strong> à résistance constante (commele banc <strong>de</strong> charge). Il est égalem<strong>en</strong>t possible <strong>de</strong> leur appliquer une consigne extérieureperm<strong>et</strong>tant la simulation <strong>de</strong> différ<strong>en</strong>ts scénarios. Ces charges <strong>de</strong> moindre puissance perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t<strong>de</strong> varier les essais. Ces charges pouvant fonctionner pour <strong>de</strong>s t<strong>en</strong>sions inférieures à 600V, ilest égalem<strong>en</strong>t possible <strong>de</strong> s’<strong>en</strong> servir sur le réseau <strong>de</strong> distribution DC (28V). Une <strong>de</strong> cescharges est donnée dans la figure IV.6.Afin <strong>de</strong> compléter notre bilan <strong>de</strong>s charges disponibles, il est égalem<strong>en</strong>t possible d’ajouter leMAPFC <strong>en</strong> tant que charge. En eff<strong>et</strong>, si nous choisissons <strong>de</strong> ne pas le considérer <strong>en</strong> tantqu’équipem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> gestion énergétique, il peut être utilisé comme un actionneur réversibleperm<strong>et</strong>tant ainsi <strong>de</strong> prélever ou <strong>de</strong> réinjecter <strong>de</strong> la puissance sur le bus continu. La figure IV.7redonne un aperçu <strong>de</strong> la partie machine du MAPFC.figure IV.5 : banc <strong>de</strong> charge résistif(10kW sous 600V)figure IV.6 : charge programmablefonctionnant sur le bancfigure IV.7 : MAPFC pouvant êtreutilisé <strong>en</strong> tant que chargeIV.1.1.1.dDCPFCsCes équipem<strong>en</strong>ts, prés<strong>en</strong>tés <strong>de</strong> façon détaillée dans le chapitre précéd<strong>en</strong>t, sont <strong>de</strong>s piècesmaîtresses du réseau maillé : elles serv<strong>en</strong>t à relier les cœurs électriques <strong>en</strong>tre eux <strong>et</strong> àcontrôler les flux <strong>de</strong> puissance.Dans c<strong>et</strong>te partie <strong>de</strong> la thèse, nous utilisons 3 DCPFCs, chacun d’<strong>en</strong>tre eux placés <strong>en</strong>tre 2cœurs distincts.Pour finir c<strong>et</strong>te prés<strong>en</strong>tation du banc, une tour <strong>de</strong> supervision perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> regrouper les organes<strong>de</strong> comman<strong>de</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong> disposer d’une interface homme – machine dont nous allons discuter.IV.1.1.2 Moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> gestionLors <strong>de</strong> la conception du réseau HVDC du laboratoire LAPLACE, nous avons du définir laplateforme perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> contrôler les équipem<strong>en</strong>ts mais égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> donner les ordres auréseau <strong>et</strong> <strong>de</strong> recevoir les informations (relevés temporels notamm<strong>en</strong>t). En eff<strong>et</strong>, il étaitnécessaire, non seulem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> concevoir un réseau pouvant être assimilé à un réseau maillémais égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> laisser la possibilité à <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts futurs d’être connectés au banc.118
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléDiffér<strong>en</strong>tes caractéristiques ont été évaluées afin <strong>de</strong> répondre le mieux possible aux att<strong>en</strong>tes <strong>et</strong><strong>de</strong>ux d’<strong>en</strong>tre elles sont apparues comme fondam<strong>en</strong>tales : la modularité <strong>et</strong> la rapidité <strong>de</strong>scommunications. La modularité nous perm<strong>et</strong>tra <strong>de</strong> faire évoluer le banc d’essai lorsqued’autres équipem<strong>en</strong>ts vi<strong>en</strong>dront s’interfacer sur le banc. La rapidité consiste surtout à laisserla possibilité à l’utilisateur du banc d’essai <strong>de</strong> réaliser <strong>de</strong>s régulations <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion ou <strong>de</strong> vitessedirectem<strong>en</strong>t dans le superviseur global. De plus, la marge prise au niveau <strong>de</strong> la rapidité perm<strong>et</strong>d’<strong>en</strong>visager plus sereinem<strong>en</strong>t l’ajout év<strong>en</strong>tuel d’équipem<strong>en</strong>ts.Dans les réseaux embarqués, notamm<strong>en</strong>t <strong>en</strong> aéronautique, <strong>de</strong> nombreux équipem<strong>en</strong>tscontrôlables sont disponibles ; le nombre <strong>de</strong> calculateurs associés est alors très important (plus<strong>de</strong> 200 pour un avion <strong>de</strong> la gamme Airbus). C<strong>et</strong>te multiplicité d’équipem<strong>en</strong>ts ainsi que lebesoin <strong>de</strong> ram<strong>en</strong>er l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s informations au poste <strong>de</strong> pilotage impose d’avoir uneliaison « intellig<strong>en</strong>te » commune <strong>en</strong>tre les calculateurs <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts <strong>et</strong> le gestionnaire duréseau.Dans ce but, <strong>de</strong>s bus <strong>de</strong> terrains sont mis <strong>en</strong> place pour perm<strong>et</strong>tre aux équipem<strong>en</strong>ts <strong>de</strong>communiquer avec le gestionnaire du réseau. Ces bus perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t au sein d’un réseau, avecl’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> quelques fils <strong>de</strong> faire transiter toutes les informations sur la même <strong>ligne</strong>, chaqueéquipem<strong>en</strong>t ne répondant qu’aux sollicitations créées pour lui.IV.1.1.2.aChoix <strong>de</strong> la communicationLors <strong>de</strong> la conception <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts, il a été spécifié que les DCPFC <strong>et</strong> MAPFC faisai<strong>en</strong>tleurs régulations <strong>de</strong> courant <strong>en</strong> interne. Ces boucles <strong>de</strong> régulation, dont la ban<strong>de</strong> passante est<strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> quelques kHz, ne sont donc pas prises <strong>en</strong> compte par le superviseur. Par contre,nous avons fait le choix <strong>de</strong> pouvoir réaliser quelques régulations plus l<strong>en</strong>tes dans lesuperviseur notamm<strong>en</strong>t les régulations <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sions ayant une ban<strong>de</strong> passante <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> lac<strong>en</strong>taine <strong>de</strong> Hz.A cause <strong>de</strong> ces choix, l’utilisation <strong>de</strong> bus <strong>de</strong> terrain s’est trouvée peu adaptée (communicationtrop l<strong>en</strong>te). Après une étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s 2 grands concurr<strong>en</strong>ts <strong>en</strong> terme <strong>de</strong> supervision temps réel(National Instrum<strong>en</strong>ts <strong>et</strong> dSpace), notre choix s’est porté sur un système dSpace pour larapidité <strong>et</strong> l’ergonomie <strong>de</strong> ses communications. <strong>Les</strong> possibilités <strong>de</strong> ce système vont <strong>en</strong> eff<strong>et</strong>au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong>s att<strong>en</strong>tes liées au banc d’essais <strong>et</strong> perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t d’<strong>en</strong>visager une utilisation à longterme du banc. Nous utilisons égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s <strong>en</strong>trées <strong>et</strong> sorties distinctes pour chaque signal.Finalem<strong>en</strong>t, le choix s’est porté sur une carte dSpace 1005 basée sur une architecturePowerPC fonctionnant à une fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> 1GHz dont les caractéristiques sont données <strong>en</strong>Annexe E.IV.1.1.2.bArchitecture modulaireLe <strong>de</strong>uxième point important sur l’architecture <strong>de</strong> la supervision du banc d’essai concerne lamodularité. A partir <strong>de</strong> la carte 1005, nous avons connecté un <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> carte d’<strong>en</strong>trées <strong>et</strong>sorties numériques <strong>et</strong> analogiques. L’architecture perm<strong>et</strong> donc, pour les év<strong>en</strong>tuels besoinsd’évolution du banc, <strong>de</strong> connecter <strong>de</strong>s cartes supplém<strong>en</strong>taires.L’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s cartes a donc été intégré dans un rack dSpace dans lequel il est possibled’ajouter <strong>de</strong>s cartes pour augm<strong>en</strong>ter le nombre <strong>et</strong> le type d’<strong>en</strong>trées <strong>et</strong> sorties. Un schémadonnant l’implantation du système modulaire dSpace est représ<strong>en</strong>té sur la figure IV.8.119
Chapitre IVfigure IV.8 : implantation du système modulaire dSpace<strong>Les</strong> caractéristiques <strong>de</strong>s cartes d’<strong>en</strong>trées <strong>et</strong> <strong>de</strong> sorties sont égalem<strong>en</strong>t données <strong>en</strong> Annexe E.IV.1.1.2.cHiérarchisation <strong>de</strong> la gestion énergétiqueAfin <strong>de</strong> résumer les possibilités offertes par l’<strong>en</strong>semble, la figure IV.9 prés<strong>en</strong>te la répartition<strong>de</strong>s boucles <strong>de</strong> contrôle ainsi que la gestion <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts composants du réseau (cœurs,DCPFCs, MAFPC <strong>et</strong> charges diverses).120
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléConfiguration du réseauFibres optiques Signaux Analogiques <strong>et</strong> digitauxMo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>tGestion <strong>de</strong>s contacteursMo<strong>de</strong>s <strong>de</strong>s DCPFCsChoix <strong>de</strong>s référ<strong>en</strong>cesRéfér<strong>en</strong>ce <strong>de</strong>s DCPFCsDélestage <strong>de</strong>s chargesBoucles <strong>de</strong> régulation “l<strong>en</strong>tes”Régulation <strong>de</strong>s vitessesRégulation <strong>de</strong>s t<strong>en</strong>sionsBoucles <strong>de</strong> régulation “rapi<strong>de</strong>s”Régulation <strong>de</strong>s courantsGénération <strong>de</strong>s impulsionsModulation <strong>de</strong> largeur d’impulsionsSuperviseurSuperviseurdSpacedSpaceDép<strong>en</strong>d Dép<strong>en</strong>d <strong>de</strong> <strong>de</strong>l’équipem<strong>en</strong>tl’équipem<strong>en</strong>tCPU CPU <strong>de</strong> <strong>de</strong> chaque chaqueéquipem<strong>en</strong>téquipem<strong>en</strong>tFPGA FPGA <strong>de</strong> <strong>de</strong> chaque chaqueéquipem<strong>en</strong>téquipem<strong>en</strong>tBan<strong>de</strong> passante≈ 100 100 Hz Hz1 kHz≈ 1 kHz10 kHz≈ 10 kHzfigure IV.9 : schéma général <strong>de</strong> supervision du banc d’essai HVDC du LAPLACECinq niveaux <strong>de</strong> gestion apparaiss<strong>en</strong>t dans ce schéma. Le premier niveau concerne laconfiguration du réseau. Il s’agit d’utiliser les contacteurs pour pouvoir placer le réseau dansune certaine configuration. On choisit par exemple quels cœurs électriques dispos<strong>en</strong>t d’unesource ou bi<strong>en</strong> quels li<strong>en</strong>s actifs vont être connectés.Le <strong>de</strong>uxième niveau, qui est égalem<strong>en</strong>t confié au superviseur, a pour rôle l’<strong>en</strong>voi <strong>de</strong>sdiffér<strong>en</strong>tes référ<strong>en</strong>ces sur les dispositifs <strong>de</strong> transfert <strong>de</strong> puissance. On détermine ainsicomm<strong>en</strong>t l’énergie est répartie dans le réseau au travers <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s.Le troisième niveau se situe à cheval <strong>en</strong>tre le superviseur dSpace <strong>et</strong> les parties comman<strong>de</strong>s <strong>de</strong>séquipem<strong>en</strong>ts. En eff<strong>et</strong>, il s’agit <strong>de</strong>s boucles <strong>de</strong> régulations <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion ou <strong>de</strong> vitesse qui peuv<strong>en</strong>têtre confiées à l’un ou l’autre <strong>de</strong> ces calculateurs. La répartition <strong>de</strong> ces tâches a été choisie aumom<strong>en</strong>t <strong>de</strong> la conception <strong>de</strong> chaque équipem<strong>en</strong>t :- Le MAPFC ne dispose pas <strong>de</strong> boucle <strong>de</strong> régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion ;- La régulation <strong>de</strong> vitesse peut être réalisée indifféremm<strong>en</strong>t sur le MAPFC ou ledSpace ;- La régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion du DCPFC peut être réalisée sur le DCPFC ou le dSpace.Le quatrième niveau est placé au sein <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts uniquem<strong>en</strong>t <strong>et</strong> compr<strong>en</strong>d l’<strong>en</strong>semble<strong>de</strong>s boucles internes (les régulations <strong>de</strong>s courants). Notre réseau disposant majoritairem<strong>en</strong>td’équipem<strong>en</strong>ts fonctionnant à partir <strong>de</strong> l’électronique <strong>de</strong> puissance, ils possèd<strong>en</strong>t tous <strong>de</strong>sboucles rapi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> courant.121
Chapitre IVEnfin, le <strong>de</strong>rnier niveau avant la partie puissance <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts concerne les modulateurs.C<strong>et</strong> étage à pour rôle <strong>de</strong> transformer les modulantes issues <strong>de</strong>s régulations <strong>en</strong> signaux <strong>de</strong>contrôle <strong>de</strong>s interrupteurs statiques.Le schéma donne égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s indications sur les moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> communications <strong>en</strong>tre lesdiffér<strong>en</strong>ts étages. On observera que les modulantes sont <strong>en</strong>voyées à travers <strong>de</strong>s fibresoptiques, solution perm<strong>et</strong>tant une rapidité d’exécution <strong>et</strong> une immunité aux bruits,appréciables dans ce type d’application, notamm<strong>en</strong>t du fait <strong>de</strong>s longueurs <strong>de</strong> câbles mises <strong>en</strong>jeu <strong>en</strong>tre les parties comman<strong>de</strong> <strong>et</strong> puissance <strong>de</strong>s dispositifs <strong>de</strong> transfert d’énergie (<strong>de</strong> l’ordred’une quinzaine <strong>de</strong> mètres).IV.1.1.2.dOutils <strong>de</strong> programmationDevant la variété <strong>de</strong> fonctions <strong>de</strong> supervision à implanter pour tester les possibilités du réseauHVDC maillé, il a été nécessaire d’utiliser ou <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place un certain nombre d’outils.Ces outils se divis<strong>en</strong>t <strong>en</strong> 2 catégories : les outils <strong>de</strong> simulation <strong>et</strong> les outils expérim<strong>en</strong>taux.Pour pouvoir appréh<strong>en</strong><strong>de</strong>r le comportem<strong>en</strong>t du système, nous avons utilisé le logiciel Saberperm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong>s simulations représ<strong>en</strong>tatives <strong>de</strong>s phénomènes électriques. Une différ<strong>en</strong>ce parrapport aux simulations du chapitre précéd<strong>en</strong>t rési<strong>de</strong> dans la volonté d’utiliser le même co<strong>de</strong><strong>de</strong> gestion <strong>de</strong> l’énergie, à la fois pour la simulation <strong>et</strong> pour l’implantion dans le superviseurdSpace. Pour c<strong>et</strong>te raison, nous avons programmé les lois <strong>de</strong> gestion énergétique <strong>en</strong> langageC.Lors <strong>de</strong> l’expérim<strong>en</strong>tation, le superviseur dSpace utilise un co<strong>de</strong> compilé à partir <strong>de</strong>Matlab/Simulink. L’utilisation <strong>de</strong> S-fonction sous Simulink perm<strong>et</strong> d’utiliser directem<strong>en</strong>t lesco<strong>de</strong>s <strong>en</strong> C <strong>de</strong> la gestion énergétique. La figure IV.10 résume notre façon <strong>de</strong> procé<strong>de</strong>r.Début <strong>de</strong> la création<strong>de</strong>s lois <strong>de</strong> gestionénergétiqueCodage <strong>de</strong>s lois <strong>en</strong> CImplantation sous Matlab/Simulink sous forme <strong>de</strong>S-functionEssais <strong>en</strong> simulation sousSaberEssais expérim<strong>en</strong>taux surle banc HVDCNonLe comportem<strong>en</strong>t est-ilcorrect <strong>en</strong> simulation ?Le comportem<strong>en</strong>texpérim<strong>en</strong>tal est-il correct?NonOuiOuiFinfigure IV.10 : métho<strong>de</strong> d’implantation <strong>de</strong>s co<strong>de</strong>s <strong>de</strong> gestion énergétiques122
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléLe système <strong>de</strong> supervision est donc maint<strong>en</strong>ant complètem<strong>en</strong>t prés<strong>en</strong>té <strong>et</strong> nous allons abor<strong>de</strong>rune étape fondam<strong>en</strong>tale pour l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein du réseau. En eff<strong>et</strong>, lespossibilités offertes par la supervision doiv<strong>en</strong>t être guidées par une méthodologie spécifiquequ’il nous a paru important <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place.IV.1.2 Vers un modèle haut niveau pour la gestion <strong>de</strong>s flux énergétiquesLe découpage <strong>en</strong> niveau <strong>de</strong> gestion prés<strong>en</strong>té dans le paragraphe précéd<strong>en</strong>t prés<strong>en</strong>te <strong>de</strong>s tâchesdéjà traitées, notamm<strong>en</strong>t pour les étages bas niveau (MLI) ainsi que les tâches concernant lesrégulations (cf. Chapitre III).Pour les équipem<strong>en</strong>ts basés sur <strong>de</strong> l’électronique <strong>de</strong> puissance, <strong>de</strong>ux niveaux <strong>de</strong> modélisationsont couramm<strong>en</strong>t admis : les modèles électriques instantanés <strong>et</strong> les modèles électriques dits« moy<strong>en</strong>s » dans lesquels le découpage MLI n’est pas pris <strong>en</strong> compte.Ces modèles apport<strong>en</strong>t une très bonne représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s phénomènes physiques relatifs auxéquipem<strong>en</strong>ts. Cep<strong>en</strong>dant, ils sont longs à simuler puisque l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s phénomènes estconsidéré (jusqu’au découpage pour les modèles instantanés avec une fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> découpage<strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> la dizaine <strong>de</strong> kHz). Afin <strong>de</strong> gérer les échanges énergétiques au niveau du réseauglobal, nous allons nous attacher à établir un formalisme plus léger <strong>et</strong> plus adapté auxéchanges énergétiques.IV.1.2.1 Introduction aux systèmes énergétiques gérés par la théorie <strong>de</strong>s graphesDans <strong>de</strong>s domaines autres que l’aéronautique <strong>et</strong> notamm<strong>en</strong>t lorsque les constantes <strong>de</strong> temps<strong>de</strong>s systèmes sont l<strong>en</strong>tes, la représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s échanges énergétiques passe très peu par <strong>de</strong>smodèles électriques mais plutôt par <strong>de</strong>s modèles mathématiques représ<strong>en</strong>tants les flux <strong>de</strong>puissances, plus adaptés aux métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> managem<strong>en</strong>t énergétique. Nous allons décrire ici ledomaine du transport électrique dont la gestion énergétique complexe, basée sur un réseaumaillé, se rapproche <strong>de</strong> notre réseau embarqué.IV.1.2.1.aRéseaux <strong>de</strong> transportOn définit les réseaux <strong>de</strong> transport électriques comme <strong>de</strong>s réseaux perm<strong>et</strong>tant l’acheminem<strong>en</strong>t<strong>de</strong> fortes quantités <strong>de</strong> puissance à partir <strong>de</strong>s sources vers les régions consommatricesd’électricité. Ces réseaux sont soumis à <strong>de</strong> fortes contraintes <strong>en</strong> termes <strong>de</strong> structure puisqu’ilfaut garantir une bonne sécurité d’alim<strong>en</strong>tation.Dans ce contexte, les caractéristiques physiques <strong>de</strong> l’infrastructure sont basées sur un maillagedu réseau perm<strong>et</strong>tant la sécurité <strong>et</strong> <strong>de</strong>s fortes t<strong>en</strong>sions assurant le transport <strong>de</strong> quantitéimportante <strong>de</strong> puissance. Du point <strong>de</strong> vue <strong>de</strong> la sécurité, le réseau repose notamm<strong>en</strong>t sur la« règle du N-1 ». Il s’agit <strong>de</strong> s’assurer à tout instant que la perte d’un élém<strong>en</strong>t du réseau n’apas <strong>de</strong> conséqu<strong>en</strong>ces inacceptables pour les utilisateurs. La perte d’un élém<strong>en</strong>t est comp<strong>en</strong>séepar la possibilité <strong>de</strong> distribuer l’énergie par d’autres voies.La structure maillée <strong>de</strong> ces réseaux est proche <strong>de</strong> ce que nous cherchons à m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place surun réseau embarqué HVDC maillé. Cep<strong>en</strong>dant, il existe <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ces fondam<strong>en</strong>tales qui ontune influ<strong>en</strong>ce considérable sur la gestion énergétique :- le réseau <strong>de</strong> transport est principalem<strong>en</strong>t alternatif ;123
Chapitre IV- <strong>en</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t normal, les constantes <strong>de</strong> temps sont beaucoup plus importante(gestion sur l’heure, la journée ou la semaine par exemple) ;- la gestion énergétique pr<strong>en</strong>d <strong>en</strong> compte <strong>de</strong>s critères économiques ;IV.1.2.1.bConsidérations économiquesDans le domaine <strong>de</strong> la gestion énergétique <strong>de</strong>s réseaux <strong>de</strong> transport, les flux <strong>de</strong> puissance nesont pas uniquem<strong>en</strong>t dictés par les capacités <strong>de</strong> puissance <strong>de</strong>s <strong>ligne</strong>s <strong>de</strong> transport maiségalem<strong>en</strong>t par <strong>de</strong>s considérations économiques : il s’agit du « dispatching économique ».Nous nous attardons sur les algorithmes perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> gérer ces critères, dans l’objectif <strong>de</strong> lesadapter dans le cadre d’un réseau maillé embarqué aéronautique.Le but <strong>de</strong> ces métho<strong>de</strong>s est <strong>de</strong> pouvoir définir à tout mom<strong>en</strong>t quelle puissance transite dans leréseau. Il peut s’agir <strong>de</strong> planifier un évènem<strong>en</strong>t prévu (maint<strong>en</strong>ance par exemple), faire face àune situation <strong>de</strong> crise (perte d’une <strong>ligne</strong>, <strong>et</strong>c.) ou bi<strong>en</strong> d’étudier les coûts relatifs auxtransports. Le Load Flow (LF) est le terme anglophone désignant un <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>smathématiques perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> déterminer les flux <strong>de</strong> puissances dans un réseau. Si l’on seréfère à [JAMXX], on peut même diviser le Load Flow <strong>en</strong> 3 gran<strong>de</strong>s catégories :- le Load Flow (LF) ;- le Load Flow sous contraintes (CLF – Constrained Load Flow) ;- le Load Flow contraint avec minimisation d’une fonction coût (OPF – Optimal PowerFlow).Le LF consiste à déterminer l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s flux <strong>de</strong> puissance dans un réseau. Il est utilisénotamm<strong>en</strong>t pour vali<strong>de</strong>r <strong>de</strong>s scénarii. Le CLF pr<strong>en</strong>d <strong>en</strong> compte les capacités <strong>de</strong>s <strong>ligne</strong>s afind’éviter la surcharge <strong>de</strong> l’une d’<strong>en</strong>tre elle. Enfin, l’OPF perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> minimiser le coût d<strong>et</strong>ransport afin <strong>de</strong> répondre aux critères économiques <strong>de</strong>s réseaux mo<strong>de</strong>rnes.<strong>Les</strong> <strong>de</strong>ux premiers problèmes peuv<strong>en</strong>t être utilisés dans <strong>de</strong>s cas simples mais l’OPFcorrespond plus particulièrem<strong>en</strong>t aux problématiques actuelles. Il est décrit dans un grandnombre <strong>de</strong> publications. On r<strong>et</strong>i<strong>en</strong>dra notamm<strong>en</strong>t :- [HUN91] qui réalise un état <strong>de</strong> l’art <strong>de</strong>s métho<strong>de</strong>s OPF ;- [GLAXX] qui sépare les métho<strong>de</strong>s OPF <strong>en</strong> 2 classes : la classe A qui utilise <strong>de</strong>smétho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> résolution du Load Flow classique <strong>et</strong> qui cherche dans un second tempsl’optimisation <strong>et</strong> les métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> classe B qui réalise la recherche optimale <strong>en</strong> uneseule étape;- [CHO90] qui va légèrem<strong>en</strong>t plus loin que l’OPF <strong>en</strong> donnant <strong>de</strong>s référ<strong>en</strong>cesnotamm<strong>en</strong>t sur le traitem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s régimes transitoires ;Ces états <strong>de</strong> l’art sont très compl<strong>et</strong>s <strong>et</strong> perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t au lecteur <strong>de</strong> réaliser une formulation <strong>de</strong>façon aisée <strong>de</strong> l’OPF [DOM02]. Le principe est basé sur la minimisation d’une fonction nonlinéaire f soumise à certaines restrictions :⎧min⎪avec⎨⎪g⎪⎩h( f ( x, u))( x, u)( x, u)= 0≤ 0(IV-1)Dans c<strong>et</strong>te formulation, la fonction f est appelée fonction « objectif », elle doit être minimisé<strong>et</strong>out <strong>en</strong> assurant la validité <strong>de</strong>s fonctions <strong>de</strong> contraintes g <strong>et</strong> h. De façon basique, la fonction g124
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléassure la conservation <strong>de</strong> la puissance <strong>en</strong> tout point du réseau, alors que la fonction h perm<strong>et</strong><strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> équation le fait que chaque <strong>ligne</strong> dispose d’une capacité maximale.Le choix <strong>de</strong> la fonction objectif f est primordial <strong>et</strong> perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> pr<strong>en</strong>dre ou non <strong>en</strong> comptel’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s coûts du réseau. C<strong>et</strong>te formulation mathématique constitue alors un vrai outilpour les gestionnaires <strong>de</strong> réseau, à partir <strong>de</strong> laquelle il est possible <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>sionner <strong>et</strong> <strong>de</strong> gérerles flux <strong>de</strong> façon optimale.Si l’on cherche maint<strong>en</strong>ant à résoudre le problème <strong>et</strong> non pas uniquem<strong>en</strong>t à le formuler, il estnotable que les fonctions que l’on doit traiter sont <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>sions très importantes (liées à lataille du réseau) <strong>et</strong> les métho<strong>de</strong>s d’analyse sont complexes à m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place à ce niveau. Uneautre voie consiste alors à modifier la formulation, pour ram<strong>en</strong>er le problème dans le domaine<strong>de</strong>s graphes.Du fait <strong>de</strong> la simplicité <strong>de</strong> mise <strong>en</strong> œuvre <strong>et</strong> <strong>de</strong> la rapidité <strong>de</strong>s algorithmes associés à c<strong>et</strong>temodélisation (notamm<strong>en</strong>t dans le cas <strong>de</strong> « p<strong>et</strong>its » graphes, comme c’est le cas <strong>de</strong> notre bancHVDC), nous avons choisi <strong>de</strong> prés<strong>en</strong>ter une gestion énergétique <strong>de</strong> notre réseau embarquébasée sur c<strong>et</strong>te formulation.IV.1.2.2 Théorie <strong>et</strong> notations relatives aux graphesDans c<strong>et</strong>te partie, nous réalisons une introduction à la théorie <strong>de</strong>s graphes précisant notations,modélisation ainsi que algorithmes relatifs à c<strong>et</strong>te partie <strong>de</strong>s mathématiques. C<strong>et</strong>te premièreapproche <strong>de</strong> la méthodologie basée sur les graphes ne se veut pas exhaustive mais conti<strong>en</strong>t lesinformations nécessaires pour formuler notre problème <strong>de</strong> gestion énergétique dans un réseauembarqué. Pour une information plus complète sur la théorie <strong>de</strong>s graphes, le lecteur peut seréférer à [GON95].IV.1.2.2.aNom<strong>en</strong>clature utilisée dans les graphesDans notre étu<strong>de</strong>, nous souhaitons modéliser les transferts d’énergie d’un cœur à l’autre <strong>et</strong><strong>de</strong>puis les sources vers les charges. Nous sommes donc concernés par le s<strong>en</strong>s <strong>de</strong> transfert <strong>de</strong>c<strong>et</strong>te énergie ainsi que par sa valeur (<strong>en</strong> puissance). Pour ces raisons, nous considérons ungraphe ori<strong>en</strong>té. On appelle G(X,A) le graphe associé à X somm<strong>et</strong>s <strong>et</strong> A arcs ; un exemple estproposé à la figure IV.11 :figure IV.11 : notations relatives à la théorie <strong>de</strong>s graphesDans le domaine <strong>de</strong>s graphes, il existe une classe <strong>de</strong> problèmes proche <strong>de</strong> notre domained’application : les flots. A l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s arcs A est associée une application ϕ(A) quicorrespond à une valeur réelle. On appelle ϕ(a) le flot <strong>de</strong> l’arc a.125
Chapitre IVLa valeur <strong>de</strong> ce flot, peut être bornée <strong>et</strong> on définit alors la capacité C max <strong>de</strong> l’arc a.La prise <strong>en</strong> compte <strong>de</strong> l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong> ces points <strong>de</strong> vue conduit à <strong>de</strong>s graphes perm<strong>et</strong>tant larésolution <strong>de</strong>s problèmes <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot maximal.Si l’on ajoute une fonction <strong>de</strong> coût pour le transport d’une unité <strong>de</strong> flot sur un arc a, il estpossible <strong>de</strong> résoudre les problèmes <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot maximal à coût minimal. Nousverrons dans le paragraphe suivant que c’est ce type <strong>de</strong> problème qui va nous intéresser, afin<strong>de</strong> définir les puissances à transférer dans le réseau.IV.1.2.2.bAnalogie pour l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s réseauxLe vocabulaire <strong>et</strong> les notations ayant été définis, nous donnons ici les analogies nécessaires àla modélisation <strong>de</strong> notre réseau embarqué maillé, dans l’objectif <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place unegestion <strong>de</strong>s transferts énergétiques. Le tableau IV-1 regroupe l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s caractéristiquesdu réseau à pr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong> compte ainsi que leur équival<strong>en</strong>t dans le mon<strong>de</strong> <strong>de</strong>s graphes.Théorie <strong>de</strong>s GraphesSomm<strong>et</strong>Réseau électriqueBarre <strong>de</strong> distributionSomm<strong>et</strong> SourceSomm<strong>et</strong> fictif représ<strong>en</strong>tant l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s générateurs.Somm<strong>et</strong> PuitsSomm<strong>et</strong> fictif représ<strong>en</strong>tant l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s consommateurs.Entre 2 barres <strong>de</strong> distribution : l’arc représ<strong>en</strong>te un DCPFCArcFlotFonction <strong>de</strong> coûtCapacitéEntre le somm<strong>et</strong> source <strong>et</strong> une barre : l’arc traduit la puissancefournie par le générateur associé à c<strong>et</strong>te barreEntre une barre <strong>et</strong> le somm<strong>et</strong> puits : l’arc traduit la puissanceconsommée par les charges connectées à c<strong>et</strong>te barreIl représ<strong>en</strong>te une puissance qui diffère selon l’arc (cf. ci-<strong>de</strong>ssus)A définir <strong>en</strong> fonction du comportem<strong>en</strong>t que l’on cherchera a donnerau réseau.Puissance maximale que peut fournir un générateur ou qui peuttransiter sur un DCPFC.tableau IV-1 : Analogie utilisée pour la formulation du problème électrique sous forme <strong>de</strong> grapheAinsi, <strong>en</strong> se basant sur ces concepts, il est possible <strong>de</strong> <strong>de</strong>ssiner (figure IV.12) le graphe relatifau réseau HVDC maillé réalisé au cours <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te thèse.126
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléfigure IV.12 : modélisation sous forme <strong>de</strong> graphe du réseau HVDC maillé du LAPLACENous r<strong>et</strong>rouvons dans ce schéma l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s composants détaillés dans le tableau IV-1.Notamm<strong>en</strong>t les somm<strong>et</strong>s source <strong>et</strong> puits représ<strong>en</strong>t<strong>en</strong>t d’une part la capacité totale <strong>de</strong>génération disponible sur le réseau <strong>et</strong> d’autre part la puissance totale consommée parl’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s charges connectées sur les coeurs.A l’issue <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te étape perm<strong>et</strong>tant la <strong>de</strong>scription d’un réseau électrique sous la forme d’ungraphe, nous allons décrire les possibilités qu’offre c<strong>et</strong>te modélisation <strong>et</strong> les appliquer à notreréseau maillé.IV.1.2.3 Application du formalisme au réseau maillé du LAPLACELa théorie <strong>de</strong>s graphes offre différ<strong>en</strong>tes possibilités <strong>en</strong> termes <strong>de</strong> représ<strong>en</strong>tationmathématiques. Le lecteur pourra se référer à [LAC03] pour découvrir les différ<strong>en</strong>ts mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong>représ<strong>en</strong>tations (liste <strong>de</strong> successions, matrices d’adjac<strong>en</strong>ces, <strong>et</strong>c.). Nous allons ici prés<strong>en</strong>terune représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> type arcs – somm<strong>et</strong>s d’un graphe.Dans c<strong>et</strong>te représ<strong>en</strong>tation, on considère une matrice L dont le nombre <strong>de</strong> <strong>ligne</strong>s correspond aunombre <strong>de</strong> somm<strong>et</strong>s <strong>et</strong> le nombre <strong>de</strong> colonnes au nombre d’arcs. Il s’agit <strong>de</strong> la matriced’incid<strong>en</strong>ce arcs – somm<strong>et</strong>s <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>sion N arcs *N somm<strong>et</strong>s (avec N arcs le nombre d’arcs <strong>et</strong>N somm<strong>et</strong>s le nombre <strong>de</strong> somm<strong>et</strong>s) dont les coeffici<strong>en</strong>ts l ij sont régis <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>s arcs a ijappart<strong>en</strong>ant à A selon les règles suivantes :127
Chapitre IV∀( i,j) ∈( { 1, L,},{ 1, L,})Nsomm<strong>et</strong>s⎧ ⎪⎧l ij = + 1⎪a ij ∈ A ⇒ ⎨⎪ ⎪⎩l ji = −1⎨⎪ ⎪⎧lij = 0⎪a ij ∉ A ⇒ ⎨⎩ ⎪⎩l ji = 0Narcs(IV-2)A partir <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te définition <strong>de</strong> la matrice L d’incid<strong>en</strong>ce, nous pouvons établir une relationmatricielle liant les flots aux arcs. Celle-ci est basée sur le fait qu’un cœur ne stocke paspuissance, autrem<strong>en</strong>t dit que la somme <strong>de</strong>s flots <strong>en</strong>trant dans un somm<strong>et</strong> est égale à cellesortant <strong>de</strong> ce même somm<strong>et</strong>. Si l’on nomme A x l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s arcs dont une <strong>de</strong>s extrémitésest le somm<strong>et</strong> x, on obti<strong>en</strong>t la relation suivante :∀x∈ X, ∑ ϕa= 0xa∈A(IV-3)En appliquant c<strong>et</strong>te propriété à l’<strong>en</strong>semble du graphe, il est possible <strong>de</strong> noter cela comme dansl’équation (IV-4):[ A ].⎡ ϕ(1)⎤ ⎡ 0 ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ϕ(2)⎥ = ⎢0⎥⎢ L ⎥ ⎢L⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ϕ(N arcs ) ⎦ ⎣ 0 ⎦(IV-4)Cep<strong>en</strong>dant, dans notre cas, les somm<strong>et</strong>s 1 <strong>et</strong> 5 doiv<strong>en</strong>t être traités <strong>de</strong> façon spécifique car ilsreprés<strong>en</strong>t<strong>en</strong>t la génération totale <strong>et</strong> la consommation totale. La somme <strong>de</strong>s flux n’est donc pasnul sur ces somm<strong>et</strong>s.Ainsi, le graphe est représ<strong>en</strong>té sous forme d’une matrice qu’il est simple <strong>de</strong> traiter <strong>et</strong> dont onpeut extraire <strong>de</strong> multiples informations. La principale correspond à la structure du réseau. Eneff<strong>et</strong>, si l’on continue l’analogie <strong>en</strong>tre réseau électrique <strong>et</strong> graphe, il est possible d’obt<strong>en</strong>ir unematrice liant les gran<strong>de</strong>urs électriques du réseau. Pour cela, on repr<strong>en</strong>d le graphe prés<strong>en</strong>té surla figure IV.12, ce qui donne la relation matricielle suivante :128
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillé⎡−1⎢⎢1⎢ 0⎢⎢ 0⎢⎣ 0−10100−100100−11000−101000−1100−100+ 100−10+ 1⎡ PG ⎤⎢ géné ⎥⎢ D ⎥⎢ Pgéné ⎥⎢ A ⎥⎢ Pgéné ⎥⎢ ⎥0 ⎤ ⎢ ⎥P10⎥ ⎢ ⎥⎥ ⎢ DCPFC⎥0 ⎥.⎢P2 ⎥⎥ ⎢ DCPFC⎥−1⎥⎢P3⎥DCPFC+⎦⎢ ⎥⎢ ⎥⎢PG ⎥⎢ ch arg e ⎥⎢PD ⎥⎢ ch arg e ⎥⎢PA ⎥⎢⎣ ch arg e ⎥⎦Narcs=⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢P⎣−PG DPAgéné− Pgéné−géné0Gch arg e⎥⎥⎥0⎥0⎥PDPA ⎥+ch arg e+ch arg e⎥⎦N⎤somm<strong>et</strong>s(IV-5)Ceci perm<strong>et</strong> alors, à l’ai<strong>de</strong> d’un logiciel <strong>de</strong> calcul formel tel que Maple, d’obt<strong>en</strong>ir leséquations structurelles <strong>de</strong> la machine <strong>en</strong> résolvant <strong>de</strong> manière symbolique l’équation (IV-5).Si l’on résout c<strong>et</strong>te équation, il est possible d’obt<strong>en</strong>ir <strong>de</strong> façon automatique, à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> Maple,le système d’équations suivant :⎡⎡P1 ⎤⎢ DCPFC ⎥⎢P2 ⎥⎢ DCPFC ⎥⎢P3 ⎥⎢ DCPFC ⎥⎢ ⎥ =PG⎢ géné ⎥⎢ D ⎥⎢ Pgéné ⎥⎢ A ⎥⎢ P ⎥⎣ géné ⎦⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢−P⎢⎣PDgénéDgéné− PD+ P3+ Pgéné DCPFC+ PG−GgénéP − Pch arg eP3DCPFCPGgénéPDgéné− PGgéné+ PGch arg e3DCPFC+ PDch arg eDch arg e⎤⎥⎥− PDch arg e ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥+ PA ⎥ch arg e ⎥⎦(IV-6)Ces équations correspond<strong>en</strong>t exactem<strong>en</strong>t à ce que peut donner l’application <strong>de</strong> la modélisationsur notre réseau. Comme nous n’avons pas d’à priori sur les puissances fournies par lesgénérateurs, ils sont égalem<strong>en</strong>t placés <strong>en</strong> tant qu’inconnues dans Maple.Un certain nombre d’informations peut être dégagé <strong>de</strong> ce système <strong>et</strong> notamm<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s bilans <strong>de</strong>puissance au niveau <strong>de</strong> chaque cœur (sur les 2 premières <strong>ligne</strong>s du système). On insistebeaucoup sur le côté générique <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te approche puisque c<strong>et</strong>te représ<strong>en</strong>tation sous forme <strong>de</strong>matrice peut conv<strong>en</strong>ir à n’importe quel réseau électrique <strong>et</strong> la mise <strong>en</strong> équation estsystématique quelque soit la complexité du réseau.Un aspect important <strong>de</strong> ce système d’équations concerne le nombre d’inconnues supérieur aunombre d’équations du réseau. En eff<strong>et</strong>, dans ce cas, le réseau étant maillé, on dispose <strong>de</strong> 9inconnues pour 6 équations. Le système adm<strong>et</strong> donc une infinité <strong>de</strong> solutions ce qui n’est pasétonnant att<strong>en</strong>du qu’une charge donnée peut être alim<strong>en</strong>tée <strong>de</strong> diverses façons (par diverschemins). Notre choix a été d’aller plus loin dans c<strong>et</strong>te formulation sous forme d’équationsstructurelles.129
Chapitre IVA partir du mom<strong>en</strong>t où l’on dispose d’équations faisant interv<strong>en</strong>ir un grand nombre <strong>de</strong>puissances <strong>en</strong> tout g<strong>en</strong>re (puissance sur les li<strong>en</strong>s actifs, puissances fournies par les générateurs<strong>et</strong> puissances consommées), on peut ajouter <strong>de</strong>s équations supplém<strong>en</strong>taires afin <strong>de</strong> contraindreun peu plus le système. Nous avons appelé ces relations <strong>de</strong>s « équations <strong>de</strong> contrainte ». Il estalors possible <strong>de</strong> préciser le comportem<strong>en</strong>t du réseau <strong>en</strong> jouant sur ces équations <strong>de</strong>contraintes.On peut par exemple considérer le cas suivant : ne pas avoir <strong>de</strong> générateur sur le cœur arrière<strong>et</strong>, <strong>de</strong> plus, égaliser les puissances fournies par les 2 générateurs restants. Ceci correspond auscénario suivant :PAgéné= 0 ; PGPDgéné= géné⎧0= −2.PG+ PG+ P⎪ géné ch arg e⎪⎪P3= 2.PD− P⎪DCPFC géné⎪⎨PD=DgénéPgéné,⎪⎪P3= P3,⎪ DCPFC DCPFC⎪ 1⎪P= −PD+ P⎩DCPFC généGch arg e3DCPFCDch arg e− P+ P+ PA,ch arg e3DCPFCDch arg e− PDch arg e⎫⎪⎪, ⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎭(IV-7)La première <strong>ligne</strong> montre les équations <strong>de</strong> contraintes, alors que le résultat est donné parMaple sur les <strong>ligne</strong>s suivantes. Chaque puissance à transm<strong>et</strong>tre par les DCPFC est définie<strong>en</strong>tièrem<strong>en</strong>t puisqu’elle ne dép<strong>en</strong>d que <strong>de</strong>s puissances <strong>de</strong> charges <strong>et</strong> <strong>de</strong>s puissances <strong>de</strong>générations qui sont connues (ce sont <strong>de</strong>s gran<strong>de</strong>urs mesurables).Finalem<strong>en</strong>t, on dispose d’un outil perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> générer automatiquem<strong>en</strong>t les équationsstructurelles <strong>de</strong> n’importe quel réseau (maillé ou non). De plus, <strong>en</strong> ajoutant les équations <strong>de</strong>contrainte au système, il est possible <strong>de</strong> favoriser tel ou tel comportem<strong>en</strong>t global du réseau.IV.1.2.4 Bilan sur la modélisation par la théorie <strong>de</strong>s graphes <strong>et</strong> ses limites d’utilisation<strong>Les</strong> équations structurelles données précé<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t disposant <strong>de</strong> <strong>de</strong>grés <strong>de</strong> libertés, nous avonsjugé qu’il était possible <strong>de</strong> fournir <strong>de</strong>s équations <strong>de</strong> contraintes pour déterminer lecomportem<strong>en</strong>t du système. Cep<strong>en</strong>dant, lors <strong>de</strong> la conception du réseau électrique, il fautpr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong> compte tout un <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> défauts possibles <strong>et</strong> être dans la mesure du possibleexhaustif.En appliquant notre métho<strong>de</strong>, il faut pouvoir donner toutes les équations <strong>de</strong> contraintes surl’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t (cas normal ou cas <strong>de</strong> défauts) <strong>et</strong> implanter alors lesdiffér<strong>en</strong>tes équations régissant les puissances à transm<strong>et</strong>tre sur le réseau. Même si c<strong>et</strong>temétho<strong>de</strong> est <strong>en</strong>visageable dans le cas du réseau HVDC du laboratoire LAPLACE (réseauayant 3 cœurs électriques seulem<strong>en</strong>t), il est facile d’appréh<strong>en</strong><strong>de</strong>r que la complexité du réseauva avoir un impact déplorable sur la simplicité <strong>de</strong> la métho<strong>de</strong> employée.Nous nous fixons donc comme objectif <strong>de</strong> réaliser une gestion énergétique la plus simplepossible <strong>et</strong>, si possible, la plus générique possible. Nous allons donc abor<strong>de</strong>r une partie130
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillétraitant d’une approche générique basée égalem<strong>en</strong>t sur la théorie <strong>de</strong>s graphes pour déterminerles transferts <strong>de</strong> puissance à effectuer au sein du réseau.Jusqu’à maint<strong>en</strong>ant, le formalisme nous a permis <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> équation les échanges au seindu réseau mais nous n’avons pas utilisé les algorithmes <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot dans un graphedisponibles dans ce domaine. Nous utiliserons donc ces algorithmes après <strong>en</strong> avoir prés<strong>en</strong>téles principes.Cep<strong>en</strong>dant, même si la théorie <strong>de</strong>s graphes nous perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> déterminer les transferts <strong>de</strong>puissance dans le contexte d’une configuration donnée, elle ne peut s’appliquer aisém<strong>en</strong>t pourune gestion précise <strong>de</strong>s reconfigurations. Il est effectivem<strong>en</strong>t difficile <strong>de</strong> déterminer l’état <strong>de</strong>scontacteurs ou le choix du mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t d’un li<strong>en</strong> actif à partir d’un graphe. Unsystème à base <strong>de</strong> règles sera utilisé pour répondre à ce problème.IV.2 Métho<strong>de</strong>s <strong>de</strong> managem<strong>en</strong>t énergétiques proposéesLa suite <strong>de</strong> ce chapitre est consacrée à l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts choix effectués pour gérer lestransferts <strong>de</strong> puissance au sein <strong>de</strong> notre réseau. Nous avons vu avant que le réseau se compose<strong>de</strong> 3 cœurs électriques maillés à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> 3 DCPFC. Nous allons donc donner au système lesmoy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> s’auto configurer afin <strong>de</strong> répondre à tout mom<strong>en</strong>t à l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s sollicitations.On divise ainsi la suite <strong>en</strong> 3 parties.La première partie prolonge l’utilisation du formalisme <strong>de</strong> graphe. Nous détaillons ici unalgorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot maximal à coût minimal. La <strong>de</strong>scription <strong>de</strong> l’algorithme <strong>de</strong>Busacker & Gow<strong>en</strong> est donnée ainsi que son application sur le réseau maillé du LAPLACE.La secon<strong>de</strong> partie prés<strong>en</strong>te les systèmes experts basés sur le langage CLIPS. Ce système àbase <strong>de</strong> règles perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> gérer les évènem<strong>en</strong>ts discr<strong>et</strong>s du réseau avant d’y appliquerl’algorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flots.IV.2.1 Gestion <strong>de</strong>s transferts <strong>de</strong> puissance par la théorie <strong>de</strong>s graphesIV.2.1.1 Mise <strong>en</strong> équation du problèmeNous repr<strong>en</strong>ons ici les notations introduites auparavant pour réaliser notre outil <strong>de</strong> calcul <strong>de</strong>sflots <strong>de</strong> puissance. Il est ici question <strong>de</strong> modéliser les échanges énergétiques par <strong>de</strong>s flots surles arcs d’un graphe. <strong>Les</strong> échanges énergétiques correspond<strong>en</strong>t à <strong>de</strong>s transferts <strong>de</strong> puissance.C<strong>et</strong>te approche s’inscrit dans notre démarche visant un algorithme générique <strong>et</strong> applicable àtout type <strong>de</strong> réseau maillé.IV.2.1.1.aPrés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s problèmes <strong>de</strong> flots<strong>Les</strong> problèmes <strong>de</strong> flots constitu<strong>en</strong>t une classe <strong>de</strong> problèmes à part <strong>en</strong>tière liée à lareprés<strong>en</strong>tation sous forme <strong>de</strong> graphe. <strong>Les</strong> algorithmes sont particulièrem<strong>en</strong>t adaptés à l’étu<strong>de</strong><strong>de</strong>s réseaux électriques [DAN91]. Il est courant d’associer une fonction <strong>de</strong> coût aux li<strong>en</strong>s poursimuler les échanges économiques. Dans notre cas, nous utilisons les fonctions <strong>de</strong> coût nonpas pour ces considérations économiques mais pour privilégier l’utilisation d’un li<strong>en</strong> actifplutôt qu’un autre.131
Chapitre IVSuite à la définition <strong>de</strong>s notations, nous allons m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> équation le problème du flot maximaldans un réseau <strong>de</strong> transport [GON95].On considère le graphe G(X,A) (X étant l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s somm<strong>et</strong>s <strong>et</strong> A l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s arcs) oùchaque arc a ∈ A est muni d’une capacité ca≥ 0 (c<strong>et</strong>te capacité c a représ<strong>en</strong>te dans notre casd’application la puissance maximale transmissible par un li<strong>en</strong> actif, autrem<strong>en</strong>t dit 10 kW pournos équipem<strong>en</strong>ts).Si l’on considère nos 2 somm<strong>et</strong>s particuliers s ∈ X (la source) <strong>et</strong> p ∈ X (le puits) (avec s ≠ p ) <strong>de</strong>G, on peut construire un graphe G 0 (X,A 0 ) déduit <strong>de</strong> G <strong>en</strong> ajoutant un arc (p,s) dont lesextrémités sont p <strong>et</strong> s. On nomme c<strong>et</strong> arc l’arc <strong>de</strong> r<strong>et</strong>our du flot <strong>et</strong> on lui donneconv<strong>en</strong>tionnellem<strong>en</strong>t le numéro 0. A partir <strong>de</strong> là, les arcs sont numérotés <strong>de</strong> 0 à M. Enconsidérant que :- le somm<strong>et</strong> 1 est la source,- le somm<strong>et</strong> 5 est le puits,la figure IV.13 illustre les graphes construits ici :figure IV.13 : graphes G <strong>et</strong> G 0 construits pour résoudre les problèmes <strong>de</strong> flots1 2 ,..., ϕMest un flot <strong>de</strong> s à p dans G si <strong>et</strong> seulem<strong>en</strong>t si leslois <strong>de</strong> conservation aux nœuds sont vérifiées <strong>en</strong> tous somm<strong>et</strong>s <strong>de</strong> G sauf sur s <strong>et</strong> p où l’on a :On dit alors que le vecteur ϕ = [ ϕ , ϕ ] T∑ ϕ ∑a = ϕa= ϕ0a∈A(s)−a∈A(p)+(IV-8)L’<strong>en</strong>semble A + (s) correspond à l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s arcs du graphe G sortants <strong>de</strong> la source <strong>et</strong>l’<strong>en</strong>semble A - (p) correspond à l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s arcs du graphe G <strong>en</strong>trant dans le puits.Selon ces notations, la valeur ϕ0correspond à la valeur du flot circulant <strong>de</strong> s à p.Lorsque l’on munit chaque arc a d’une capacité ca≥ 0 , le problème du flot maximal revi<strong>en</strong>t àdéterminer un flot ϕ′ = [ ϕ0 , ϕ1 ,..., ϕM] T dans G 0 tel que la composante ϕ 0 soit maximale <strong>et</strong>132
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillévérifiant que 0 ≤ ϕa≤ capour tout arc sauf l’arc <strong>de</strong> r<strong>et</strong>our. Ce problème coïnci<strong>de</strong> avec notrebesoin d’alim<strong>en</strong>ter le maximum <strong>de</strong> charges lorsque la puissance <strong>de</strong> génération est disponible.On recherche donc ϕ0maximal.<strong>Les</strong> problèmes <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot maximal dans un graphe sont souv<strong>en</strong>t résolus <strong>de</strong> façonsimple par l’algorithme <strong>de</strong> Ford & Fulkerson datant <strong>de</strong> 1956 dont le principe est <strong>de</strong> partir duflot nul <strong>et</strong> <strong>de</strong> produire une séqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> flots respectant les contraintes sur les capacités <strong>et</strong> dontla suite <strong>de</strong>s valeurs <strong>de</strong> ϕ 0 est strictem<strong>en</strong>t croissante. La référ<strong>en</strong>ce [LEU88] donne une<strong>de</strong>scription détaillée <strong>et</strong> explicite <strong>de</strong> ce type d’algorithme (il ne s’agit pas du domaineélectrique mais, une fois l’étape <strong>de</strong> modélisation passée, les algorithmes sont prés<strong>en</strong>tés <strong>de</strong>façon claire).IV.2.1.1.bLa recherche d’un flot maximal à coût minimalLa recherche du flot maximal dans un graphe perm<strong>et</strong> dans notre étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> déterminer <strong>de</strong>stransferts énergétiques dans le réseau mais ne perm<strong>et</strong> pas <strong>de</strong> choisir <strong>de</strong> critères perm<strong>et</strong>tantd’avantager ou <strong>de</strong> pénaliser un transfert <strong>en</strong> fonction d’un critère (disponibilité d’une sourcepar exemple). A l’opposé, si l’on affecte un coût <strong>de</strong> transport <strong>de</strong> l’énergie sur chaque arc, onori<strong>en</strong>te les choix <strong>de</strong> la gestion énergétique dans le s<strong>en</strong>s voulu par le concepteur du réseau.Nous complétons alors la <strong>de</strong>scription mathématique du problème pour pouvoir pr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong>compte les coûts sur les arcs. On ajoute à la <strong>de</strong>scription <strong>de</strong> chaque arc ‘a’ du graphe G unepondération W a qui introduit le coût <strong>de</strong> passage d’une unité <strong>de</strong> flux sur un arc a. On note alorsle coût total associé à G par rapport à l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s pondérations W <strong>et</strong> l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s fluxϕ :∑W ⋅ϕ = W a ⋅ϕaa∈A(IV-9)Le problème qui nous concerne alors va être <strong>de</strong> trouver un flot ϕ dans G vérifiant lescontraintes 0 ≤ ϕa≤ capour tout arc a <strong>de</strong> G, tel que le coût total W ⋅ϕsoit minimal <strong>et</strong> tels que leflot ϕ0<strong>de</strong> p vers s défini dans le graphe d’écart G 0 soit maximal.Il est possible <strong>de</strong> formuler ce problème <strong>de</strong> façon équival<strong>en</strong>te sous la forme d’un problèmed’optimisation sous contraintes :∑⎧ min Wa⋅ϕ⎪⎪ ∈⎪ L a⋅ϕ Aa= 0⎨⎪ ∀a∈ A, ϕa≥ 0⎪∀a∈ A, c a ≥ ϕa⎪⎩ϕ0max(IV-10)C<strong>et</strong>te formulation repr<strong>en</strong>d la matrice d’incid<strong>en</strong>ce L qui nous a permis définir les équationsstructurelles du réseau.133
Chapitre IVIV.2.1.2 Description <strong>de</strong> l’algorithme choisiDeux principes perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong> résoudre ce type <strong>de</strong> problème [LAC03] :- partir d’un graphe ayant le flot désiré <strong>et</strong> chercher à minimiser le coût ;- construire une suite <strong>de</strong> flots croissants ayant chacun un coût minimal ;L’algorithme <strong>de</strong> Busacker & Gow<strong>en</strong> que nous allons prés<strong>en</strong>ter <strong>et</strong> utiliser fait partie du secondgroupe.IV.2.1.2.aPrés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> l’algorithmeParmi les algorithmes <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot maximal à coût minimal, celui <strong>de</strong> Busacker &Gow<strong>en</strong> prés<strong>en</strong>te 2 avantages : il est simple à programmer <strong>et</strong> efficace dans la pratique. Auniveau théorique, il existe <strong>de</strong>s algorithmes plus efficaces mais ils sont plus difficiles àimplém<strong>en</strong>ter [LAC03].L’idée consiste à partir d’un flot ϕ0<strong>de</strong> p vers s nul <strong>et</strong> d’un coût total K nul. On va alorschercher à atteindre un flot maximal ϕ défini ou non ( = +∞ ). On précise que chaquereqflot trouvé par l’algorithme possè<strong>de</strong> un coût minimal. Le principe <strong>de</strong> l’algorithme est baséselon la structure suivante :Initialisation :0 = 0K = 0ϕreqExiste-t-il une chaîne <strong>de</strong>coût minimal <strong>de</strong> s à p ?NonOuiCalculer l’augm<strong>en</strong>tationpossible du flot 0 ;0 = 0 + ;Augm<strong>en</strong>ter les coûts <strong>de</strong>sflots <strong>de</strong>s arcs <strong>de</strong> ;K = K + ;Non0 = reqOuiFinfigure IV.14 : algorithme <strong>de</strong> Busacker & Gow<strong>en</strong>L’étape d’initialisation impose <strong>de</strong> partir avec un flot nul dans le graphe G. La gran<strong>de</strong>ur K (lecoût total) est égalem<strong>en</strong>t nulle. On recherche alors la chaîne µ <strong>de</strong> s vers p dont le coût estminimal. C<strong>et</strong>te recherche est basée sur un algorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> chemin à correctiond’étiqu<strong>et</strong>tes expliqué plus loin dans ce chapitre. Si le chemin est trouvé, l’augm<strong>en</strong>tation duflot est calculée <strong>et</strong> ajoutée au flot actuel. On réalise alors l’augm<strong>en</strong>tation du flot dans le134
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillégraphe G <strong>et</strong> le coût K est augm<strong>en</strong>té du coût dû à la chaîne µ. L’algorithme s’arrête quand iln’y a plus <strong>de</strong> chaîne trouvée ou quand on atteint une valeur requise pour le flot ϕ 0 .La compréh<strong>en</strong>sion <strong>de</strong>s algorithmes écrits étant souv<strong>en</strong>t difficile, la figure IV.15 montre unexemple d’utilisation <strong>de</strong> l’algorithme. La puissance est ici donnée <strong>en</strong> kW pour simplifier lalecture. <strong>Les</strong> gran<strong>de</strong>urs <strong>de</strong> type 0/20 donnée sur le schéma correspond<strong>en</strong>t à ϕ a / c a , soit le flotsur l’arc ‘a’ <strong>et</strong> la capacité <strong>de</strong> c<strong>et</strong> arc. Chaque arc dispose d’un coût unitaire.figure IV.15 : illustration <strong>de</strong> la métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> Busacker & Gow<strong>en</strong>Il s’agit du graphe représ<strong>en</strong>tant notre réseau maillé prés<strong>en</strong>té dans les paragraphes précéd<strong>en</strong>ts.<strong>Les</strong> gran<strong>de</strong>urs données à côté <strong>de</strong>s arcs correspond<strong>en</strong>t aux flots <strong>et</strong> à la capacité maximale <strong>de</strong>l’arc. Le but est <strong>de</strong> trouver le flot maximal allant <strong>de</strong> 1 (la source) à 5 (le puits).Lors <strong>de</strong> l’initialisation, tous les flots sont nuls. A l’étape 1, un chemin est trouvé : 1 – 2 – 5.On réalise alors l’augm<strong>en</strong>tation du flot d’une valeur égale à 12 (si l’on ramène ceci à notreréseau électrique, il s’agit <strong>de</strong> 12 kW). Lors <strong>de</strong>s étapes 2 <strong>et</strong> 3, les chemins trouvés sont 1 – 4 –5 <strong>et</strong> 1 – 3 – 5. A l’issue <strong>de</strong> ces étapes, les chemins les plus courts (n’utilisant qu’un seulsomm<strong>et</strong> <strong>en</strong>tre la source <strong>et</strong> le puits) ont été trouvés. Cep<strong>en</strong>dant, le flot n’est pas maximalpuisque l’on peut augm<strong>en</strong>ter le flot sur l’arc 4 – 5. Ceci est réalisé à l’étape 4. Finalem<strong>en</strong>t, la<strong>de</strong>rnière figure donne l’étape finale <strong>et</strong> prés<strong>en</strong>te le flot maximal dans notre graphe.Pour <strong>de</strong>s détails sur la justification <strong>de</strong> l’algorithme ainsi que sa complexité théorique, lelecteur peut se reporter à [LAC03].IV.2.1.2.bPrincipes <strong>et</strong> subtilités <strong>de</strong> programmation135
Chapitre IVNous <strong>en</strong>trons maint<strong>en</strong>ant plus dans les détails concernant la programmation. Il s’agituniquem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> prés<strong>en</strong>ter les subtilités <strong>de</strong> programmation utilisées. On note bi<strong>en</strong> évi<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>tqu’il est possible <strong>de</strong> co<strong>de</strong>r l’algorithme sous d’autres formes.La première <strong>de</strong>s subtilités concerne la représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs. Lors <strong>de</strong> la prés<strong>en</strong>tation<strong>de</strong>s graphes, nous avons précisé que les arcs avai<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s capacités maximales mais nous avonségalem<strong>en</strong>t définit le flot comme une gran<strong>de</strong>ur positive. Or, les li<strong>en</strong>s actifs peuv<strong>en</strong>t transférer<strong>de</strong> la puissance <strong>de</strong> façon bidirectionnelle. Pour résoudre ce problème, nous avons ainsi doubléle nombre d’arcs représ<strong>en</strong>tant les li<strong>en</strong>s actifs. Ceci est prés<strong>en</strong>té sur la figure IV.16 :figure IV.16 : représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs bidirectionnels dans les graphesLe graphe dispose donc <strong>de</strong> 3 arcs supplém<strong>en</strong>taires perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> pr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong> compte lestransferts <strong>de</strong> puissance bidirectionnels.La secon<strong>de</strong> subtilité concerne la représ<strong>en</strong>tation du graphe. Nous avons vu qu’il était possible<strong>et</strong> simple <strong>de</strong> représ<strong>en</strong>ter les graphes sous forme <strong>de</strong> matrice d’incid<strong>en</strong>ce. Cep<strong>en</strong>dant, lors <strong>de</strong> laprogrammation <strong>et</strong> lorsque l’algorithme est utilisé avec <strong>de</strong>s graphes <strong>de</strong> taille importante, cecipeut pr<strong>en</strong>dre une place importante <strong>en</strong> mémoire. Pour remédier à cela, dans le cas <strong>de</strong> graphespeu d<strong>en</strong>ses (dont la matrice d’incid<strong>en</strong>ce comporte beaucoup <strong>de</strong> 0), on utilise plus volontiersune représ<strong>en</strong>tation sous forme <strong>de</strong> liste d’adjac<strong>en</strong>ces. La figure IV.17 montre ce type <strong>de</strong>représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> notre nouveau graphe comportant tous les arcs.figure IV.17 : représ<strong>en</strong>tation d’un graphe sous forme <strong>de</strong> liste d’adjac<strong>en</strong>ce136
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléOn dispose <strong>de</strong> 2 listes : le nombre <strong>de</strong> cases <strong>de</strong> la première est N somm<strong>et</strong>s <strong>et</strong> N arcs pour la<strong>de</strong>uxième. Chaque case <strong>de</strong> la première liste donne le nombre d’arcs partants du somm<strong>et</strong>correspondant. Il existe donc un arc partant <strong>de</strong> ce somm<strong>et</strong> <strong>et</strong> allant jusqu’au somm<strong>et</strong> dont l<strong>en</strong>uméro est donné par la <strong>de</strong>uxième liste.Le troisième point constitue un élém<strong>en</strong>t plus important. Il porte sur la métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> recherchedu plus court chemin <strong>en</strong>tre s <strong>et</strong> p. L’algorithme couramm<strong>en</strong>t utilisé est celui <strong>de</strong> Dijkstra <strong>et</strong> d<strong>en</strong>ombreuses référ<strong>en</strong>ces port<strong>en</strong>t sur sa <strong>de</strong>scription ainsi que son utilisation. Cep<strong>en</strong>dant, il nepeut être utilisé lorsque les graphes peuv<strong>en</strong>t avoir <strong>de</strong>s coûts négatifs. Or, dans le cas <strong>de</strong>l’algorithme <strong>de</strong> Busacker & Gow<strong>en</strong>, le graphe d’écart conti<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s coûts négatifs.Dans notre programme, nous utilisons donc un autre algorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> plus courtchemin nommé FIFO (First In – First Out) dont le principe est basé sur la construction d’unepile <strong>de</strong> somm<strong>et</strong>s. A l’initialisation le somm<strong>et</strong> s est placé dans la pile. Puis lors <strong>de</strong> l’itération,un passage traite tous les somm<strong>et</strong>s prés<strong>en</strong>ts dans la pile, balaye leurs successeurs <strong>et</strong> place tousles successeurs ayant un coût amélioré dans la pile. L’algorithme s’arrête quand la pile estvi<strong>de</strong> <strong>et</strong> le plus court chemin est donné ainsi que son coût. La figure IV.18 donne unereprés<strong>en</strong>tation du fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> c<strong>et</strong> algorithme.figure IV.18 : algorithme FIFO – First In, First OutIl est possible d’avoir plus d’informations dans [LAC03] pour l’algorithme ou dans [KER88]pour le codage <strong>en</strong> langage C.Finalem<strong>en</strong>t, grâce à ce travail <strong>de</strong> représ<strong>en</strong>tation du réseau sous forme <strong>de</strong> graphe <strong>et</strong> notamm<strong>en</strong>tl’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s algorithmes utilisés pour la recherche d’un flot maximal à un coût minimal, nousdisposons d’un outil informatique perm<strong>et</strong>tant d’<strong>en</strong>trer la structure du réseau mais égalem<strong>en</strong>tles coûts à appliquer sur chaque arc afin <strong>de</strong> déterminer les puissances à transférer sur chaqueDCPFC.137
Chapitre IVIV.2.2 Gestion <strong>de</strong>s reconfigurations par un système expertLa modélisation du réseau à l’ai<strong>de</strong> d’un graphe nous a ouvert un <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> possibilitésconcernant la gestion <strong>de</strong> la puissance mais il se trouve que son utilisation pour déterminer lesordres d’ouverture ou <strong>de</strong> ferm<strong>et</strong>ure d’un contacteur ainsi que les mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t<strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs est limitée.<strong>Les</strong> métho<strong>de</strong>s classiquem<strong>en</strong>t utilisées dans les réseaux <strong>de</strong> bords sont une formulation <strong>de</strong>sordres d’ouverture <strong>et</strong> <strong>de</strong> ferm<strong>et</strong>ure <strong>de</strong>s contacteurs <strong>en</strong> <strong>de</strong>s équations logiques. Nous proposonsici une autre métho<strong>de</strong> basée sur <strong>de</strong>s règles, plus précisém<strong>en</strong>t à partir <strong>de</strong> systèmes experts.En eff<strong>et</strong>, afin d’éviter la mise <strong>en</strong> place d’équations logiques complexes qu’il est nécessaire <strong>de</strong>revoir lors <strong>de</strong> l’ajout d’élém<strong>en</strong>ts dans le réseau électrique, nous décidons <strong>de</strong> définir <strong>de</strong>s règlesd’ouverture <strong>et</strong> ferm<strong>et</strong>ure <strong>de</strong> ces contacteurs. Il s’agit <strong>de</strong> définir ainsi notre système expert <strong>de</strong>gestion <strong>de</strong>s évènem<strong>en</strong>ts discr<strong>et</strong>s dont l’intérêt a été donné au début <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te partie.C<strong>et</strong>te approche par les systèmes experts a déjà été étudiée dans [KARXX] pour la gestion <strong>de</strong>sréseaux électriques dans les navires. La réalisation expérim<strong>en</strong>tale <strong>de</strong> ce système expert vali<strong>de</strong>les apports <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> gestion détaillée auparavant <strong>en</strong> simulation.IV.2.2.1 Prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s systèmes expertsAvant d’<strong>en</strong>trer dans le détail <strong>de</strong>s systèmes à base <strong>de</strong> connaissances puis <strong>de</strong>s systèmes expertstels que CLIPS, il est nécessaire <strong>de</strong> situer les domaines dans lesquels <strong>en</strong>tr<strong>en</strong>t ce g<strong>en</strong>re d’étu<strong>de</strong>.On ne se situe plus vraim<strong>en</strong>t dans le domaine du génie électrique à proprem<strong>en</strong>t parler maisdans celui plus vaste, <strong>en</strong> termes d’applications pot<strong>en</strong>tielles, <strong>de</strong> l’intellig<strong>en</strong>ce artificielle. Le butest <strong>de</strong> proposer une gestion énergétique intellig<strong>en</strong>te du réseau <strong>de</strong> bord, selon <strong>de</strong>s critèresdéfinis par <strong>de</strong>s spécialistes du domaine aéronautique.IV.2.2.1.aGénéralités sur les systèmes à base <strong>de</strong> connaissances<strong>Les</strong> systèmes à base <strong>de</strong> connaissances ont pour but <strong>de</strong> reproduire <strong>de</strong>s raisonnem<strong>en</strong>ts proches<strong>de</strong> ce qu’aurait fait un spécialiste du domaine s’il avait dû agir. Une définition donnée par l’un<strong>de</strong>s pionniers <strong>de</strong>s systèmes experts perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> s’approprier la vaste portée <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te discipline.Il s’agit <strong>de</strong> : « la construction <strong>de</strong> programmes informatiques qui s’adonn<strong>en</strong>t à <strong>de</strong>s tâches quisont, pour l’instant, accomplies <strong>de</strong> façon plus satisfaisante par <strong>de</strong>s êtres humains car elles<strong>de</strong>mand<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s processus m<strong>en</strong>taux <strong>de</strong> haut niveau tels que : l’appr<strong>en</strong>tissage perceptuel,l’organisation <strong>de</strong> la mémoire <strong>et</strong> le raisonnem<strong>en</strong>t critique » (Marvin Lee Minsky).Pour mieux appréh<strong>en</strong><strong>de</strong>r ce mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> raisonnem<strong>en</strong>t, on peut comm<strong>en</strong>cer par détailler la figuresuivante schématisant le fonctionnem<strong>en</strong>t d’un système à base <strong>de</strong> connaissance :138
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléfigure IV.19 : principes <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t d’un système à base <strong>de</strong> connaissancesDans ce schéma, le problème est posé sous forme <strong>de</strong> faits : il s’agit d’un système à base <strong>de</strong>connaissances fonctionnant <strong>en</strong> chaînage avant (le chaînage arrière est lui basé sur les résultats<strong>et</strong> t<strong>en</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong> remonter aux faits). Ces faits peuv<strong>en</strong>t être <strong>de</strong> toutes sortes (nombres, boolé<strong>en</strong>,phrase, <strong>et</strong>c.). On confronte alors ces faits à une base <strong>de</strong> connaissances qui a été <strong>en</strong>trée aupréalable par l’expert <strong>en</strong> charge du système. Agit alors le moteur d’infér<strong>en</strong>ce qui déci<strong>de</strong>d’appliquer une règle <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>s faits <strong>et</strong> <strong>de</strong> l’ordre dans lequel ils ont été introduits. Nousrevi<strong>en</strong>drons plus <strong>en</strong> détail sur le moteur d’infér<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> CLIPS qui constitue notre systèmeexpert. Une fois les règles activées, le système r<strong>en</strong>voie une conclusion dont la nature peut êtrecomparable à un fait. Sur la base <strong>de</strong> ces nouveaux faits créés, il est alors possible d’<strong>en</strong>chaînerles passages dans le moteur d’infér<strong>en</strong>ce.Ce <strong>de</strong>scriptif assez sommaire donne un bon point <strong>de</strong> départ pour saisir le fonctionnem<strong>en</strong>t d’unsystème expert <strong>et</strong> plus généralem<strong>en</strong>t d’un système à base <strong>de</strong> connaissances.IV.2.2.1.bPrés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> CLIPSParmi les langages servant à définir <strong>de</strong>s systèmes experts, nous avons choisi d’utiliser lelangage CLIPS (pour C Language Integrated Production System) [LEH98] dont lesprincipales caractéristiques sont :- Représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> la connaissance sous forme <strong>de</strong> règles mais pouvant égalem<strong>en</strong>tutiliser une représ<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> type obj<strong>et</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong>s règles procédurales (<strong>de</strong> type« Si…alors… » par exemple) ;- La portabilité : le co<strong>de</strong> est écrit <strong>en</strong> C <strong>et</strong> donc aisém<strong>en</strong>t interfaçable avec d’autreslangages <strong>et</strong> compilable sur une large gamme <strong>de</strong> machines ;- La possibilité d’ajouter <strong>de</strong>s fonctionnalités grâce à sa base <strong>en</strong> C ;- <strong>Les</strong> éditeurs intégrés perm<strong>et</strong>tant notamm<strong>en</strong>t la vérification <strong>de</strong>s règles avant <strong>de</strong> lesco<strong>de</strong>r <strong>en</strong> C ;- Une docum<strong>en</strong>tation complète ;- Le prix : le langage est maint<strong>en</strong>u dans le domaine public ;Pour ces diverses raisons, notamm<strong>en</strong>t la portabilité perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> conserver les co<strong>de</strong>s <strong>de</strong>gestion d’un <strong>en</strong>vironnem<strong>en</strong>t à l’autre (<strong>de</strong> Saber pour les simulations à dSpace pour les essais139
Chapitre IVexpérim<strong>en</strong>taux), nous avons choisi CLIPS pour écrire notre système expert <strong>de</strong> gestion <strong>de</strong>sévènem<strong>en</strong>ts discr<strong>et</strong>s (contacteurs <strong>et</strong> mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s DCPFC).Le moteur d’infér<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> CLIPS est basé sur l’algorithme RETE [DOO95]. Il s’agit d’unalgorithme réputé pour sa puissance notamm<strong>en</strong>t lorsqu’il est utilisé avec un grand nombre <strong>de</strong>règles. Pour le lecteur plus averti sur ce domaine, le moteur d’infér<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> CLIPS est unmoteur d’ordre 1 <strong>en</strong> chaînage avant, c'est-à-dire qu’il pr<strong>en</strong>d <strong>en</strong> compte <strong>de</strong>s variables maisaussi <strong>de</strong>s états ou <strong>de</strong>s quantificateurs perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> représ<strong>en</strong>ter les informations mêmeincertaines <strong>et</strong>, égalem<strong>en</strong>t, que les règles sont décl<strong>en</strong>chées à partir <strong>de</strong>s faits.Avant le démarrage du moteur d’infér<strong>en</strong>ce, les faits sont ajoutés à un ag<strong>en</strong>da qui regroupel’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s règles qui peuv<strong>en</strong>t être décl<strong>en</strong>chées. Chacune <strong>de</strong> ces règles peut être classéeselon un critère <strong>de</strong> priorité défini par le concepteur (le paramètre « sali<strong>en</strong>ce »). Cep<strong>en</strong>dant,lorsqu’il y a conflit <strong>en</strong>tre plusieurs règles <strong>de</strong> même priorité, il est nécessaire d’avoir unemétho<strong>de</strong> <strong>de</strong> choix pour pouvoir déterminer la règle à activer <strong>en</strong> priorité. Dans CLIPS, il existe7 stratégies différ<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> résolution <strong>de</strong>s conflits.La stratégie que nous utilisons est la stratégie « Depth » (profon<strong>de</strong>ur d’abord <strong>en</strong> français). Ils’agit <strong>de</strong> la stratégie par défaut dans laquelle, lorsque plusieurs règles sont décl<strong>en</strong>chables(c’est à dire que les faits qui les activ<strong>en</strong>t sont prés<strong>en</strong>ts), la stratégie consiste à pr<strong>en</strong>dre la<strong>de</strong>rnière règle ajoutée à l’ag<strong>en</strong>da.Cela perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> connaître par avance le comportem<strong>en</strong>t du système expert dans un cas que l’onpeut qualifier <strong>de</strong> « difficile ».IV.2.2.2 Règles <strong>de</strong> gestion <strong>et</strong> programmation <strong>en</strong> CLIPSIV.2.2.2.aDéfinition <strong>de</strong>s besoinsLe paragraphe concernant la modélisation du réseau sous forme <strong>de</strong> graphe a mis <strong>en</strong> lumière undéfaut inhér<strong>en</strong>t à ce type <strong>de</strong> modélisation : il est difficile <strong>de</strong> pr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong> compte lesreconfigurations du réseau ainsi que les mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts. Nousconsidérons donc les variables suivantes :- <strong>Les</strong> contacteurs utilisés pour relier les générateurs aux cœurs (nous faisonsl’hypothèse qu’il y a une source unique par cœur) ;- <strong>Les</strong> mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s DCPFC : un DCPFC peut être <strong>en</strong> mo<strong>de</strong> transfert<strong>de</strong> puissance contrôlé (mo<strong>de</strong> P), <strong>en</strong> régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion (mo<strong>de</strong> V) ou bi<strong>en</strong> éteint (OFF) ;L’idée consiste alors à déterminer les mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s DCPFC <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>sétats <strong>de</strong>s générateurs (on considère un générateur « perdu » lorsque son contacteur est ouvert).<strong>Les</strong> contacteurs associés aux générateurs sont donc les <strong>en</strong>trées <strong>et</strong> les mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t<strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs sont les sorties. Le but est <strong>de</strong> s’assurer à tout instant que les chargesconnectées sur tous les cœurs sont alim<strong>en</strong>tées.Avant <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r le fonctionnem<strong>en</strong>t du réseau maillé, nous traiterons un cas simple danslequel les barres <strong>de</strong> distribution sont liées <strong>en</strong>tre elles par <strong>de</strong>s contacteurs. Nous détaillerons cefonctionnem<strong>en</strong>t simple pour ai<strong>de</strong>r à la compréh<strong>en</strong>sion <strong>de</strong>s mécanismes propres aux systèmesexperts.IV.2.2.2.bListe <strong>de</strong>s <strong>en</strong>sembles <strong>de</strong> règles140
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléPour pouvoir tester notre système, nous avons défini 3 <strong>en</strong>sembles <strong>de</strong> règles qui ont étéimplantées. L’approche a été très progressive afin <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r les principes <strong>de</strong> gestion.<strong>Les</strong> 3 <strong>en</strong>sembles <strong>de</strong> règles sont les suivants :- Ensemble n°1 : on considère un réseau électrique « classique », c'est-à-dire sansDCPFC. Par contre, chaque cœur électrique peut être relié par un contacteur assurant<strong>de</strong>s possibilités <strong>de</strong> reconfiguration pour le réseau. Le but est alors d’alim<strong>en</strong>ter un cœurayant perdu sa source par un autre (qui possè<strong>de</strong> toujours sa source) à travers uncontacteur ;- Ensemble n°2 : les contacteurs du réseau précéd<strong>en</strong>t sont remplacés par <strong>de</strong>s DCPFC. Ilfaut c<strong>et</strong>te fois-ci donner les bons mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>ts aux DCPFC. Comme lesuperviseur ne dispose pas d’outil pour définir les transferts <strong>de</strong> puissance, un cœurpeut être considéré <strong>en</strong> surcharge <strong>et</strong> un transfert <strong>de</strong> puissance fixe est alors effectué.- Ensemble n°3 : on considère notre réseau dans lequel les référ<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> puissance sontdéfinies par un outil extérieur au système expert. Il faut donc déterminer le mo<strong>de</strong> <strong>de</strong>fonctionnem<strong>en</strong>t correct <strong>de</strong>s DCPFC ;<strong>Les</strong> règles définies sont similaires à celle définissant une barre alim<strong>en</strong>tée par un générateur :(<strong>de</strong>frule <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur(<strong>de</strong>clare (sali<strong>en</strong>ce 1000) )?fact (modify ?fact (<strong>et</strong>at alim<strong>en</strong>tee) (secours non) ))Algo(IV-1)figure IV.20 : illustration <strong>de</strong> la règle définissant une barre alim<strong>en</strong>tée par un générateurLa première <strong>ligne</strong> définie le nom <strong>de</strong> la règle.La secon<strong>de</strong> <strong>ligne</strong> donne la priorité <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te règle par rapport aux autres. Ici, nous avons choisiune forte priorité car le but est d’alim<strong>en</strong>ter la barre par son générateur lorsque celui-ci estdisponible ce qui est le cas ici puisque le contacteur GLC est fermé (il s’agit du contacteurreliant le générateur à la barre <strong>de</strong> distribution – G<strong>en</strong>erator Line Contactor).<strong>Les</strong> <strong>de</strong>ux <strong>ligne</strong>s suivantes décriv<strong>en</strong>t les faits qui r<strong>en</strong>d<strong>en</strong>t c<strong>et</strong>te règle décl<strong>en</strong>chable. Ici, le 1 erfait concerne une barre dont l’état serait non alim<strong>en</strong>tée <strong>et</strong> le 2 nd fait concerne le GLC associé àc<strong>et</strong>te barre qui serait fermé (ceci correspond à <strong>et</strong>at 1). Pour pouvoir trouver le GLCcorrespondant à la barre, la variable ?x est utilisée. Ceci perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> ne pas choisir un autre141
Chapitre IVGLC. Enfin, le terme ?fact <strong>de</strong>vant le 1 er fait perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre celui-ci <strong>en</strong> mémoire afin <strong>de</strong> lemodifier lorsque la règle sera décl<strong>en</strong>chée.La flèche => perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> séparer les faits <strong>de</strong>s actions.La <strong>de</strong>rnière <strong>ligne</strong> représ<strong>en</strong>te donc l’action à exécuter. Ici, on modifie une <strong>de</strong>s caractéristiquesdu fait <strong>en</strong> mémoire (celui portant sur la barre), on change l’état <strong>de</strong> la barre (<strong>en</strong> la passant <strong>en</strong>barre alim<strong>en</strong>tée) <strong>et</strong> <strong>en</strong> précisant que, même si la barre est alim<strong>en</strong>tée, elle n’est pas <strong>en</strong> mo<strong>de</strong>secours.L’un <strong>de</strong>s avantages lors <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> CLIPS rési<strong>de</strong> dans l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s composants quel’on peut trouver pour ce langage. Parmi eux se trouve l’interpréteur. Il s’agit d’une interfaceperm<strong>et</strong>tant d’écrire son jeu <strong>de</strong> règles <strong>et</strong> d’appliquer les faits. La figure IV.21 montre lespossibilités <strong>de</strong> c<strong>et</strong> interpréteur.figure IV.21 : f<strong>en</strong>être <strong>de</strong> l’interpréteur CLIPSOn r<strong>et</strong>rouve notamm<strong>en</strong>t une f<strong>en</strong>être perm<strong>et</strong>tant la programmation, une f<strong>en</strong>être listant les faits,une pour les règles <strong>et</strong> l’ag<strong>en</strong>da qui a été évoqué précé<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t.Finalem<strong>en</strong>t, après ce rapi<strong>de</strong> tour d’horizon sur le langage CLIPS, nous allons décrire les outilsd’étu<strong>de</strong> qui vont nous perm<strong>et</strong>tre <strong>de</strong> tester un mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> raisonnem<strong>en</strong>t non utilisé jusque là dansles réseaux <strong>de</strong> bord aéronautiques.IV.2.2.3 Simulations <strong>de</strong> validationL’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>s simulations effectuées dans ce paragraphe est réalisé à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’interpréteurCLIPS. Pour cela, les <strong>en</strong>sembles <strong>de</strong> règles sont soumis à un ou <strong>de</strong>ux réseaux <strong>de</strong> testsperm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r le comportem<strong>en</strong>t avant <strong>de</strong> faire les essais <strong>en</strong> simulations <strong>et</strong>expérim<strong>en</strong>taux.IV.2.2.3.aEnsemble <strong>de</strong> règles n°1 : gestion <strong>de</strong>s contacteurs uniquem<strong>en</strong>t142
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléNous décidons ici <strong>de</strong> réaliser une gestion d’un réseau dépourvu <strong>de</strong> li<strong>en</strong> actif <strong>et</strong> composéuniquem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> contacteurs. C<strong>et</strong>te application simple nous perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> évid<strong>en</strong>ce lecôté didactique <strong>et</strong> ainsi <strong>de</strong> découvrir ce mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> programmation.Le réseau pris <strong>en</strong> compte est <strong>de</strong>ssiné sur la figure IV.22.figure IV.22 : réseau <strong>de</strong> test pour le jeu <strong>de</strong> règle n°1On y distingue 2 types <strong>de</strong> contacteurs :- les contacteurs associés aux générateurs électriques (les GLCs – G<strong>en</strong>erator LineContactor) ;- les contacteurs <strong>de</strong> reconfiguration du réseau (les LCs – Line Contactor).En langage CLIPS, la définition <strong>de</strong>s élém<strong>en</strong>ts est donnée <strong>de</strong> la façon suivante :;;; Définition du type d'élém<strong>en</strong>t GLC(<strong>de</strong>ftemplate GLC(slot id (<strong>de</strong>fault-dynamic (g<strong>en</strong>sym*) ) )(slot barre)(slot <strong>et</strong>at));;; Définition du type d'élém<strong>en</strong>t LC(<strong>de</strong>ftemplate L(slot id (<strong>de</strong>fault-dynamic (g<strong>en</strong>sym*) ) )(slot barre)(slot <strong>de</strong>stination)(slot <strong>et</strong>at (<strong>de</strong>fault 0) )(slot numero)Algo(IV-2)143
Chapitre IV);;; Définition du type d'élém<strong>en</strong>t barre(<strong>de</strong>ftemplate barre(slot numero)(slot <strong>et</strong>at (<strong>de</strong>fault non-alim<strong>en</strong>tee) )(slot secours (<strong>de</strong>fault non) ))On choisit ici <strong>de</strong> créer trois types d’élém<strong>en</strong>ts: les élém<strong>en</strong>ts « barre », les élém<strong>en</strong>ts « GLC » <strong>et</strong>les élém<strong>en</strong>ts « LC ». Chacun dispose <strong>de</strong> ses caractéristiques propres ainsi que d’un numérod’id<strong>en</strong>tification donné automatiquem<strong>en</strong>t (la comman<strong>de</strong> « g<strong>en</strong>sym »).A partir <strong>de</strong> là, on crée les règles associées à ce réseau. L’objectif étant d’ouvrir ou <strong>de</strong> fermerles LCs adéquats <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong> l’état <strong>de</strong>s GLCs, nous créons 4 règles dont voici un résumélittéral :Règle n°1 : Si une barre n’est pas alim<strong>en</strong>tée <strong>et</strong> que son GLC associé est fermé,alors la barre associée est alim<strong>en</strong>tée.Règle n°2 : Si un GLC est ouvert, alors la barre associée est perdue.Règle n°3 : Si une barre <strong>en</strong> mo<strong>de</strong> secours voit son GLC se fermer, alors le LCs’ouvre <strong>et</strong> la barre est alim<strong>en</strong>tée mais n’est plus <strong>en</strong> secours.Algo(IV-3)Règle n°4 : Si une barre A n’est pas alim<strong>en</strong>tée <strong>et</strong> qu’il existe une barre Balim<strong>en</strong>tée <strong>et</strong> un LC <strong>en</strong>tre A <strong>et</strong> B, alors on ferme ce LC.Voici <strong>en</strong>suite le co<strong>de</strong> équival<strong>en</strong>t utilisé par le système expert :(<strong>de</strong>frule <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur(<strong>de</strong>clare (sali<strong>en</strong>ce 1000) )?fact (modify ?fact (<strong>et</strong>at alim<strong>en</strong>tee) (secours non) ))(<strong>de</strong>frule perte_barre?fact (modify ?fact (<strong>et</strong>at non-alim<strong>en</strong>tee) ))Algo(IV-4)(<strong>de</strong>frule reprise_par_g<strong>en</strong>erateur?fact1
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillé)=>(modify ?fact2 (<strong>et</strong>at 0) )(modify ?fact3 (<strong>et</strong>at 0) )(modify ?fact1 (secours non) )(<strong>de</strong>frule <strong>et</strong>at_barre_secourue?fact1 (load gestion_contacteur_these.CLP)Defining <strong>de</strong>ftemplate: GLCDefining <strong>de</strong>ftemplate: LCDefining <strong>de</strong>ftemplate: barreDefining <strong>de</strong>frule: perte_barre +j+jDefining <strong>de</strong>frule: <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur +j+jDefining <strong>de</strong>frule: reprise_par_g<strong>en</strong>erateur +j+j+jDefining <strong>de</strong>frule: <strong>et</strong>at_barre_secourue =j+j+j+jTRUEOn a ici défini 3 modèles d’élém<strong>en</strong>ts (les templates) : les GLC, les LC <strong>et</strong> les barres <strong>de</strong>distribution. On r<strong>et</strong>rouve juste après les 4 règles écrites. La définition <strong>de</strong>s modèles est validéepar l’indication TRUE. La comman<strong>de</strong> (res<strong>et</strong>) suivante sert à initialiser les faits par un faitnuméroté 0 : le fait initial.CLIPS> (res<strong>et</strong>)==> f-0 (initial-fact)A partir <strong>de</strong> ce mom<strong>en</strong>t, il est possible <strong>de</strong> définir notre réseau à partir <strong>de</strong>s modèles définiauparavant. On comm<strong>en</strong>ce par créer 4 barres <strong>de</strong> distribution :145
Chapitre IVCLIPS> (assert (barre (numero 1) ) )==> f-1 (barre (numero 1) (<strong>et</strong>at non-alim<strong>en</strong>tee) (secours non))CLIPS> (assert (barre (numero 2) ) )==> f-2 (barre (numero 2) (<strong>et</strong>at non-alim<strong>en</strong>tee) (secours non))CLIPS> (assert (barre (numero 3) ) )==> f-3 (barre (numero 3) (<strong>et</strong>at non-alim<strong>en</strong>tee) (secours non))CLIPS> (assert (barre (numero 4) ) )==> f-4 (barre (numero 4) (<strong>et</strong>at non-alim<strong>en</strong>tee) (secours non))<strong>Les</strong> indications donne les différ<strong>en</strong>ts faits ajoutés dans la base <strong>de</strong> faits. Ici, les 4premiers faits correspond<strong>en</strong>t donc aux barres <strong>de</strong> distribution. On crée alors les faitsreprés<strong>en</strong>tants les GLC <strong>et</strong> donc les générateurs :CLIPS> (assert (GLC (barre 1) ) )==> f-5 (GLC (barre 1) (<strong>et</strong>at 1))==> Activation 1000 <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur: f-1,f-5CLIPS> (assert (GLC (barre 2) (<strong>et</strong>at 0) ) )==> f-6 (GLC (barre 2) (<strong>et</strong>at 0))CLIPS> (assert (GLC (barre 3) ) )==> f-7 (GLC (barre 3) (<strong>et</strong>at 1))==> Activation 1000 <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur: f-3,f-7CLIPS> (assert (GLC (barre 4) (<strong>et</strong>at 0) ) )==> f-8 (GLC (barre 4) (<strong>et</strong>at 0))En plus <strong>de</strong> l’ajout <strong>de</strong> 4 faits supplém<strong>en</strong>taires dans la base <strong>de</strong> faits, on observe quel’association <strong>de</strong> 2 faits (le 1 <strong>et</strong> le 5) active une règle <strong>de</strong> priorité 1000. C<strong>et</strong>te règle va être ajoutédans l’ag<strong>en</strong>da <strong>de</strong>s règles décl<strong>en</strong>chables. A c<strong>et</strong>te étape on dispose donc <strong>de</strong> 2 règlesdécl<strong>en</strong>chables. On continue alors la <strong>de</strong>scription du réseau sous forme <strong>de</strong> faits <strong>en</strong> créant lesLC :CLIPS> (assert (LC (barre1 1) (barre2 2) (numero 1) ) )==> f-9 (LC (barre1 1) (barre2 2) (<strong>et</strong>at 0) (numero 1))CLIPS> (assert (LC (barre1 1) (barre2 3) (numero 2) ) )==> f-10 (LC (barre1 1) (barre2 3) (<strong>et</strong>at 0) (numero 2))CLIPS> (assert (LC (barre1 1) (barre2 4) (numero 3) ) )==> f-11 (LC (barre1 1) (barre2 4) (<strong>et</strong>at 0) (numero 3))CLIPS> (assert (LC (barre1 2) (barre2 3) (numero 4) ) )146
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau maillé==> f-12 (LC (barre1 2) (barre2 3) (<strong>et</strong>at 0) (numero 4))CLIPS> (assert (LC (barre1 2) (barre2 4) (numero 5) ) )==> f-13 (LC (barre1 2) (barre2 4) (<strong>et</strong>at 0) (numero 5))CLIPS> (assert (LC (barre1 3) (barre2 4) (numero 6) ) )==> f-14 (LC (barre1 3) (barre2 4) (<strong>et</strong>at 0) (numero 6))A ce sta<strong>de</strong>, la base <strong>de</strong> faits conti<strong>en</strong>t 14 faits <strong>et</strong> l’ag<strong>en</strong>da 2 règles décl<strong>en</strong>chables <strong>de</strong> priorité1000. On peut donc lancer le système expert avec la comman<strong>de</strong> (run). Pour <strong>de</strong>s raisons <strong>de</strong>lisibilité, on décl<strong>en</strong>che une règle à la fois avec la comman<strong>de</strong> (run 1) :CLIPS> (run 1)FIRE 1 <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur: f-3,f-7 f-15 (barre (numero 3) (<strong>et</strong>at alim<strong>en</strong>tee) (secours non))==> Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-4,f-15,f-8,f-14L’indication FIRE montre qu’une règle est décl<strong>en</strong>chée. Ici c’est la <strong>de</strong>rnière règle décl<strong>en</strong>chablequi est décl<strong>en</strong>chée (ceci dép<strong>en</strong>d <strong>de</strong>s priorités <strong>et</strong> <strong>de</strong> la stratégie utilisée). On note que le fait n°3est modifié (la barre <strong>de</strong>vi<strong>en</strong>t alim<strong>en</strong>tée). Le fait n°3 disparaît donc <strong>de</strong> la base <strong>de</strong> faits <strong>et</strong> le faitn°15 est ajouté, ce qui r<strong>en</strong>d une autre règle décl<strong>en</strong>chable. Cep<strong>en</strong>dant c<strong>et</strong>te règle ne disposeque d’une priorité 0. C’est pour cela que dans la prochaine étape, elle n’est pas décl<strong>en</strong>chéemais c’est la première règle qui l’est :CLIPS> (run 1)FIRE 1 <strong>et</strong>at_barre_alim<strong>en</strong>tee_g<strong>en</strong>erateur: f-1,f-5 f-16 (barre (numero 1) (<strong>et</strong>at alim<strong>en</strong>tee) (secours non))==> Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-4,f-16,f-8,f-11==> Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-2,f-16,f-6,f-9Le fonctionnem<strong>en</strong>t est similaire à l’étape précéd<strong>en</strong>te puisque les actions sont semblables. Ondécl<strong>en</strong>che donc une nouvelle règle :CLIPS> (run 1)FIRE 1 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-2,f-16,f-6,f-9 f-17 (LC (barre1 1) (barre2 2) (<strong>et</strong>at 1) (numero 1))==> Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-2,f-16,f-6,f-17 Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-4,f-18,f-8,f-13147
Chapitre IVC<strong>et</strong>te fois-ci, la <strong>de</strong>rnière règle <strong>de</strong> priorité 0 à avoir été r<strong>en</strong>tré dans l’ag<strong>en</strong>da <strong>de</strong>s règlesdécl<strong>en</strong>chables est décl<strong>en</strong>chée. On y voit alors les modifications que cela a sur la base <strong>de</strong> faits<strong>et</strong> sur l’ag<strong>en</strong>da <strong>de</strong>s règles décl<strong>en</strong>chables. On passe alors au <strong>de</strong>rnier décl<strong>en</strong>chem<strong>en</strong>t :CLIPS> (run 1)FIRE 1 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-4,f-18,f-8,f-13 f-19 (LC (barre1 2) (barre2 4) (<strong>et</strong>at 1) (numero 5))==> Activation 0 <strong>et</strong>at_barre_secourue: f-4,f-18,f-8,f-19
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléCe <strong>de</strong>uxième cas se rapproche du fonctionnem<strong>en</strong>t espéré. Le réseau considéré est maint<strong>en</strong>antconstitué <strong>de</strong> DCPFC reliant les différ<strong>en</strong>tes barres <strong>de</strong> distribution. On introduit égalem<strong>en</strong>t lapossibilité d’avoir un générateur <strong>en</strong> surcharge. <strong>Les</strong> règles prises <strong>en</strong> compte dans ce cas sont :Règle n°1 : Si un GLC est fermé, alors la barre associée est alim<strong>en</strong>tée.Règle n°2 : Si un GLC est ouvert, alors la barre associée est perdue.Règle n°3 : Si une barre voit son GLC se refermer, alors le DCPFC passe <strong>en</strong>mo<strong>de</strong> OFF <strong>et</strong> la barre est alim<strong>en</strong>tée mais n’est plus <strong>en</strong> secours.Règle n°4 : Si une barre A n’est pas alim<strong>en</strong>tée, qu’il existe une barre Balim<strong>en</strong>tée <strong>et</strong> un DCPFC libre <strong>en</strong>tre A <strong>et</strong> B, alors ce DCPFC passe <strong>en</strong> mo<strong>de</strong>régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion (côté A).Algo(IV-5)Règle n°5 : Si une barre A est alim<strong>en</strong>tée, que son générateur est <strong>en</strong> surcharge <strong>et</strong>qu’il existe une barre B alim<strong>en</strong>tée, non surchargée <strong>et</strong> un DCPFC libre <strong>en</strong>tre A<strong>et</strong> B, alors ce DCPFC passe <strong>en</strong> mo<strong>de</strong> transfert <strong>de</strong> puissance contrôlé avec unevaleur fixe.L’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong> ces règles est appliqué à un réseau semblable à notre banc d’essaiexpérim<strong>en</strong>tal. On déci<strong>de</strong> <strong>de</strong> partir <strong>de</strong> la configuration du réseau donné par la figure IV.25 danslaquelle le générateur 1 est <strong>en</strong> surcharge, le générateur 2 fonctionne normalem<strong>en</strong>t <strong>et</strong> legénérateur 3 est déconnecté.figure IV.25 : état <strong>de</strong> départ <strong>de</strong> la gestion <strong>de</strong>s DCPFCsur un réseau à 3 DCPFCfigure IV.26 : état final <strong>de</strong> la gestion <strong>de</strong>s DCPFC surun réseau à 3 DCPFCDans ce cadre, les résultats sont représ<strong>en</strong>tés graphiquem<strong>en</strong>t sur la figure IV.26 <strong>et</strong> m<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t <strong>en</strong>évid<strong>en</strong>ce un fonctionnem<strong>en</strong>t correct du système expert. En eff<strong>et</strong>, le système expert a décidé <strong>de</strong>m<strong>et</strong>tre le DCPFC situé <strong>en</strong>tre les barres 1 <strong>et</strong> 2 <strong>en</strong> mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> transfert <strong>de</strong> puissance pour palier àla surcharge du générateur 1. De plus, le DCPFC placé <strong>en</strong>tre les barres 2 <strong>et</strong> 3 passe <strong>en</strong> mo<strong>de</strong>régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion pour réguler la barre 3. Enfin, le <strong>de</strong>rnier DCPFC (<strong>en</strong>tre les barres 1 <strong>et</strong> 3)reste éteint. Ceci montre le bon fonctionnem<strong>en</strong>t du système sur ce cas simple.Cep<strong>en</strong>dant, nous décidons <strong>de</strong> m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> lumière l’aspect générique du système expert <strong>en</strong>conservant les règles <strong>de</strong> gestion mais <strong>en</strong> les appliquant à un réseau différ<strong>en</strong>t décrit par lafigure IV.27. C<strong>et</strong>te fois-ci, on dispose <strong>de</strong> 6 générateurs alim<strong>en</strong>tant 6 barres <strong>de</strong> distribution. Six149
Chapitre IVDCPFCs sont égalem<strong>en</strong>t utilisés pour relier les barres. Parmi les générateurs, <strong>de</strong>uxfonctionn<strong>en</strong>t correctem<strong>en</strong>t (le 1 <strong>et</strong> le 2), <strong>de</strong>ux sont <strong>en</strong> surcharges (3 <strong>et</strong> 6) <strong>et</strong> <strong>de</strong>ux sontdéconnectés (4 <strong>et</strong> 5).G<strong>en</strong> 1 G<strong>en</strong> 2G<strong>en</strong> 1 G<strong>en</strong> 2HVDC 1 DCPFCHVDC 2HVDC 1 DCPFCHVDC 2SurchargeDCPFCDCPFCG<strong>en</strong> 3 G<strong>en</strong> 4DCPFCDCPFCG<strong>en</strong> 3 G<strong>en</strong> 4Régulation<strong>de</strong> lat<strong>en</strong>sionHVDC 3 HVDC 4HVDC 3 HVDC 4DCPFCDCPFCSurchargeG<strong>en</strong> 5 G<strong>en</strong> 6DCPFCDCPFCRégulation<strong>de</strong> lat<strong>en</strong>sionTransfert <strong>de</strong>puissancecontroléDCPFCG<strong>en</strong> 5 G<strong>en</strong> 6Transfert <strong>de</strong>puissancecontroléDCPFCHVDC 5 HVDC 6figure IV.27 : état <strong>de</strong> départ <strong>de</strong> la gestion <strong>de</strong>s DCPFCsur un réseau à 7 DCPFCHVDC 5 HVDC 6figure IV.28 : état final <strong>de</strong> la gestion <strong>de</strong>s DCPFC surun réseau à 7 DCPFCLa figure IV.28 montre les résultats obt<strong>en</strong>us que l’on peut résumer ainsi :- le DCPFC situé <strong>en</strong>tre les barres 1 <strong>et</strong> 5 régule la t<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> la barre 5 ;- le DCPFC situé <strong>en</strong>tre les barres 2 <strong>et</strong> 6 régule la t<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> la barre 6 ;- le DCPFC situé <strong>en</strong>tre les barres 4 <strong>et</strong> 6 est <strong>en</strong> transfert <strong>de</strong> puissance pour éviter lasurcharge <strong>de</strong> 6 ;- le DCPFC situé <strong>en</strong>tre les barres 3 <strong>et</strong> 6 est <strong>en</strong> transfert <strong>de</strong> puissance pour éviter lasurcharge <strong>de</strong> 3 ;- les autres DCPFC sont éteints.On montre ainsi la robustesse <strong>de</strong>s règles sur un exemple plus complexe. Il est égalem<strong>en</strong>tintéressant <strong>de</strong> noter que l’on dispose d’une première métho<strong>de</strong> <strong>de</strong> gestion du réseaurelativem<strong>en</strong>t facile à m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place. A partir <strong>de</strong> là, l’<strong>en</strong>semble du réseau peut être géré.Cep<strong>en</strong>dant, on n’exploite que très peu les possibilités <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs <strong>de</strong> type DCPFCpuisqu’on ne fournit pas <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> puissances adaptées au besoin. Nous allons doncproposer une solution intégrant un système expert <strong>et</strong> un algorithme à base <strong>de</strong> théorie <strong>de</strong>sgraphes.IV.2.2.3.cEnsemble <strong>de</strong> règles n°3 : application à notre réseauA ce sta<strong>de</strong>, le but est d’implanter le système expert nécessaire pour pouvoir fonctionner <strong>en</strong>adéquation avec l’outil qui nous perm<strong>et</strong>tra <strong>de</strong> définir les consignes <strong>de</strong> puissance <strong>de</strong>s transferts.150
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléLa répartition <strong>de</strong>s rôles concernant la gestion énergétique est symbolisée par la figure IV.29 :Etat <strong>de</strong>s générateursPuissances <strong>de</strong>s chargesSystèmeexpertCLIPSMo<strong>de</strong> <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s DCPFCAlgorithme<strong>de</strong>flotRéfér<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> puissance <strong>de</strong>s DCPFCfigure IV.29 : répartition <strong>de</strong>s rôles <strong>de</strong> l’algorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flots <strong>et</strong> du système expert<strong>Les</strong> <strong>de</strong>ux algorithmes sont ainsi utilisés <strong>de</strong> façon hiérarchique, l’algorithme <strong>de</strong> flot ayantbesoin <strong>de</strong> disposer <strong>de</strong> l’état <strong>de</strong>s DCPFC <strong>et</strong> <strong>de</strong>s générateurs pour pouvoir déterminer lesréfér<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> puissance. C<strong>et</strong>te partie est validée expérim<strong>en</strong>talem<strong>en</strong>t dans le paragraphesuivant.IV.2.3 Essais expérim<strong>en</strong>tauxAfin <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r la gestion énergétique dans notre réseau maillé, nous considérons <strong>de</strong>uxscénarii. Le premier consiste à réaliser un impact <strong>de</strong> charge sur chaque barre <strong>de</strong> distributionHVDC alors que le second traite <strong>de</strong> la perte d’un générateur. Afin <strong>de</strong> conserver une marged’erreur suffisante, la t<strong>en</strong>sion utilisée est 270 V <strong>en</strong> lieu <strong>et</strong> place <strong>de</strong> 540 V. Ceci nous perm<strong>et</strong>tout <strong>de</strong> même <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r le fonctionnem<strong>en</strong>t puisque les algorithmes ainsi que la modélisationsont faits <strong>en</strong> puissance donc indép<strong>en</strong>damm<strong>en</strong>t <strong>de</strong> la t<strong>en</strong>sion utilisée.IV.2.3.1 Scénario 1 : impacts <strong>de</strong> chargeLa figure IV.30 donne l’<strong>en</strong>chaînem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s étapes réalisées pour l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> ce scénario.Côté GaucheCôté DroitGGHVDC GDCPFC 1HVDC DFonctionnem<strong>en</strong>t automatiqueChargeGChargeDT 1Connexion <strong>de</strong> la charge GDCPFC 2ChargeADCPFC 3T 2Connexion <strong>de</strong> la charge DT 3Connexion <strong>de</strong> la charge AHVDC A151
Chapitre IVfigure IV.30 : scénario 1 – impacts <strong>de</strong> charge sur les barres HVDCComme notre banc d’essai ne dispose pas <strong>de</strong> trois sources <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sions, nous régulons lat<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> la barre HVDC A à l’ai<strong>de</strong> du DCPFC 3. Ce fonctionnem<strong>en</strong>t correspond à l’ordre <strong>de</strong>fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>en</strong>voyé par le programme <strong>de</strong> gestion énergétique. <strong>Les</strong> figures suivantesmontr<strong>en</strong>t le résultat <strong>de</strong> c<strong>et</strong> essai :T<strong>en</strong>sion <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts bus (V)40035030025020015010050T 1 T 2 T 3GaucheDroitArrière00 2 4 6 8 10 12 14 16Temps Temps (s)(s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.31 : t<strong>en</strong>sions <strong>de</strong>s barresHVDCPuissances consommées par les charges (W)500045004000350030002500200015001000500T 1 T 2 T 3GaucheDroitArrière00 2 4 6 8 10 12 14 16Temps (s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.32 : puissances absorbées parles chargesPuissances fournies par les générateurs (W)500045004000350030002500200015001000500GaucheDroit00 T2 1 4 T 2 6 T 3 8 10 12 14 16Temps Temps (s)(s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.33 : puissances fournies parles générateurs gauche <strong>et</strong> droitSur les t<strong>en</strong>sions <strong>de</strong> bus, il est notable que l’utilisation <strong>de</strong> sources non régulées ne perm<strong>et</strong> pas<strong>de</strong> maint<strong>en</strong>ir la t<strong>en</strong>sion à 270 V. Par contre, le DCPFC fonctionnant <strong>en</strong> mo<strong>de</strong> « régulation d<strong>et</strong><strong>en</strong>sion » rempli pleinem<strong>en</strong>t son rôle puisque l’impact <strong>de</strong> charge est totalem<strong>en</strong>t transpar<strong>en</strong>t surla t<strong>en</strong>sion.On observe égalem<strong>en</strong>t sur les puissances consommées <strong>et</strong> celles fournies par les générateurs lerôle crucial du générateur droit puisque c’est lui qui fourni la puissance à la barre HVDC A.Sur c<strong>et</strong> essai, nous r<strong>et</strong><strong>en</strong>ons principalem<strong>en</strong>t que l’algorithme du système expert perm<strong>et</strong> <strong>de</strong>placer le réseau dans une situation stable <strong>et</strong> saine. Nous allons maint<strong>en</strong>ant simuler une perte<strong>de</strong> générateur pour observer le comportem<strong>en</strong>t du système.IV.2.3.2 Scénario 2 : perte d’un générateurOn étudie c<strong>et</strong>te fois le scénario <strong>de</strong> la figure IV.34 :152
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléCôté GaucheCôté DroitGGHVDC GDCPFC 1HVDC DFonctionnem<strong>en</strong>t automatiqueChargeGChargeDT 1Perte du générateur GDCPFC 2ChargeADCPFC 3T 2Reconnexion du générateur GHVDC Afigure IV.34 : scénario 2 – perte du générateur GaucheCe scénario est beaucoup plus contraignant pour le système <strong>de</strong> gestion énergétique puisque lesystème doit réagir <strong>de</strong> façon à ne pas perdre la t<strong>en</strong>sion sur la barre <strong>de</strong> distribution HVDC G.<strong>Les</strong> résultats sont donnés sur les figures suivantes :T<strong>en</strong>sion <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts bus (V)40035030025020015010050T 1 T 2GaucheDroitArrière00 2 4 6 8 10Temps Temps (s)(s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.35 : t<strong>en</strong>sions <strong>de</strong>s barresHVDCPuissances consommées par les charges (W)500045004000350030002500200015001000500T 1 T 2GaucheDroitArrière00 2 4 6 8 10Temps (s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.36 : puissances absorbées parles chargesPuissances fournies par les générateurs (W)10000900080007000600050004000300020001000T 1 T 2GaucheDroit00 2 4 6 8 10Temps Temps (s)(s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure IV.37 : puissances fournies parles générateurs gauche <strong>et</strong> droitLe comportem<strong>en</strong>t du réseau est sain puisque les trois t<strong>en</strong>sions sont maint<strong>en</strong>ues autour <strong>de</strong>270V même lorsque le générateur gauche a été déconnecté. On observe égalem<strong>en</strong>t que lapuissance consommées par les charges est constante, mis a part l’impact <strong>de</strong> charge à T 1 sur lacharge placée à gauche qui est une charge résistive <strong>et</strong> qui voit donc sa puissance diminuerlorsque la t<strong>en</strong>sion à ses bornes diminue.153
Chapitre IVIV.3 Conclusion sur la gestion énergétiqueDans ce chapitre, nous avons voulu m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> application le concept <strong>de</strong> réseau maillé. C<strong>et</strong>temise <strong>en</strong> œuvre a été réalisée grâce à la construction d’un banc d’essai dédié dont laconception est prés<strong>en</strong>tée au début du chapitre. Une att<strong>en</strong>tion particulière a été portée sur lesmoy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> gestions à utiliser pour vali<strong>de</strong>r le fonctionnem<strong>en</strong>t. L’architecture dSpace utilisée apermis <strong>de</strong>s temps <strong>de</strong> réponses rapi<strong>de</strong>s ainsi qu’une évolutivité nécessaire pour les futuresapplications du banc d’essai.Dans la <strong>de</strong>uxième partie du chapitre, nous avons proposé une modélisation adaptée à lagestion énergétique basée sur la théorie <strong>de</strong>s graphes. C<strong>et</strong> outil donne ainsi toutes les équationsstructurelles du réseau <strong>de</strong> façon générique <strong>et</strong> perm<strong>et</strong> d’<strong>en</strong>visager une gestion d’énergie dansun réseau maillé ou non.Ainsi, l’étape suivante a consisté à m<strong>et</strong>tre <strong>en</strong> place un algorithme simple <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flotmaximal à coût minimal dans un réseau électrique, ceci afin <strong>de</strong> définir les référ<strong>en</strong>ces <strong>de</strong>puissances à faire transiter par les li<strong>en</strong>s actifs. Malgré cela, c<strong>et</strong>te approche ne nous a pas<strong>en</strong>tièrem<strong>en</strong>t satisfaite dans la mesure où on peut difficilem<strong>en</strong>t gérer les gran<strong>de</strong>urs « discrètes »(contacteurs, mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts) à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> la théorie <strong>de</strong>s graphes.Pour réaliser ce type <strong>de</strong> gestion tout <strong>en</strong> conservant une approche la plus générique possible, la<strong>de</strong>rnière partie du chapitre traite d’un système à base <strong>de</strong> connaissance dans lequel <strong>de</strong>s règles<strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t génériques perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong> gérer le réseau. La validation <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te approche aété réalisée <strong>en</strong> simulation à l’ai<strong>de</strong> du langage CLIPS avant d’être validé sur le banc d’essai154
Chapitre VExtrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseauxexistantsCe chapitre traite <strong>de</strong> l’intégration <strong>de</strong>s divers concepts prés<strong>en</strong>tés précé<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t dans un réseauembarqué. A c<strong>et</strong>te fin, nous nous basons sur les travaux actuels m<strong>en</strong>és chez les avionneursconcernant les réseaux HVDC. Ceux-ci propos<strong>en</strong>t <strong>en</strong> eff<strong>et</strong> <strong>de</strong> plus <strong>en</strong> plus d’architectures <strong>de</strong>réseaux basés, totalem<strong>en</strong>t ou <strong>en</strong> partie, sur une distribution à courant continu.Pour réaliser c<strong>et</strong>te distribution, la génération se fait à travers une machine alternative – unVFG – fournissant une t<strong>en</strong>sion alternative triphasée à fréqu<strong>en</strong>ce variable associée à unredresseur, le plus souv<strong>en</strong>t passif, perm<strong>et</strong>tant l’obt<strong>en</strong>tion <strong>de</strong> la t<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> bus continu. Pourpouvoir connecter nos li<strong>en</strong>s actifs – DCPFC <strong>et</strong> MAPFC – nous avons besoin <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux<strong>en</strong>sembles <strong>de</strong> génération continue (on parle égalem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> canaux <strong>de</strong> génération) alim<strong>en</strong>tant<strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution HVDC sur lesquelles sont connectés les li<strong>en</strong>s actifs.La première partie du chapitre correspond à l’étu<strong>de</strong> d’une architecture <strong>de</strong> distribution mailléedans un réseau. L’idée <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te partie est <strong>de</strong> déci<strong>de</strong>r <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts pouvant perm<strong>et</strong>tre laréalisation <strong>de</strong> ce réseau tout <strong>en</strong> respectant les contraintes <strong>de</strong> conception les plus fortes <strong>en</strong>aéronautique. Une fois la mise <strong>en</strong> place <strong>de</strong> l’architecture effectuée, une comparaison critiqueest donnée par rapport à une architecture HVDC « classique » (distribution arboresc<strong>en</strong>te).Pour réaliser c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong>, nous utilisons le critère <strong>de</strong> masse ainsi que les gains fonctionnelspossibles grâce à l’utilisation du maillage ou <strong>de</strong> certains li<strong>en</strong>s actifs.Dans la secon<strong>de</strong> partie <strong>de</strong> ce chapitre, nous détaillerons l’utilisation d’un DCPFC au sein duréseau. L’étu<strong>de</strong> porte principalem<strong>en</strong>t sur l’influ<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> la connexion du neutre <strong>de</strong>s générateursà la masse du réseau. En eff<strong>et</strong>, selon la configuration choisie, les li<strong>en</strong>s actifs utilisés peuv<strong>en</strong>tinjecter du courant à travers les neutres. Nous verrons donc l’influ<strong>en</strong>ce du canal <strong>de</strong> générationsur ce courant <strong>et</strong> nous proposerons <strong>de</strong>s solutions architecturales perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> traiter cephénomène.
157
Chapitre VExtrapolation <strong>de</strong>V.1 Proposition d’une architecture maillée sur unréseau avionAfin d’évaluer les gains pot<strong>en</strong>tiels d’une architecture maillée sur la distribution électrique,nous proposons ici une architecture complète. Pour cela, le premier paragraphe prés<strong>en</strong>te unearchitecture électrique dim<strong>en</strong>sionnée pour un avion moy<strong>en</strong> courrier <strong>de</strong> type « plusélectrique ». A partir <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te architecture, nous choisissons d’utiliser le MAPFC afin <strong>de</strong>réaliser la fonction ECS – « Environnem<strong>en</strong>tal Cooling System », soit le système <strong>de</strong>conditionnem<strong>en</strong>t d’air <strong>et</strong> <strong>de</strong> pressurisation.Une fois l’architecture choisie, la secon<strong>de</strong> partie du paragraphe prés<strong>en</strong>te une analyse critique<strong>de</strong> c<strong>et</strong>te architecture par rapport à celle <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce. Deux critères sont principalem<strong>en</strong>tdiscutés : la masse <strong>et</strong> les gains fonctionnels possibles.V.1.1V.1.1.1Choix d’une architecture <strong>de</strong> distributionArchitecture <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ceDans le cadre du proj<strong>et</strong> MOET – prés<strong>en</strong>té succinctem<strong>en</strong>t dans le Chapitre I, plusieursarchitectures <strong>de</strong> distribution électrique ont été définies. Parmi celles-ci, nous décidonsd’utiliser l’architecture nommée MOET Targ<strong>et</strong> Large Aircraft dans sa version H. Le schémaest donné ci-après :158
figure V.1 : architecture MOET Targ<strong>et</strong> Large Aircraft – issue H159
Chapitre VExtrapolation <strong>de</strong>Ce schéma représ<strong>en</strong>tant une architecture complète (28V DC, 230 V AC <strong>et</strong> +/-270V DC), nouschoisissons <strong>de</strong> nous conc<strong>en</strong>trer sur la partie HVDC. En eff<strong>et</strong>, il n’y a pas <strong>de</strong> distributioneffectuée <strong>en</strong> 230 V AC <strong>et</strong> le 28V DC ne constitue pas le suj<strong>et</strong> d’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> ce docum<strong>en</strong>t.Nous pouvons remarquer que la distribution se fait à travers 4 cœurs électriques :- CENTRAL PEPDC 1 ;- CENTRAL PEPDC 2 ;- FWD PEPDC 1 ;- FWD PEPDC 2 ;<strong>Les</strong> cœurs électriques principaux (CENTRAL PEPDC 1 & 2) sont placés au c<strong>en</strong>tre <strong>de</strong> l’avionafin d’être proches <strong>de</strong>s générateurs tout <strong>en</strong> étant placés <strong>en</strong> zone pressurisée. Ils sont séparésphysiquem<strong>en</strong>t à cause <strong>de</strong>s contraintes <strong>de</strong> ségrégation.<strong>Les</strong> <strong>de</strong>ux autres cœurs correspond<strong>en</strong>t aux cœurs ess<strong>en</strong>tiels, c’est à dire qu’ils peuv<strong>en</strong>t êtrealim<strong>en</strong>tés <strong>en</strong> <strong>de</strong>rnier secours par <strong>de</strong>s moy<strong>en</strong>s divers (batteries <strong>et</strong> RAT notamm<strong>en</strong>t) <strong>et</strong>fourniss<strong>en</strong>t <strong>de</strong> l’énergie à <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts critiques (comman<strong>de</strong>s <strong>de</strong> vol <strong>et</strong> calculateurs).V.1.1.2Equipem<strong>en</strong>ts à pr<strong>en</strong>dre <strong>en</strong> compteLa plupart <strong>de</strong>s charges alim<strong>en</strong>tées sont indiquées par un sigle inscrit <strong>en</strong> noir dans un rectangleblanc dont la <strong>de</strong>scription est donnée dans la nom<strong>en</strong>clature. Cep<strong>en</strong>dant, quatre moteurs sontexplicitem<strong>en</strong>t décrits dans le schéma : <strong>de</strong>ux MC (Motor Compressor) <strong>et</strong> <strong>de</strong>ux MTC (MotorTurbine Compressor). L’association d’un MC <strong>et</strong> d’un MTC forme un pack <strong>de</strong>conditionnem<strong>en</strong>t d’air (CAC – Cabin Air Compressor). Pour <strong>de</strong>s raisons <strong>de</strong> ségrégation maiségalem<strong>en</strong>t pour limiter le dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> puissance, le système compl<strong>et</strong> comporte <strong>de</strong>uxCAC.Ces machines ont pour principales caractéristiques leur puissance nominale élevée <strong>et</strong> leurfonctionnem<strong>en</strong>t à haute vitesse [COU08]. En eff<strong>et</strong>, chaque machine utilise <strong>en</strong> fonctionnem<strong>en</strong>tnominal près <strong>de</strong> 25% <strong>de</strong> la puissance fournie par un générateur. Ces <strong>de</strong>ux caractéristiquesrejoign<strong>en</strong>t les possibilités offertes par les MAPFC car nous avons vu dans le Chapitre III quecelui-ci perm<strong>et</strong>tait pour l’alim<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> la machine une montée <strong>en</strong> t<strong>en</strong>sion (<strong>et</strong> donc <strong>en</strong>vitesse).Ainsi, nous considérons, pour notre étu<strong>de</strong> architecturale, quatre MAPFC <strong>en</strong> lieu <strong>et</strong> place <strong>de</strong>sstructures classiques onduleurs – machines.V.1.1.3Prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> l’architectureAfin d’étudier les possibilités <strong>de</strong> maillage du réseau électrique, nous proposons l’architecturedonnée par la figure V.2 :160
Approches <strong>en</strong>visageables pour la gestion <strong>de</strong> l’énergie au sein d’un réseau mailléfigure V.2 : architecture maillée à base <strong>de</strong> MAPFC161
GLC3GLC4SLC4BTC3BTC4EPC4NC3NC4Chapitre V162SLC1NC1GLC1BTC1BTC2GLC2NC2EPC1EPC2XFRC1TRU-LC1E-SIC21SHD-DC EC2TRU-LC2EMER GLCXFRC2EPC3figure V.3 : architecture maillée <strong>et</strong> ségréguée à base <strong>de</strong> MAPFC
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsOn dispose ici (figure V.2) d’un réseau intégralem<strong>en</strong>t maillé, utilisant les moteurs <strong>de</strong>conditionnem<strong>en</strong>t d’air pour réaliser le maillage. La disposition <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts dans c<strong>et</strong>tearchitecture perm<strong>et</strong> un maillage <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 66% (on dispose <strong>de</strong> quatre li<strong>en</strong>s actifs <strong>en</strong>tre lesquatre barres <strong>de</strong> distribution sur les six possibles). Cep<strong>en</strong>dant, l’utilisation d’électronique <strong>de</strong>puissance (les onduleurs <strong>de</strong>s MAPFC) pour relier les barres <strong>de</strong> distribution offre un pointcommun technologique à tout le système <strong>de</strong> distribution électrique, ce qui est interdit à l’heureactuelle par les organismes <strong>de</strong> certification <strong>en</strong> aéronautique.Afin <strong>de</strong> conserver une architecture certifiable mais représ<strong>en</strong>tative <strong>de</strong>s concepts prés<strong>en</strong>tés dansc<strong>et</strong>te thèse, nous proposons alors l’architecture « ségréguée » <strong>de</strong> la figure V.3.Dans celle-ci, les MAPFC sont utilisés <strong>de</strong>ux à <strong>de</strong>ux sur les barres <strong>de</strong> distribution, perm<strong>et</strong>tantainsi <strong>de</strong> conserver une ségrégation <strong>en</strong>tre les côtés 1 <strong>et</strong> 2. Cep<strong>en</strong>dant, le maillage y est limitépar rapport à l’option précéd<strong>en</strong>te.Finalem<strong>en</strong>t, nous disposons d’une architecture dite « ségréguée <strong>et</strong> maillée » dans laquelle lesMAPFC perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong> disposer <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs <strong>en</strong>tre les barres <strong>de</strong> distribution. Nousexaminons maint<strong>en</strong>ant l’impact <strong>de</strong> leur utilisation d’un point <strong>de</strong> vue fonctionnel, maiségalem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> termes <strong>de</strong> masse sur la distribution électrique. La figure V.4 donne un schémasimplifié <strong>de</strong> chacune <strong>de</strong> ces architectures <strong>en</strong> se conc<strong>en</strong>trant sur la partie HVDC <strong>et</strong> les moteursECS.163
Chapitre Vfigure V.4 : récapitulatif simplifié <strong>de</strong>s architectures HVDCV.1.2V.1.2.1Etu<strong>de</strong> critique <strong>de</strong> l’architectureComparaison <strong>en</strong> termes <strong>de</strong> massePour pouvoir comparer les architectures au niveau <strong>de</strong> leur masse totale, nous pr<strong>en</strong>ons <strong>en</strong>compte les équipem<strong>en</strong>ts suivants :164
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existants- <strong>Les</strong> générateurs ;- <strong>Les</strong> moteurs <strong>de</strong>s ECS (MC <strong>et</strong> MTC) ;- <strong>Les</strong> onduleurs ;- <strong>Les</strong> contacteurs ;- Le câblage.V.1.2.1.aAnalyse <strong>de</strong>s gains sur la générationSi l’on réalise un bilan <strong>de</strong> la puissance nécessaire sur les différ<strong>en</strong>ts générateurs pour couvrirun <strong>en</strong>semble <strong>de</strong> cas <strong>de</strong> pannes (qui sont les cas dim<strong>en</strong>sionnant), nous obt<strong>en</strong>ons le tableausuivant valable pour l’architecture <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce :Architecture <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce Puissance Puissance Puissance PuissanceG<strong>en</strong> 1 G<strong>en</strong> 2 G<strong>en</strong> 3 G<strong>en</strong> 4Cas normal - 40000 pieds 75,2 64,9 54,8 74,9Cas normal - 31000 pieds 67,9 95,4 85,3 67,6Perte d'un générateur - 40000 pieds 0,0 97,4 88,0 75,4Perte d'un générateur - 31000 pieds 0,0 83,2 100,0 86,1Perte <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux générateurs - 31000 pieds 0,0 0,0 96,3 72,7Perte d'un moteur - 31000 pieds 0,0 0,0 96,3 90,5Tableau V-1 : Puissance consommée sur les générateurs <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>s cas <strong>de</strong> pannes(<strong>en</strong> % <strong>de</strong> la puissance maximale)Dans ce tableau, les valeurs sont exprimées <strong>en</strong> pourc<strong>en</strong>tage <strong>de</strong> la puissance maximale àfournir par un générateur. Le pire cas est donné par la charge du générateur 3 lorsque l’on aperdu un générateur. Ceci s’explique par la nécessité <strong>de</strong> conserver un fonctionnem<strong>en</strong>t normalpour le réseau électrique lorsque l’on perd un équipem<strong>en</strong>t étant donné que c<strong>et</strong> évènem<strong>en</strong>t estsusceptible d’arriver fréquemm<strong>en</strong>t : dans ce cas, toutes les charges rest<strong>en</strong>t donc alim<strong>en</strong>tées.Par contre, la perte <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux générateurs (ou d’un moteur) ayant une probabilité d’occurr<strong>en</strong>cefaible, les concepteurs accept<strong>en</strong>t <strong>de</strong> délester le réseau électrique, ce qui impose <strong>de</strong>s contraintesmoins fortes sur les générateurs.Si l’on regar<strong>de</strong> maint<strong>en</strong>ant ce même bilan <strong>de</strong> puissance pour l’architecture totalem<strong>en</strong>t maillée,<strong>en</strong> considérant que les MAPFC ont un fonctionnem<strong>en</strong>t perm<strong>et</strong>tant d’égaliser la puissanceconsommée sur chaque générateur à tout instant, on obti<strong>en</strong>t le tableau suivant :Architecture mailléePuissance Puissance Puissance PuissanceG<strong>en</strong> 1 G<strong>en</strong> 2 G<strong>en</strong> 3 G<strong>en</strong> 4Cas normal - 40000 pieds 67,5 67,5 67,5 67,5Cas normal - 31000 pieds 79,1 79,1 79,1 79,1Perte d'un générateur - 40000 pieds 0,0 86,9 86,9 86,9Perte d'un générateur - 31000 pieds 0,0 89,8 89,8 89,8Perte <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux générateurs - 31000 pieds 0,0 0,0 84,5 84,5Perte d'un moteur - 31000 pieds 0,0 0,0 93,4 93,4Tableau V-2 : Puissance consommée sur les générateurs avec l'architecture maillée(<strong>en</strong> % <strong>de</strong> la puissance maximale du cas <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce)Dans ce cas, il est possible <strong>de</strong> sous dim<strong>en</strong>sionner les générateurs pour qu’ils consomm<strong>en</strong>t près<strong>de</strong> 7% <strong>en</strong> moins. Du fait <strong>de</strong> l’équilibre perman<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s puissances r<strong>en</strong>du possible par le165
Chapitre Vmaillage, le cas dim<strong>en</strong>sionnant <strong>de</strong>vi<strong>en</strong>t le cas <strong>de</strong> perte d’un moteur dans lequel l’<strong>en</strong>semble <strong>de</strong>scharges restant à alim<strong>en</strong>ter est égalem<strong>en</strong>t réparti sur les générateurs sains.Architecture maillée ségréguéePuissanceG<strong>en</strong> 1PuissanceG<strong>en</strong> 2PuissanceG<strong>en</strong> 3PuissanceG<strong>en</strong> 4Cas normal - 40000 pieds 67,5 67,5 67,5 67,5Cas normal - 31000 pieds 79,1 79,1 79,1 79,1Perte d'un générateur - 40000 pieds 0,0 97,4 81,7 81,7Perte d'un générateur - 31000 pieds 0,0 83,2 93,0 93,0Perte <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux générateurs - 31000 pieds 0,0 0,0 84,5 84,5Perte d'un moteur - 31000 pieds 0,0 0,0 93,4 93,4Tableau V-3 : Puissance consommée sur les générateurs avec l'architecture ségrégée <strong>et</strong> maillée(<strong>en</strong> % <strong>de</strong> la puissance maximale du cas <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce)Avec l’architecture « ségréguée », on perd la possibilité <strong>de</strong> répartir la puissance sur tous lesgénérateurs. Il existe donc un cas (celui <strong>de</strong> la perte d’un générateur à 40000 pieds) où l’ondoit fournir 97,4% <strong>de</strong> la puissance <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce.Finalem<strong>en</strong>t, les gains sur le dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> puissance <strong>de</strong>s générateurs sont limités. Eneff<strong>et</strong>, on peut espérer gagner 7% lors d’un maillage total (que nous avons décrit commedifficilem<strong>en</strong>t réalisable pour <strong>de</strong>s contraintes <strong>de</strong> certification) <strong>et</strong> moins <strong>de</strong> 3% dans unearchitecture ségréguée maillée. Malgré cela, les générateurs pouvant fournir une puissancedont l’ordre <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>ur se situe <strong>en</strong>tre 100kW <strong>et</strong> 200kW (voire au-<strong>de</strong>là pour un avion <strong>de</strong>capacité supérieure), ce gain <strong>en</strong> pourc<strong>en</strong>tage pourrait atteindre 10kW voire plus.Pour conclure c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong> qualitative sur le dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s générateurs, les proj<strong>et</strong>s <strong>de</strong>recherche actuels montr<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s gains pot<strong>en</strong>tiels <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 30kg sur un avion pour undim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t à la baisse <strong>de</strong> 10 kVA sur chaque générateur. C<strong>et</strong>te réduction <strong>de</strong> massepr<strong>en</strong>d <strong>en</strong> compte la masse du câblage ainsi que celle <strong>de</strong> la machine.V.1.2.1.bAnalyse <strong>de</strong>s gains sur la partie onduleur – machineLa machine utilisée pour réaliser la partie actionneur du MAPFC est une machine synchrone àaimants perman<strong>en</strong>ts. Même si il est possible d’utiliser toute machine triphasée, les moteursutilisés dans le système <strong>de</strong> conditionnem<strong>en</strong>t d’air électrique correspond<strong>en</strong>t à ce type <strong>de</strong>machine [COU08].Dans le Chapitre III, lors <strong>de</strong> la comparaison du MAPFC avec une structure onduleur –machine, nous avons mis <strong>en</strong> évid<strong>en</strong>ce la possibilité d’augm<strong>en</strong>ter la t<strong>en</strong>sion statoriqueappar<strong>en</strong>te tout <strong>en</strong> conservant le courant dans les phases <strong>de</strong> la machine. Si l’on réalisel’opération inverse – c'est-à-dire que l’on diminue le courant dans la machine – il est alorspossible <strong>de</strong> doubler la t<strong>en</strong>sion aux bornes <strong>de</strong>s <strong>en</strong>roulem<strong>en</strong>ts statoriques pour maint<strong>en</strong>ir lapuissance.Or, dans la machine, si l’on ne modifie pas la structure <strong>de</strong> la machine (ce qui nécessiterait uneétu<strong>de</strong> <strong>de</strong> conception spécifique), le fait d’augm<strong>en</strong>ter la t<strong>en</strong>sion statorique perm<strong>et</strong> d’augm<strong>en</strong>terla plage <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> vitesse <strong>de</strong> la machine. Ainsi, le point <strong>de</strong> puissance nominale <strong>de</strong>la machine peut être atteint à partir d’une vitesse supérieure <strong>et</strong> donc perm<strong>et</strong>tre une diminutiondu couple <strong>de</strong> la machine.166
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsSelon [REG03], l’expression du couple dans une machine synchrone à aimants peut êtreexprimée selon les gran<strong>de</strong>urs géométriques <strong>de</strong> la façon suivante :Cem= 2π.r 2 s .l r .B la .K ls(V-11)C emr sl sB laCouple électromagnétique <strong>de</strong> la machine (Nm)Rayon d’alésage <strong>de</strong> la machine (m)Longueur active <strong>de</strong> la machine (m)Valeur efficace du fondam<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> l’induction dans l’<strong>en</strong>trefer (T)K ls D<strong>en</strong>sité linéique <strong>de</strong> courant (A.m -1 )Tableau V-4 : Paramètres donnant l'expression du couple électromagnétique <strong>de</strong> la machine synchrone à aimantIl apparaît alors dans c<strong>et</strong>te expression que le couple est directem<strong>en</strong>t proportionnel au volume2(2π. r s . l r ) <strong>de</strong> la machine. Si, compte t<strong>en</strong>u <strong>de</strong>s contraintes mécaniques <strong>et</strong> aérodynamiques,une augm<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> la plage <strong>de</strong> vitesse est possible, ceci nous perm<strong>et</strong> ainsi d’obt<strong>en</strong>ir un gain<strong>en</strong> volume grâce à la diminution du courant dans la machine <strong>et</strong> donc du coupleélectromagnétique.Concernant la masse, nous pouvons dire, <strong>en</strong> première approximation, que celle-ci estproportionnelle au volume d’où un gain possible au niveau <strong>de</strong> la masse embarquée <strong>de</strong> lamachine.Pour finir, l’utilisation <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux onduleurs <strong>en</strong> lieu <strong>et</strong> à place d’un seul est forcém<strong>en</strong>tpénalisante pour la masse du système. En eff<strong>et</strong>, même si la quantité <strong>de</strong> silicium embarquéereste la même, les élém<strong>en</strong>ts passifs <strong>et</strong> notamm<strong>en</strong>t les capacités d’<strong>en</strong>trée <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux onduleursaugm<strong>en</strong>t<strong>en</strong>t, <strong>en</strong>traînant une augm<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> la masse. De plus, il est nécessaire <strong>de</strong> connecterles onduleurs sur les barres <strong>de</strong> distribution HVDC, ce qui double le nombre <strong>de</strong> protections <strong>et</strong><strong>de</strong> contacteurs.Finalem<strong>en</strong>t, les gains massiques sont difficilem<strong>en</strong>t évaluables sur c<strong>et</strong>te architecture du fait d<strong>et</strong>rop nombreuses évaluations qualitatives. De plus, le respect <strong>de</strong>s contraintes actuelles <strong>de</strong>ségrégation sur un réseau ne perm<strong>et</strong> pas <strong>de</strong> profiter pleinem<strong>en</strong>t du pot<strong>en</strong>tiel du réseau maillé,ce qui limite l’impact sur le dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s générateurs. Au final, nous allons voir queles principaux gains offerts par c<strong>et</strong>te architecture sont obt<strong>en</strong>us sur les fonctionnalités que peutapporter l’utilisation <strong>de</strong>s concepts.V.1.2.2 Gain fonctionnel : possibilité <strong>de</strong> réaliser une fonction « No-Break HVDC »D’après les scénarios que nous avons pu tester dans le Chapitre III, il est possible d’utiliser unMAPFC pour réguler la t<strong>en</strong>sion d’un <strong>de</strong>s bus continus <strong>en</strong> cas <strong>de</strong> perte <strong>de</strong> la générationcorrespondante. Afin <strong>de</strong> montrer l’intérêt d’une telle fonctionnalité sur une architecture <strong>de</strong>distribution, nous considérons <strong>en</strong> particulier une partie du réseau compr<strong>en</strong>ant 2 barres <strong>de</strong>distribution HVDC <strong>et</strong> les MAPFC représ<strong>en</strong>tée sur la figure V.5 :167
Chapitre Vfigure V.5 : zoom sur l’architecture maillé ségréguéeSur c<strong>et</strong>te figure, l’utilisation conjointe <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux structures MAPFC sur <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong>distribution perm<strong>et</strong> une régulation <strong>de</strong>s t<strong>en</strong>sions <strong>de</strong>s barres HVDC <strong>en</strong> cas <strong>de</strong> perte d’un <strong>de</strong>sgénérateurs. Cep<strong>en</strong>dant, un gain supplém<strong>en</strong>taire peut être obt<strong>en</strong>u si l’on étudie lesreconfigurations possibles.Lors <strong>de</strong> la reconfiguration du réseau (que celle-ci soit normale lors du démarrage <strong>de</strong>s moteurspar exemple ou anormale comme lors <strong>de</strong> la perte d’un équipem<strong>en</strong>t), il existe un temps p<strong>en</strong>dantlequel la barre HVDC n’est plus alim<strong>en</strong>tée. Même si ce temps reste court (inférieur à lasecon<strong>de</strong>), les spécifications qui <strong>en</strong> découl<strong>en</strong>t impos<strong>en</strong>t à chaque équipem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> pouvoirfonctionner <strong>de</strong> façon correcte après c<strong>et</strong>te coupure. Ceci revi<strong>en</strong>t à complexifier l’équipem<strong>en</strong>t.Sur le réseau DC (28 V), une fonction a été créée, appelée No-Break, dont l’objectif est <strong>de</strong>supprimer c<strong>et</strong>te coupure. C<strong>et</strong> objectif est atteint par le branchem<strong>en</strong>t perman<strong>en</strong>t d’une batteriesur le réseau DC. C<strong>et</strong>te fonction importante perm<strong>et</strong> ainsi d’éviter le redémarrage <strong>de</strong>scalculateurs, principaux consommateurs sur ce réseau.Sur les réseaux AC actuels, c<strong>et</strong>te fonction n’existe pas à cause <strong>de</strong> la complexité <strong>de</strong> sa mise <strong>en</strong>œuvre (synchronisation <strong>de</strong>s phases notamm<strong>en</strong>t). Sur un réseau HVDC, la t<strong>en</strong>sion continueétant fabriquée à partir d’un redressem<strong>en</strong>t passif, on r<strong>et</strong>rouve ce problème <strong>de</strong> mise <strong>en</strong> parallèle<strong>de</strong> générateurs dont les t<strong>en</strong>sions statoriques peuv<strong>en</strong>t être déphasées.Avec l’utilisation <strong>de</strong> notre architecture maillée <strong>et</strong> ségréguée, la prés<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux MAPFCperm<strong>et</strong> la mise <strong>en</strong> œuvre d’une fonction No-Break HVDC. En eff<strong>et</strong>, si l’on affecte au MC1 lerôle <strong>de</strong> maint<strong>en</strong>ir la t<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> la barre HVDC 1 <strong>et</strong> au MTC1 celle <strong>de</strong> la barre HVDC 2, il estpossible <strong>de</strong> maint<strong>en</strong>ir le niveau <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution, même <strong>en</strong> cas <strong>de</strong> pertemom<strong>en</strong>tanée <strong>de</strong> génération. De plus, le temps <strong>de</strong> reprise restant court, ceci affectera peu le168
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsfonctionnem<strong>en</strong>t mécanique <strong>de</strong> la machine alim<strong>en</strong>tée selon le principe du MAPFC compte t<strong>en</strong>udu stockage inertiel existant.Un essai expérim<strong>en</strong>tal est donné sur la figure V.6 dans laquelle on réalise une coupure dugénérateur <strong>de</strong> la barre HVDC 2 p<strong>en</strong>dant 200ms.600T<strong>en</strong>sions du bus <strong>en</strong> défaut (V)Puissance (W)500400300200100Sans la fonction« No-Break»Avec la fonction« No-Break»00 0.05 0.1 0.15 0.2Temps (s)Essai expérim<strong>en</strong>talfigure V.6 : illustration <strong>de</strong> la fonction No-Break HVDCOn se place dans les mêmes conditions <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t dans les 2 cas : chaque barreHVDC alim<strong>en</strong>te une charge résistive <strong>et</strong> sa t<strong>en</strong>sion est fournie par un redressem<strong>en</strong>t à 6 dio<strong>de</strong>s.<strong>Les</strong> bus continus possèd<strong>en</strong>t chacun un cond<strong>en</strong>sateur <strong>de</strong> bus <strong>et</strong> on réalise une coupure <strong>de</strong> 200ms à T = 0s. Sur le bus que l’on perd, on connecte une charge résistive consommant 4.4 kW <strong>et</strong>une charge active fonctionnant à puissance constante <strong>de</strong> 4 kW..Ainsi, on montre la possibilité fonctionnelle <strong>de</strong> réaliser la fonction No-Break à travers unMAPFC. Il est à noter que nous avons montré le fonctionnem<strong>en</strong>t qualitatif <strong>et</strong> que la qualité <strong>de</strong>la régulation dép<strong>en</strong>d du type <strong>de</strong> correcteur utilisé ainsi que du réglage <strong>de</strong>s coeffici<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> cescorrecteurs.V.2 Intégration d’un DCPFC sur un réseau avion<strong>Les</strong> équipem<strong>en</strong>ts prés<strong>en</strong>tés jusqu’à maint<strong>en</strong>ant ont été montés sur le banc d’essais dulaboratoire LAPLACE. Ce banc d’essais HVDC constitue une première étape important<strong>en</strong>écessaire à la validation <strong>de</strong>s concepts développés, cep<strong>en</strong>dant, la mise <strong>en</strong> place d’unedistribution HVDC au sein même d’un avion doit supporter <strong>de</strong>s contraintes beaucoup plusfortes. Nous allons ici prés<strong>en</strong>ter une architecture réseau possible pour l’intégration d’un li<strong>en</strong>actif, ici un DCPFC, dans un réseau embarqué.V.2.1Prés<strong>en</strong>tation d’une architecture réseau intégrant un DCPFCNous avons vu dans le premier chapitre <strong>de</strong> ce manuscrit que la génération électrique avaitévolué <strong>de</strong>puis l’apparition <strong>de</strong> l’A380. <strong>Les</strong> VFG sont actuellem<strong>en</strong>t les générateurs embarquésfournissant l’énergie électrique sous forme alternative dont la fréqu<strong>en</strong>ce est variable. <strong>Les</strong>étu<strong>de</strong>s propres à l’avion plus électrique montr<strong>en</strong>t que ces VFG t<strong>en</strong>drai<strong>en</strong>t à être remplacés par<strong>de</strong>s VFSG – Variable Frequ<strong>en</strong>cy Starter G<strong>en</strong>erator – dont l’idée est d’utiliser la mêmemachine pour réaliser la fonction démarrage <strong>de</strong>s réacteurs <strong>et</strong> la génération électrique. Malgré169
Chapitre Vcela, il s’agit <strong>de</strong> génératrices alternatives <strong>et</strong> la création <strong>de</strong> barres <strong>de</strong> distribution HVDCnécessite un redressem<strong>en</strong>t.En termes <strong>de</strong> redressem<strong>en</strong>t, nous avons vu précé<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t que plusieurs structures étai<strong>en</strong>t àl’heure actuelle à l’étu<strong>de</strong>. Dans le domaine <strong>de</strong> l’aéronautique, on parle <strong>de</strong> RU – Rectifier Unit,le pont redresseur à 6 dio<strong>de</strong>s –, d’ATRU – Auto Transformer Rectifier Unit comportant 12 ou18 dio<strong>de</strong>s – ou <strong>en</strong>core <strong>de</strong> redresseur actif.Le redresseur actif étant à l’heure actuelle moins étudié pour <strong>de</strong>s raisons <strong>de</strong> fiabilité <strong>et</strong> <strong>de</strong>masse, nous ne prés<strong>en</strong>terons pas son utilisation. En ce qui concerne les redresseurs passifs, lesnormes actuelles avantag<strong>en</strong>t l’utilisation <strong>de</strong> l’ATRU pour la meilleure qualité <strong>de</strong>s formesd’on<strong>de</strong>s qu’il procure, perm<strong>et</strong>tant notamm<strong>en</strong>t <strong>de</strong> respecter les normes <strong>en</strong> vigueur sur ladistribution alternative. Malgré cela, l’utilisation du RU reste d’actualité puisque sonutilisation perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> disposer d’une structure simple, fiable <strong>et</strong> plus légère.Ainsi lors <strong>de</strong> la <strong>de</strong>scription <strong>de</strong> l’architecture HVDC perm<strong>et</strong>tant l’intégration du DCPFC, nousne spécifions pas le type <strong>de</strong> redresseur passif utilisé. Pour les phénomènes que noussouhaitons étudier, nous pouvons nous cont<strong>en</strong>ter <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> charges passivesconnectées sur les barres <strong>de</strong> distribution HVDC.V.2.2Influ<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> la connexion du neutre <strong>de</strong>s générateursLa principale différ<strong>en</strong>ce concernant la mise <strong>en</strong> œuvre d’un DCPFC sur un réseau « avion » ousur le banc d’essai du LAPLACE se situe au niveau du schéma <strong>de</strong> liaison à la terre. En eff<strong>et</strong>,le banc d’essai du LAPLACE fonctionne avec un neutre isolé <strong>de</strong> la terre (régime IT) alorsque, sur un avion actuel, chaque neutre <strong>de</strong>s générateurs est connecté à la terre (à la carcasse).Nous allons voir ici l’influ<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> ce mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> connexion.V.2.2.1Mise <strong>en</strong> évid<strong>en</strong>ce du problème avec <strong>de</strong>s sources continuesL’utilisation d’un schéma TN-C sur la distribution électrique alternative impose la connexion<strong>de</strong>s neutres <strong>de</strong>s générateurs à la « terre » dans les avions. Si l’on considère <strong>de</strong>s générateurscontinus parfaits, le schéma électrique correspond à celui <strong>de</strong> la figure V.7 dans laquelle onutilise <strong>de</strong>ux sources <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sions parfaites pour réaliser un réseau type +/- 270V. A noter que lechoix d’un tel réseau à « point milieu <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce », plutôt qu’une connexion HVDC 0 –540V est dû aux phénomènes <strong>de</strong> décharges partielles dans les isolants <strong>de</strong>s câbles <strong>et</strong> <strong>de</strong>s<strong>en</strong>roulem<strong>en</strong>ts machines, ces phénomènes étant amplifiés par les eff<strong>et</strong>s <strong>de</strong> l’altitu<strong>de</strong> <strong>et</strong> parl’élévation du niveau <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion.170
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsDCPFC270 270GR chargeT 1T 3RDchargeL/2L/2V nG270T 2T 4270V nDfigure V.7 : schéma électrique décrivant le fonctionnem<strong>en</strong>t du DCPFC sur <strong>de</strong>s sources DC parfaitesL’utilisation <strong>de</strong> sources parfaites impose ainsi que V n G <strong>et</strong> V n D ai<strong>en</strong>t une même valeur. Lacirculation <strong>de</strong> courant à travers les neutres est ainsi impossible.Si l’on considère maint<strong>en</strong>ant <strong>de</strong>s sources <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion possédant chacune une impédanceinterne, comme représ<strong>en</strong>té sur la figure V.8, les t<strong>en</strong>sions V n G <strong>et</strong> V n D , du fait <strong>de</strong> la circulation<strong>de</strong>s courants absorbés par le DCPFC ainsi que par les autres charges connectées sur cessources, peuv<strong>en</strong>t être différ<strong>en</strong>tes.270RG int RGintGR chargeT 1DCPFCL/2L/2T 3RDchargeRD int RDint270V nG270T 2T 4270V nDfigure V.8 : schéma électrique décrivant le fonctionnem<strong>en</strong>t du DCPFC sur <strong>de</strong>s sources DC possédant uneimpédance interneLorsque le DCPFC est connecté, un déséquilibre <strong>de</strong>s puissances fournies par les sourcesgauches <strong>et</strong> droites t<strong>en</strong>d à faire circuler un courant dans le neutre à travers la maille représ<strong>en</strong>tée<strong>en</strong> rouge sur la figure. Nous réalisons une simulation avec un réseau possédant lescaractéristiques suivantes :- Résistance <strong>de</strong> neutre : 20mΩ ;- T<strong>en</strong>sion <strong>de</strong> bus à vi<strong>de</strong> : 575V ;- Résistance interne <strong>de</strong> chaque source : 1Ω ;- Une charge à courant constant absorbant 38A (<strong>en</strong>viron 10kW) ;<strong>Les</strong> résultats sont donnés sur la figure V.9.171
Chapitre VCourants <strong>en</strong>trants dans le DCPFC (A)5045403530252015105Ptransfert = 10 kW00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1Temps (s)SimulationCourants circulant dans les neutres (A)20151050-5-10Courant dans le neutredu générateur Gauche-15 Courant dans le neutredu générateur Droit-200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1Temps (s)Simulationfigure V.9 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> sources DC possédant une impédance interne avec lespoints milieu <strong>de</strong>s bus HVDC connectés au neutre à travers une impédance <strong>de</strong> 20 mΩAvant le transfert <strong>de</strong> puissance imposé <strong>de</strong> 10 kW à travers le DCPFC, chaque source fournit lamême puissance à sa charge. <strong>Les</strong> t<strong>en</strong>sions V n G <strong>et</strong> V n D dont donc égales <strong>et</strong> aucun courant necircule. Par contre, lors du transfert <strong>de</strong> puissance, le courant consommé par le DCPFC sur legénérateur <strong>de</strong> gauche <strong>et</strong> réinjecté côté droit crée un déséquilibre <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion <strong>en</strong>tre V n G <strong>et</strong> V n D ,ce qui perm<strong>et</strong> au courant <strong>de</strong> circuler à travers les neutres.Ainsi, le courant se répartit <strong>en</strong>tre le chemin « voulu » (le point négatif <strong>de</strong> la connexionHVDC) <strong>et</strong> la terre du réseau (par la connexion <strong>de</strong>s neutres). C<strong>et</strong>te répartition est dép<strong>en</strong>dante<strong>de</strong> l’architecture du réseau puisqu’une modification <strong>de</strong> la résistance symbolisant le neutremodifie ce courant. Nous allons maint<strong>en</strong>ant étudier un cas plus proche <strong>de</strong> la réalité où lessources sont triphasées.V.2.2.2Etu<strong>de</strong> <strong>de</strong> la connexion <strong>de</strong>s neutres <strong>de</strong>s générateursDans ce fonctionnem<strong>en</strong>t plus réaliste, les t<strong>en</strong>sions HVDC sont obt<strong>en</strong>ues à partir <strong>de</strong> <strong>de</strong>uxgénérateurs alternatifs dont la t<strong>en</strong>sion est redressée par un pont à 6 dio<strong>de</strong>s. Ces sourcesfonctionn<strong>en</strong>t à 400Hz mais ne sont pas synchronisées (elles ne dép<strong>en</strong>d<strong>en</strong>t pas du mêmeréacteur <strong>et</strong> donc pas du même arbre mécanique). La figure V.10 donne le schéma électrique<strong>de</strong> la connexion d’un DCPFC <strong>en</strong>tre ces <strong>de</strong>ux générateurs AC.ADa1_hautDb1_hautDc1_hautDCPFCDa2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT 1L/2L/2T 3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT 2T 4Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.10 : schéma électrique décrivant le fonctionnem<strong>en</strong>t du DCPFC sur <strong>de</strong>s sources AC parfaitesC<strong>et</strong>te fois-ci, le problème se pose lorsque les sources AC sont déphasées <strong>et</strong> que l’on connectele DCPFC. En eff<strong>et</strong>, le point bas du DCPFC offre un r<strong>et</strong>our possible du courant selon le tracérouge <strong>de</strong> la figure V.11 (c<strong>et</strong>te maille constitue un exemple ; d’autres traj<strong>et</strong>s peuv<strong>en</strong>t êtreconsidérés).172
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsADa1_hautDb1_hautDc1_hautDCPFCDa2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT 1L/2L/2T 3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT 2T 4Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.11 : schéma électrique décrivant le fonctionnem<strong>en</strong>t du DCPFC sur <strong>de</strong>s sources AC parfaitesUn courant circule alors par le neutre <strong>de</strong>s générateurs. Nous réalisons <strong>de</strong>ux simulations pourconfirmer c<strong>et</strong>te analyse. La première (le cas A) correspond au cas où le DCPFC estdéconnecté du réseau ; dans la secon<strong>de</strong> (le cas B) celui-ci est connecté mais ne transfère pas<strong>de</strong> puissance.173
Chapitre VCourants fournis par le générateur Gauche (A)20151050-5-10-15Courant IaCourant IbCourant Ic-200 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Temps (10 -3 s)SimulationCourants fournis par le générateur Gauche (A)Puissance (W)200150100500-50-100-150Courant IaCourant IbCourant Ic-2000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Temps Temps (10 (s)-3 s)-3Simulation20200Courants fournis par le générateur Droit (A)Puissance (W)151050-5-10-15Courant IaCourant IbCourant Ic-200 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Courants fournis par le générateur Droit (A)15010050-50-100-150-2000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Temps Temps (10 -3 s) (s)SimulationTemps Temps (10 -3 s)(s)Simulation0Courant IaCourant IbCourant IcCourants circulant dans le neutre (A)100806040200-20-40-60-80-1000.04 0.0405 0.041 0.0415 0.042Temps (s)Simulationfigure V.12 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong>l’utilisation <strong>de</strong> sources AC parfaites associées à <strong>de</strong>sRU (cas A)Courants circulant dans les neutres (A)200150100500-50-100-150Neutre GNeutre D-2000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Temps Temps (10 (s) -3 s)Simulationfigure V.13 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong>l’utilisation <strong>de</strong> sources AC parfaites associées à <strong>de</strong>sRU (cas B)Ainsi, dans le cas A, lorsque la phase b fournit le courant nécessaire à la charge gauche àtravers la dio<strong>de</strong> Db1_haut, le r<strong>et</strong>our <strong>de</strong> ce même courant se fait à travers la dio<strong>de</strong> Da1_bas.Chaque RU alim<strong>en</strong>tant sa charge, il n’y a donc pas <strong>de</strong> circulation <strong>de</strong> courant dans le neutre.Dans le cas B, on r<strong>et</strong>rouve le comportem<strong>en</strong>t att<strong>en</strong>du avec le neutre transitant un courantdép<strong>en</strong>dant <strong>de</strong>s dio<strong>de</strong>s.On observe égalem<strong>en</strong>t que le courant fourni par un générateur possè<strong>de</strong> une amplitu<strong>de</strong> plusimportante que dans le cas A. En eff<strong>et</strong>, les temps <strong>de</strong> conduction <strong>de</strong>s dio<strong>de</strong>s sont supérieurs àcause du déphasage <strong>en</strong>tre les sources triphasées, l’énergie étant constante, il faut donc uneamplitu<strong>de</strong> plus faible pour conserver l’énergie. C’est pour c<strong>et</strong>te raison que le courant circulantdans le neutre est supérieur <strong>en</strong> amplitu<strong>de</strong> à celui nécessaire pour alim<strong>en</strong>ter les charges dans lecas A.174
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsOn se place dans le même cas <strong>de</strong> figure qu’avec les sources DC, c'est-à-dire que l’on réaliseun essai <strong>de</strong> transfert à pleine puissance. Afin <strong>de</strong> réaliser un essai représ<strong>en</strong>tatif, on choisit <strong>de</strong>disposer <strong>de</strong> 2 sources triphasées déphasées.Courant dans le li<strong>en</strong> DCPFC (A)50454035302520151050Ptransfert = 0 kW-50 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04Temps (s)Ptransfert = 10 kWSimulationCourants circulant dans les neutres (A)200150100500-50-100Courant dans le neutredu générateur Gauche-150Courant dans le neutredu générateur Droit-2000 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04Temps (s)Simulationfigure V.14 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> sources AC parfaites associées à <strong>de</strong>s RUMême si la fonction est correctem<strong>en</strong>t assurée (le transfert <strong>de</strong>s 10 kW est bi<strong>en</strong> effectif), lecourant circulant à travers le neutre <strong>de</strong>vi<strong>en</strong>t problématique. En eff<strong>et</strong>, le courant n’apparaît plusuniquem<strong>en</strong>t lorsqu’un courant est transmis par le DCPFC mais à partir du mom<strong>en</strong>t où celui-ciest connecté sur le réseau <strong>en</strong>tre <strong>de</strong>ux canaux <strong>de</strong> génération déphasés.Si l’on réalise maint<strong>en</strong>ant un essai dans lequel les générateurs sont synchronisés (<strong>en</strong> phase),on corrobore les conclusions données jusqu’à maint<strong>en</strong>ant :Courant dans le li<strong>en</strong> DCPFC (A)50454035302520151050Ptransfert = 0 kWPtransfert = 10 kW-50 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04Temps (s)SimulationCourants circulant dans les neutres (A)50403020100-10-20-30Courant dans le neutredu générateur Gauche-40 Courant dans le neutredu générateur Droit-500 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04Temps (s)Simulationfigure V.15 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> sources AC parfaites associées à <strong>de</strong>s RU (cas <strong>de</strong>ssources synchronisées)On observe ainsi toujours le bon fonctionnem<strong>en</strong>t du transfert <strong>de</strong> puissance. Par contre, lorsquele DCPFC est connecté mais ne transfère pas <strong>de</strong> puissance, le courant circulant dans le neutreest bi<strong>en</strong> nul. On se r<strong>et</strong>rouve dans un cas similaire au cas A <strong>de</strong> l’étu<strong>de</strong> précéd<strong>en</strong>te. Au mom<strong>en</strong>toù le DCPFC transfère 10 kW, on r<strong>et</strong>rouve l’apparition du courant dans le neutre comme celaa été expliqué dans le cas d’une source DC.Pour finir c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong>, nous considérons <strong>de</strong>ux sources AC débitant sur un ATRU (Auto-Transformer Rectifier Unit – un autotransformateur). C<strong>et</strong>te structure réalise un redressem<strong>en</strong>t175
Chapitre Vpassif à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> 18 dio<strong>de</strong>s, ce qui améliore considérablem<strong>en</strong>t la qualité <strong>de</strong>s formes d’on<strong>de</strong>s.Cep<strong>en</strong>dant, dans notre cas, le point intéressant <strong>de</strong> la structure est son filtre <strong>de</strong> mo<strong>de</strong> commun.Celui-ci, placé pour respecter <strong>de</strong>s contraintes électromagnétiques, a une action déterminantedans le fonctionnem<strong>en</strong>t du réseau. On r<strong>et</strong>rouve ainsi l’influ<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> la structure sur les résultats<strong>de</strong> simulation donnés sur la figure V.16. <strong>Les</strong> sources AC ne sont pas synchronisées dans c<strong>et</strong>essai afin d’étudier le pire cas.Courant dans le li<strong>en</strong> DCPFC (A)50454035302520151050Ptransfert = 0 kW-50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07Temps (s)Ptransfert = 10 kWSimulationCourants circulant dans les neutres (A)50403020100-10-20-30Courant dans le neutredu générateur Gauche-40 Courant dans le neutredu générateur Droit-500 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07Temps (s)Simulationfigure V.16 : résultats <strong>de</strong> simulation lors <strong>de</strong> l’utilisation <strong>de</strong> sources AC parfaites associées à <strong>de</strong>s ATRUOn r<strong>et</strong>rouve ici un comportem<strong>en</strong>t similaire à celui <strong>de</strong>s sources DC.Finalem<strong>en</strong>t, nous avons mis <strong>en</strong> évid<strong>en</strong>ce le problème du rebouclage du courant dans notreréseau lorsque celui-ci fonctionne avec une liaison type TN-C avec un neutre connecté côtéAC (neutre générateur connectés à la terre) ou avec un point milieu côté HVDC (réseauHVDC +/-270V). Même si l’utilisation d’un ATRU (<strong>et</strong> surtout d’un filtre <strong>de</strong> mo<strong>de</strong> commun)perm<strong>et</strong> d’améliorer le comportem<strong>en</strong>t global, nous allons proposer <strong>de</strong>s solutions architecturales<strong>en</strong>visageables.V.2.3Solutions proposéesMalgré le peu <strong>de</strong> latitu<strong>de</strong> dont nous disposons vis à vis <strong>de</strong>s normes actuelles sur les réseauxélectriques embarqués, nous proposons ici plusieurs solutions perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> limiter, voired’annuler ce courant <strong>de</strong> r<strong>et</strong>our par le neutre.V.2.3.1Déconnexion d’un <strong>de</strong>s neutres <strong>de</strong>s générateursLa première solution, la plus simple, consiste à déconnecter l’un <strong>de</strong>s neutres <strong>de</strong> la terre (ou les<strong>de</strong>ux). Comme cela a été vu plus haut dans le cas simple <strong>de</strong>s sources DC, aucun courant n’est<strong>en</strong> mesure <strong>de</strong> circuler. Nous réalisons une simulation avec <strong>de</strong>s sources triphasées parfaitesassociés à <strong>de</strong>s RU. Le schéma est donné sur la figure V.17. On note qu’il s’agit d’un cassimilaire à celui <strong>de</strong> notre banc d’essai.176
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsCôté GaucheGCôté DroitGRURUHVDC GHVDC DChargeGDCPFCChargeDfigure V.17 : fonctionnem<strong>en</strong>t avec <strong>de</strong>s sources AC associées à <strong>de</strong>s RU sans connexion du neutreComme on peut s’y att<strong>en</strong>dre, aucun courant n’est <strong>en</strong> mesure <strong>de</strong> circuler, ce qui répond à notrecahier <strong>de</strong>s charges. Malgré cela, le problème principal provi<strong>en</strong>t <strong>de</strong> l’impossibilité <strong>de</strong> protégerle réseau dans ce cas <strong>de</strong> figure.En eff<strong>et</strong>, la sélectivité <strong>de</strong>s protections se fait par la mesure du courant circulant dans le neutre(comme cela a été montré dans le Chapitre II). Le fait <strong>de</strong> supprimer le neutre empêche donc laprotection <strong>en</strong> surint<strong>en</strong>sité par ce moy<strong>en</strong>.V.2.3.2Passage à un régime ITA l’heure actuelle, le changem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> régime <strong>de</strong> neutre paraît difficile pour conserver lesavantages cités précé<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t. Malgré tout, dans le cadre d’un réseau comportant <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>sactifs comme le DCPFC ou le MAPFC connectés <strong>en</strong>tre <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution HVDC, ilpourrait perm<strong>et</strong>tre <strong>de</strong> s’affranchir <strong>de</strong>s problèmes liés au r<strong>et</strong>our <strong>de</strong> courant par le neutre. Eneff<strong>et</strong>, contrairem<strong>en</strong>t au régime TN-C, le neutre du générateur serait ici fortem<strong>en</strong>t impédant, cequi limiterait le r<strong>et</strong>our <strong>de</strong> courant. La figure V.18 donne une représ<strong>en</strong>tation schématique <strong>de</strong> cerégime <strong>de</strong> neutre dans lequel le neutre est impédant ou isolé <strong>et</strong> les masses sont reliés à la terre.GénérateurL1L2L3PECPIZUtilisateurTerrefigure V.18 : principe <strong>de</strong> la liaison à la terre d’un régime ITL’avantage principal <strong>de</strong> ce schéma <strong>de</strong> liaison à la terre est la continuité <strong>de</strong> service. En eff<strong>et</strong>, iln’y a pas <strong>de</strong> décl<strong>en</strong>chem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> protections <strong>en</strong> cas <strong>de</strong> défaut simple. Cep<strong>en</strong>dant, l’utilisation <strong>de</strong>177
Chapitre Vce schéma impose d’effectuer <strong>de</strong>s recherches du premier défaut <strong>et</strong> augm<strong>en</strong>te le coût ainsi quela complexité du réseau (mise <strong>en</strong> place du contrôleur d’isolem<strong>en</strong>t).V.2.3.3Réseau HVDC avec connexion du neutre au point basUne autre solution éliminant complètem<strong>en</strong>t le problème consisterait à connecter le neutre duréseau au point bas <strong>de</strong> chaque barre <strong>de</strong> génération <strong>et</strong> à créer ainsi un réseau 0 – 540V commesur la figure suivante :DCPFC540RGintGR chargeT 1L/2L/2T 3DR chargeRDint540T 2T 4V nGV nDfigure V.19 : réseau HVDC avec connexion du neutre au point basCep<strong>en</strong>dant, la t<strong>en</strong>sion d’isolem<strong>en</strong>t du câblage <strong>et</strong> <strong>de</strong>s <strong>en</strong>roulem<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> machines est doubléepar rapport au cas +/-270V <strong>et</strong> les problèmes dus aux décharges partielles serai<strong>en</strong>t à évaluer.Dans le cas d’un avion <strong>de</strong> plus faible puissance sans « doublem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion », il serait<strong>en</strong>visageable <strong>de</strong> recréer un réseau 0 - 270VDC, comme c’est le cas actuellem<strong>en</strong>t sur certainsavions. De plus, ce concept est parfaitem<strong>en</strong>t applicable à <strong>de</strong>s applications terrestres.V.2.3.4Nouvelles structures <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifsLe problème inhér<strong>en</strong>t à la connexion du DCPFC dans un réseau aéronautique est lié au pointcommun réalisé par l’équipem<strong>en</strong>t <strong>en</strong>tre les <strong>de</strong>ux points <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>tiel -270V. Ainsi, pourrésoudre le problème, nous pouvons établir <strong>de</strong>s structures <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs dans lesquelles cepoint commun n’existe pas.Trois structures <strong>de</strong> DCPFC peuv<strong>en</strong>t ainsi ressortir. Ces structures, bi<strong>en</strong> que complexifiant lesystème ne modifi<strong>en</strong>t pas son fonctionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> façon importante. Dans la premièreproposition prés<strong>en</strong>tée sur la figure V.20, on dispose <strong>de</strong> l’équival<strong>en</strong>t <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux DCPFC <strong>en</strong>parallèle tout <strong>en</strong> supprimant le point commun situé sur les -270V. Sur la secon<strong>de</strong> solution, ondispose <strong>de</strong>ux DCPFC : le premier est placé <strong>en</strong>tre le 0 <strong>et</strong> le +270V <strong>et</strong> le second <strong>en</strong>tre le -270V<strong>et</strong> le 0. Dans la figure V.22 représ<strong>en</strong>tant la troisième solution, la structure est plus proche d’unhacheur multi niveaux.178
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsDCPFCT 1T 3L/2L/2T 2T 4ADa1_hautDb1_hautDc1_hautDa2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT 1L/2L/2T 3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT 2T 4Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.20 : proposition d’une nouvelle structure <strong>de</strong> li<strong>en</strong> actif (solution 1)DCPFCT 1T 3L/2L/2ADa1_hautDb1_hautDc1_hautT 2T 4Da2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT 1L/2L/2T 3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT 2T 4Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.21 : proposition d’une nouvelle structure <strong>de</strong> li<strong>en</strong> actif (solution 2)DCPFCT 1T 3L/2L/2ADa1_hautDb1_hautDc1_hautT 2T 4Da2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT 1L/2L/2T 3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT 2T 4Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.22 : proposition d’une nouvelle structure <strong>de</strong> li<strong>en</strong> actif (solution 3)Ces trois solutions perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t ainsi, grâce à une loi <strong>de</strong> comman<strong>de</strong> appropriée <strong>de</strong> disposer d’un<strong>de</strong>gré <strong>de</strong> liberté supplém<strong>en</strong>taire nécessaire à la maîtrise du r<strong>et</strong>our <strong>de</strong> courant.179
Chapitre VLa <strong>de</strong>rnière solution <strong>de</strong>vi<strong>en</strong>t égalem<strong>en</strong>t une solution intéressante pour le MAPFC car il estpossible <strong>de</strong> supprimer le li<strong>en</strong> <strong>de</strong> r<strong>et</strong>our du courant homopolaire <strong>en</strong> adoptant une architectureavec <strong>de</strong>ux MAPFC, le premier assurant le « traj<strong>et</strong> aller » du courant homopolaire tandis que lesecond assure le « traj<strong>et</strong> r<strong>et</strong>our »: à noter qu’une telle architecture s’adapte parfaitem<strong>en</strong>t àl’architecture maillée ségréguée préconisée dans la première partie du chapitre.MAPFCT G1T G2T G3T D1T D2T D3T G4T G5T G6T D4T D5T D6ADa1_hautDb1_hautDc1_hautDa2_hautDb2_hautDc2_hautABCR chargeGT G1T G2T G3T D1T D2T D3R chargeDBCDa1_basDb1_basDc1_basT G4T G5T G6T D4T D5T D6Da2_basDb2_basDc2_basfigure V.23 : proposition d’une nouvelle structure <strong>de</strong> li<strong>en</strong> actif (solution 3)Dans ce cas là, on utilise le contrôle du courant homopolaire dans chacune <strong>de</strong>s machines pourempêcher qu’il ne transite à travers le neutre <strong>de</strong>s générateurs. Ceci nous perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>rnotre architecture proposée dans la première partie du chapitre, tout <strong>en</strong> supprimant leconducteur liant les t<strong>en</strong>sions -270V gauche <strong>et</strong> droite.180
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existantsV.3 ConclusionNous avons articulé ce chapitre autour <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux thèmes suivants : l’intégration <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifsdans une architecture « classique » arboresc<strong>en</strong>te <strong>et</strong> la définition d’une architecture maillée.La première partie du chapitre prés<strong>en</strong>te une comparaison <strong>en</strong>tre une architecture totalem<strong>en</strong>tHVDC <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce <strong>et</strong> <strong>de</strong>ux architectures maillées. La première, maillée totalem<strong>en</strong>t, neperm<strong>et</strong> pas <strong>de</strong> respecter les contraintes <strong>de</strong> certification propres à la ségrégation. La secon<strong>de</strong>conserve une ségrégation gauche-droite mais ne perm<strong>et</strong> pas <strong>de</strong> conserver tous les avantagesd’un maillage.<strong>Les</strong> points abordés dans c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong> concernai<strong>en</strong>t égalem<strong>en</strong>t les critères <strong>de</strong> masse <strong>et</strong> <strong>de</strong>volume : ceux-ci se révèl<strong>en</strong>t peu différ<strong>en</strong>ts par rapport à l’architecture <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce.Cep<strong>en</strong>dant, il est difficile <strong>de</strong> statuer sur les gains <strong>en</strong> dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s machines utiliséespour le système ECS. Malgré tout, un gain fonctionnel clair apparaît grâce à la possibilitéd’un fonctionnem<strong>en</strong>t « no-Break HVDC », perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> disposer d’un réseau continu sanscoupure lors <strong>de</strong>s reconfigurations du réseau.Le second thème montre la complexité <strong>de</strong> l’intégration <strong>de</strong> nos équipem<strong>en</strong>ts du fait du mo<strong>de</strong> <strong>de</strong>connexion <strong>de</strong>s neutres, <strong>en</strong> particulier dans le cas actuel où le neutre <strong>de</strong>s générateurs sert <strong>de</strong>référ<strong>en</strong>ce. A l’heure actuelle, l’utilisation d’un schéma <strong>de</strong> liaison à la terre <strong>de</strong> type TN-C dansles avions civils impose la connexion <strong>de</strong> ces neutres. Après avoir étudié le phénomène avec<strong>de</strong>s sources continues, nous avons mis <strong>en</strong> évid<strong>en</strong>ce que, lors d’un transfert <strong>de</strong> puissance, ler<strong>et</strong>our du courant circulant dans le li<strong>en</strong> actif pouvait se faire à travers le point bas du DCPFCmais égalem<strong>en</strong>t à travers la terre par l’intermédiaire <strong>de</strong>s points milieux <strong>de</strong>s sources.C<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong> a été complétée par l’utilisation <strong>de</strong> sources alternatives débitant sur une structure<strong>de</strong> redressem<strong>en</strong>t passive (RU ou ATRU). A ce niveau, le problème apparaît au mom<strong>en</strong>t oùl’on connecte le li<strong>en</strong> même si celui-ci ne transfère pas <strong>de</strong> puissance. L’analyse <strong>en</strong> simulation amontré, notamm<strong>en</strong>t dans le cas du RU, que le déphasage perman<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s générateurs <strong>en</strong>traînaitla conduction d’un courant <strong>de</strong> neutre. A l’opposé, lorsque les générateurs sont <strong>en</strong> phase, il n’ya plus <strong>de</strong> courant circulant dans la terre lors <strong>de</strong> la connexion du li<strong>en</strong>.La génération HVDC à l’ai<strong>de</strong> d’un ATRU perm<strong>et</strong> <strong>de</strong> régler une partie du problème puisquecelui-ci dispose d’un filtre <strong>de</strong> courant <strong>de</strong> mo<strong>de</strong> commun. Malheureusem<strong>en</strong>t, ce filtre est placépour résoudre les problèmes relatifs à la compatibilité électromagnétique, ce qui signifie qu’iln’est pas dim<strong>en</strong>sionné pour supporter un courant aussi important que celui susceptible d<strong>et</strong>ransiter à travers un li<strong>en</strong> actif.<strong>Les</strong> solutions possibles pour résoudre ce problème exist<strong>en</strong>t <strong>et</strong> ont été proposées. Ladéconnection du neutre <strong>et</strong> le passage à un schéma <strong>de</strong> liaison à la terre IT sont <strong>de</strong>s solutionspossibles mais difficilem<strong>en</strong>t applicables dans le contexte actuel d’un réseau aéronautique. Unréseau HVDC avec connexion du neutre au point bas (0V) du réseau solutionne complètem<strong>en</strong>tle problème. Cep<strong>en</strong>dant, il rem<strong>et</strong> <strong>en</strong> question le choix actuel d’un réseau +/- 270V qui sejustifie par l’exist<strong>en</strong>ce du phénomène <strong>de</strong> décharges partielles dues aux fortes t<strong>en</strong>sionsd’isolem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> altitu<strong>de</strong>. De plus, la proposition <strong>de</strong> nouvelles structures <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs baséessur un contrôle du courant à l’aller mais égalem<strong>en</strong>t lors <strong>de</strong> son r<strong>et</strong>our perm<strong>et</strong> d’avoir un li<strong>en</strong>fonctionnant <strong>de</strong> façon transpar<strong>en</strong>te du point <strong>de</strong> vue <strong>de</strong> la génération HVDC mais égalem<strong>en</strong>t duschéma <strong>de</strong> liaison à la terre. Nous avons <strong>en</strong> particulier montré que c<strong>et</strong>te idée pouvait181
Chapitre Vparfaitem<strong>en</strong>t s’adapter à la structure maillée ségréguée préconisée dans ce chapitre <strong>et</strong>intégrant <strong>de</strong>ux MAPFC placés <strong>en</strong>tre <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution.182
Extrapolation <strong>de</strong>s concepts sur les réseaux existants183
Conclusions générales <strong>et</strong> perspectivesTout au long <strong>de</strong> ce travail <strong>de</strong> thèse, nous avons voulu montrer, non seulem<strong>en</strong>t la faisabilitéd’un réseau <strong>de</strong> distribution à haute t<strong>en</strong>sion continue maillé, mais égalem<strong>en</strong>t les possibilitésoffertes par l’utilisation <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs dans une distribution continue ainsi que <strong>de</strong>s nouvellesvoies possibles pour la gestion énergétique d’un réseau complexe. Nous nous sommesefforcés d’avoir une approche <strong>de</strong> conception basée sur <strong>de</strong>s étu<strong>de</strong>s théoriques analysées sur <strong>de</strong>ssimulations mais égalem<strong>en</strong>t <strong>en</strong> s’appuyant sur <strong>de</strong> nombreux essais expérim<strong>en</strong>taux.Le contexte général relatif aux réseaux électriques embarqués à bord <strong>de</strong>s avions civils moy<strong>en</strong>s<strong>et</strong> longs courriers a été établi dans le Chapitre I. Par son aspect général <strong>et</strong> très illustré, nousavons voulu faire dans ce chapitre un état <strong>de</strong> l’art <strong>de</strong>s réseaux embarqués, <strong>en</strong> insistantnotamm<strong>en</strong>t sur les différ<strong>en</strong>tes charges techniques qu’il est nécessaire d’alim<strong>en</strong>ter dans unavion. La prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> génération limités montre toute l’importance <strong>de</strong> larationalisation énergétique. C<strong>et</strong> objectif semble am<strong>en</strong>er les étu<strong>de</strong>s actuelles vers un réseauénergétique possédant une dominance électrique.Afin <strong>de</strong> se prévaloir d’une év<strong>en</strong>tuelle idée préconçue concernant l’énergie électrique, unecomparaison <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts vecteurs énergétiques est donnée ainsi que les possibilités offertespar l’électricité dans une application embarquée. S’<strong>en</strong> suit alors la prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong>s évolutionstechniques nécessaires à l’implantation <strong>de</strong> fortes puissances électriques sur un réseauembarqué. Une <strong>de</strong>s possibilités perm<strong>et</strong>tant c<strong>et</strong>te montée <strong>en</strong> puissance consiste à utiliser unedistribution haute t<strong>en</strong>sion continue dite « HVDC », soit +/-270 V DC.Si ces ori<strong>en</strong>tations nouvelles perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t d’<strong>en</strong>visager <strong>de</strong>s gains <strong>de</strong> masse, le « passage aucontinu pose aussi <strong>de</strong>s contraintes spécifiques : le Chapitre II est ainsi <strong>en</strong>tièrem<strong>en</strong>t dévolu auxdifficultés inhér<strong>en</strong>tes à la distribution continue, notamm<strong>en</strong>t lorsque les niveaux <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionsont élevés. Ce chapitre, articulé <strong>en</strong> <strong>de</strong>ux parties prés<strong>en</strong>te tous d’abord les problèmes relatifsau réseau HVDC avant <strong>de</strong> proposer une solution architecturale.Parmi les problèmes évoqués, notre étu<strong>de</strong> décrit particulièrem<strong>en</strong>t la qualité <strong>de</strong>s formesd’on<strong>de</strong>s dans les basses fréqu<strong>en</strong>ces. Il est ainsi prés<strong>en</strong>té le comportem<strong>en</strong>t d’un canal <strong>de</strong>génération – distribution continu dans <strong>de</strong>s cas <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t normaux <strong>et</strong> anormaux. Lemanque <strong>de</strong> norme actuel r<strong>en</strong>d difficile l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> comportem<strong>en</strong>ts quantitatifs mais nous nousbasons quand même sur l’extrapolation d’une norme existante pour une distribution sous 270V continu afin d’observer les phénomènes. D’autres problèmes sont égalem<strong>en</strong>t abordés,notamm<strong>en</strong>t la stabilité d’un réseau continu lorsque les charges connectées fonctionn<strong>en</strong>t <strong>en</strong>prélevant une puissance constante. C<strong>et</strong>te partie <strong>de</strong> l’étu<strong>de</strong> montre qu’un soin particulier doitêtre porté tant sur l’architecture que sur le dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s élém<strong>en</strong>ts générateurs <strong>et</strong>consommateurs, <strong>en</strong> particulier <strong>de</strong>s étages <strong>de</strong> filtrage. Enfin, le choix du schéma <strong>de</strong> liaison à laterre ainsi que les aspects liés à la compatibilité électromagnétique sont prés<strong>en</strong>tés.Pour cela, la secon<strong>de</strong> partie du chapitre propose une modification <strong>de</strong> l’architecture du réseaubasé sur un maillage du réseau. L’idée consiste à appliquer les principes <strong>de</strong> gestion <strong>de</strong>sréseaux <strong>de</strong> transport d’électricité à un réseau embarqué. Ceci aboutit à la prés<strong>en</strong>tation d’unearchitecture <strong>de</strong> réseau maillée possédant <strong>de</strong>s points <strong>de</strong> régulation répartis physiquem<strong>en</strong>t dansle réseau <strong>et</strong> perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> bénéficier <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sions stables dont les formes d’on<strong>de</strong>s sont« propres » du point <strong>de</strong> vue <strong>de</strong> la qualité <strong>en</strong> basses fréqu<strong>en</strong>ces.184
Le Chapitre III se veut une étu<strong>de</strong> détaillée <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts servant à réaliser le maillage duréseau. Deux types d’équipem<strong>en</strong>t sont prés<strong>en</strong>tés : le DCPFC <strong>et</strong> le MAPFC. Ils ont commepoint commun <strong>de</strong> pouvoir se connecter <strong>en</strong>tre <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution HVDC <strong>et</strong> ainsi d<strong>et</strong>ransférer <strong>de</strong> la puissance <strong>de</strong> manière contrôlée <strong>en</strong>tre ces <strong>de</strong>ux barres.Le DCPFC, fonctionnant à base d’interrupteurs statiques, est une structure différ<strong>en</strong>tielle baséesur la mise <strong>en</strong> série <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux hacheurs à travers une inductance. C<strong>et</strong>te inductance perm<strong>et</strong> lamaîtrise du courant circulant <strong>en</strong>tre les <strong>de</strong>ux barres <strong>de</strong> distribution. Nous prés<strong>en</strong>tons ainsi la loi<strong>de</strong> comman<strong>de</strong> associée à ce dispositif ainsi que les choix <strong>de</strong> conception que nous avons faits.L’étu<strong>de</strong> porte sur <strong>de</strong>s essais expérim<strong>en</strong>taux dans lesquels le DCPFC fonctionne <strong>en</strong> transfert <strong>de</strong>puissance <strong>et</strong> <strong>en</strong> régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sion. La mise <strong>en</strong> place d’un superviseur <strong>de</strong> plus haut niveaunous a égalem<strong>en</strong>t permis <strong>de</strong> tester <strong>de</strong>s comportem<strong>en</strong>ts plus intellig<strong>en</strong>ts dans lesquels leDCPFC joue un rôle dans la gestion énergétique (égalisation <strong>de</strong> la puissance fournie par lesgénérateurs par exemple).Concernant le MAPFC, la même démarche a été appliquée. <strong>Les</strong> possibilités étant plusnombreuses grâce à la partie mécanique, nous nous sommes d’abord attachés à vali<strong>de</strong>r lefonctionnem<strong>en</strong>t prés<strong>en</strong>té <strong>de</strong> façon théorique, notamm<strong>en</strong>t le découplage <strong>de</strong>s fonctionsactionneur <strong>et</strong> transfert <strong>de</strong> puissance grâce aux lois <strong>de</strong> comman<strong>de</strong> dans le repère <strong>de</strong> Park. Deplus, la réversibilité du système mécanique perm<strong>et</strong> d’<strong>en</strong>visager un fonctionnem<strong>en</strong>t réseau. D<strong>en</strong>ombreux essais expérim<strong>en</strong>taux nous perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong> vali<strong>de</strong>r ces possibilités.Une fois l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s li<strong>en</strong>s actifs (DCPFC <strong>et</strong> MAPFC) effectuée, nous nous sommes attachés àla réalisation d’un banc d’essai perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> réaliser un réseau maillé « minimal » possédanttrois barres <strong>de</strong> distribution HVDC liées <strong>en</strong>tre elles par <strong>de</strong>s DCPFC. Le Chapitre IV comm<strong>en</strong>cepar la prés<strong>en</strong>tation <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te plateforme d’essai, notamm<strong>en</strong>t les moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong> gestion choisis pourréaliser les essais.La secon<strong>de</strong> partie plus conséqu<strong>en</strong>te traite d’une gestion énergétique générique basée surl’utilisation conjointe d’un système expert <strong>et</strong> d’un algorithme <strong>de</strong> recherche d’un flot maximalà coût minimal. En eff<strong>et</strong>, les modèles électriques se révélant peu adaptés pour gérer l’énergieélectrique, nous utilisons une modélisation du réseau sous forme <strong>de</strong> graphe. Ceci nous perm<strong>et</strong><strong>en</strong>suite <strong>de</strong> développer un algorithme basé sur c<strong>et</strong>te modélisation perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> déterminer lesflots <strong>de</strong> puissance à transférer à travers les DCPFC pour pouvoir disposer d’un réseau mailléoptimisé d’un pont <strong>de</strong> vue énergétique. En revanche, c<strong>et</strong> algorithme se révèle peu adapté pourperm<strong>et</strong>tre la reconfiguration du réseau. Pour cela, nous utilisons un système à base <strong>de</strong>connaissance basé sur le langage CLIPS perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> définir les mo<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>tavant d’utiliser l’algorithme <strong>de</strong> recherche <strong>de</strong> flot pour définir les puissances à transm<strong>et</strong>tre. Lechapitre se termine par la validation expérim<strong>en</strong>tale <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te gestion sur notre plateformed’essai.La <strong>de</strong>rnière étape <strong>de</strong> ce travail a consisté à adapter les concepts développés <strong>et</strong> validés ici à unréseau embarqué aéronautique. La première partie du chapitre traite <strong>de</strong> la comparaison d’unearchitecture <strong>de</strong> référ<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> type arboresc<strong>en</strong>te avec un réseau dont le maillage serait assurépar <strong>de</strong>s structures MAPFC <strong>en</strong> lieu <strong>et</strong> place <strong>de</strong>s moteurs ECS assurant le conditionnem<strong>en</strong>t d’airélectrique. Le choix d’appliquer nos concepts à ces machines <strong>de</strong> fortes puissances à l’échelledu réseau n’est pas anodin, puisqu’elles correspond<strong>en</strong>t aux équipem<strong>en</strong>ts paraissant les plusadaptés à la mise <strong>en</strong> application du MAPFC. Dans c<strong>et</strong>te comparaison, nous évaluons les gains<strong>en</strong> termes <strong>de</strong> masse. Le bilan final est légèrem<strong>en</strong>t à l’avantage du réseau maillé, même si legain global est limité. De plus, le gain <strong>en</strong> dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> la machine peut êtreavantageux avec un MAPFC <strong>et</strong> mériterait d’être quantifié plus précisém<strong>en</strong>t « au niveau185
équipem<strong>en</strong>tier ». Au final, le gain est principalem<strong>en</strong>t fonctionnel puisque les MAPFCperm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t d’<strong>en</strong>visager l’ajout d’une fonction « No-Break HVDC » qui perm<strong>et</strong>trait <strong>de</strong>maint<strong>en</strong>ir les t<strong>en</strong>sions <strong>de</strong> bus lors <strong>de</strong>s reconfigurations normales du réseau. Ceci est à l’heureactuelle non <strong>en</strong>visagé sur les réseaux <strong>de</strong> distribution classique.Dans le Chapitre V, le problème <strong>de</strong> la connexion d’un li<strong>en</strong> actif sur un réseau embarqué aaussi fait l’obj<strong>et</strong> d’une étu<strong>de</strong> détaillée. Il <strong>en</strong> ressort principalem<strong>en</strong>t que le schéma TN-C avecconnexion du neutre <strong>de</strong>s générateurs à la « terre », solution actuellem<strong>en</strong>t utilisée pour laprotection du réseau dans les avions est perturbé par les li<strong>en</strong>s actifs. En eff<strong>et</strong>, les li<strong>en</strong>sperm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t au courant <strong>de</strong> circuler à travers les neutres <strong>de</strong>s générateurs dans la « terre » <strong>de</strong>l’avion, ce qui empêche la protection correcte <strong>de</strong>s équipem<strong>en</strong>ts. Plusieurs solutions <strong>en</strong> terme<strong>de</strong> topologies perm<strong>et</strong>t<strong>en</strong>t d’<strong>en</strong>visager uns issue à ce problème.Il ressort <strong>de</strong> c<strong>et</strong>te étu<strong>de</strong> une meilleure compréh<strong>en</strong>sion <strong>de</strong>s phénomènes liés à une distributionhaute t<strong>en</strong>sion continue ainsi que <strong>de</strong> nouvelles possibilités <strong>en</strong> termes <strong>de</strong> gestion énergétiquebasées sur une modélisation appropriée <strong>et</strong> perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong> gérer <strong>de</strong>s architectures intégrant d<strong>en</strong>ouveaux équipem<strong>en</strong>ts électroniques <strong>de</strong> puissance assurant la réalisation <strong>de</strong> nouvellesfonctions. Il faut noter que les techniques <strong>de</strong> gestion <strong>de</strong> l’énergie à partir <strong>de</strong> la théorie <strong>de</strong>sgraphes <strong>et</strong> <strong>de</strong> reconfigurations du réseau à l’ai<strong>de</strong> d’un système expert sont génériques <strong>et</strong> apriori applicables dans <strong>de</strong>s contextes diversifiés.Dans le même ordre d’idée, il va <strong>de</strong> soi que les concepts <strong>de</strong> li<strong>en</strong>s actifs, perm<strong>et</strong>tant <strong>de</strong>séchanges <strong>de</strong> puissance bidirectionnels maîtrisés, sont égalem<strong>en</strong>t applicables au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong>sréseaux aéronautiques <strong>et</strong> peuv<strong>en</strong>t trouver place dans d’autres secteurs, notamm<strong>en</strong>t dans lesréseaux embarqués terrestres <strong>et</strong> navals où les contraintes <strong>de</strong> connexion <strong>de</strong> neutre sontdiffér<strong>en</strong>tes. De même, à l’issue <strong>de</strong> ce travail, nous p<strong>en</strong>sons que le maillage d’un réseauembarqué, à l’instar <strong>de</strong> l’architecture du réseau <strong>de</strong> transport électrique, doit apporter <strong>de</strong>s gains<strong>en</strong> terme <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t système <strong>et</strong> <strong>de</strong> disponibilité énergétique globale, <strong>en</strong> particulierdans <strong>de</strong>s secteurs où les contraintes <strong>de</strong> ségrégation sont différ<strong>en</strong>tes <strong>et</strong> moins drastiques qu’<strong>en</strong>aéronautique.Au-<strong>de</strong>là <strong>de</strong>s ces conclusions, l’approche prés<strong>en</strong>tée dans ce manuscrit peut être complétée par<strong>de</strong>s étu<strong>de</strong>s approfondies sur plusieurs points :- La masse du DCPFC <strong>en</strong> fait un élém<strong>en</strong>t difficile à embarquer dans un avion.Cep<strong>en</strong>dant, l’utilisation actuelle <strong>de</strong> protections intellig<strong>en</strong>tes que sont les SSPCpourrait perm<strong>et</strong>tre <strong>de</strong> réaliser une « fonction DCPFC » locale, notamm<strong>en</strong>t sur <strong>de</strong>sp<strong>et</strong>ites charges critiques alim<strong>en</strong>tées <strong>en</strong> continu ;- L’étu<strong>de</strong> du MAPFC se limitait à une validation fonctionnelle. L’étape suivantepourrait être <strong>de</strong> réaliser une étu<strong>de</strong> plus quantitative visant l’optimisation dudim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t système dans le cadre d’une application <strong>de</strong> type moteur ECS. Lapertin<strong>en</strong>ce du couplage <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux MAPFC sans fils <strong>de</strong> r<strong>et</strong>our (solution proposée auchapitre V), perm<strong>et</strong>tant d’assurer les chemins aller r<strong>et</strong>our <strong>de</strong>s courantshomopolaires doit aussi être analysée plus finem<strong>en</strong>t ;- Une étu<strong>de</strong> systémique, spécifiquem<strong>en</strong>t ori<strong>en</strong>tée vers la disponibilité énergétique auniveau réseau, perm<strong>et</strong>trait <strong>de</strong> compléter notre approche. Il serait intéressant <strong>de</strong>comparer sous ce critère différ<strong>en</strong>tes architectures, certaines arboresc<strong>en</strong>tes <strong>et</strong>d’autres largem<strong>en</strong>t maillées <strong>en</strong> faisant abstraction <strong>de</strong>s contraintes <strong>de</strong> ségrégationliées au domaine aéronautique ;- Lors <strong>de</strong> la mise <strong>en</strong> œuvre <strong>de</strong>s algorithmes <strong>de</strong> gestion énergétique, nous sommesrestés aussi générique que possible, ce qui perm<strong>et</strong> d’<strong>en</strong>visager d’appliquer c<strong>et</strong>temétho<strong>de</strong> pour tous types <strong>de</strong> réseau.186
- Enfin, la connaissance « capitalisée » dans le domaine <strong>de</strong> la distribution HVDCperm<strong>et</strong> d’<strong>en</strong>visager <strong>de</strong> nouvelles architectures électriques dont les équipem<strong>en</strong>tsserai<strong>en</strong>t principalem<strong>en</strong>t pilotés par électronique <strong>de</strong> puissance <strong>et</strong> <strong>de</strong> contrôle dans lebut <strong>de</strong> rationaliser l’énergie consommée dans les réseaux aéronautiques.187
Annexe ACaractéristiques électriques du DCPFCA.1 Caractéristiques <strong>de</strong> la partie comman<strong>de</strong>Paramètre Valeur Unité DescriptionWc_I 600*2π rad Pulsation <strong>de</strong> coupure <strong>de</strong> la régulation <strong>de</strong> courantWc_V 60*2π rad Pulsation <strong>de</strong> coupure <strong>de</strong> la régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionMf_I 60 <strong>de</strong>g Marge <strong>de</strong> phase choisie pour la régulation <strong>de</strong> courantMf_V 60 <strong>de</strong>g Marge <strong>de</strong> phase choisie pour la régulation <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionFc_filtre_I 2000 Hz Fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> coupure du filtre <strong>de</strong> la mesure <strong>de</strong> courantFc_filtre_V 400 Hz Fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> coupure du filtre <strong>de</strong> la mesure <strong>de</strong> t<strong>en</strong>sionA.2 Caractéristiques <strong>de</strong> la partie puissanceParamètre Valeur Unité DescriptionFd 10000 Hz Fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> découpage <strong>de</strong>s IGBTsL 5,6 mH Inductance placée du côté basse t<strong>en</strong>sionRl 0,2916 Ohm Résistance <strong>de</strong> l'inductanceC 1,2 mF Capacité placée sur la partie HVDC
191
Annexe BCaractéristiques électriques du MAPFCB.1 Caractéristiques <strong>de</strong> la partie comman<strong>de</strong>Paramètre Valeur Unité DescriptionWc_I 666*2π rad Pulsation <strong>de</strong> coupure <strong>de</strong> la régulation <strong>de</strong> courantWc_W 50*2π rad Pulsation <strong>de</strong> coupure <strong>de</strong> la régulation <strong>de</strong> vitesseKsi_I 0,7 - Coeffici<strong>en</strong>t d’amortissem<strong>en</strong>t choisi pour la régulation <strong>de</strong> courantKsi_W 0,7 - Coeffici<strong>en</strong>t d’amortissem<strong>en</strong>t choisi pour la régulation <strong>de</strong> vitesseB.2 Caractéristiques <strong>de</strong> la partie puissanceParamètre Valeur Unité DescriptionFd 20000 Hz Fréqu<strong>en</strong>ce <strong>de</strong> découpage <strong>de</strong>s onduleursC 1.2 mF Capacité placée sur la partie HVDCKe 1,31767606 V / (rad/s) Constante <strong>de</strong> femLs 0,0078 H Inductance d'une phase vue <strong>en</strong> sortie <strong>de</strong> l'onduleurRs 0,413 Ohm Résistance d'une phase vue <strong>en</strong> sortie <strong>de</strong> l'onduleurNp 4 - Nombre <strong>de</strong> paires <strong>de</strong> pôlesJm 4,20E-03 kg.m2 Inertie <strong>de</strong> la machineFm 1,30E-05 Nm/rad/s Coeffici<strong>en</strong>t <strong>de</strong> frottem<strong>en</strong>t visqueux <strong>de</strong> la machineKc 1,81 Nm/A Coeffici<strong>en</strong>t <strong>de</strong> coupleCfs 1,00E-02 Nm Couple <strong>de</strong> frottem<strong>en</strong>t sec
193
Annexe CPrise <strong>en</strong> compte du déséquilibre <strong>de</strong>st<strong>en</strong>sions <strong>de</strong> bus dans la comman<strong>de</strong> duMAPFC.Afin d’expliquer le principe <strong>de</strong> comp<strong>en</strong>sation utilisé dans le MAPFC, nous raisonnons sur unéchange énergétique <strong>en</strong>tre un bras appart<strong>en</strong>ant à l’onduleur <strong>de</strong> gauche <strong>et</strong> son équival<strong>en</strong>t surl’onduleur <strong>de</strong> droite. Nous utilisons les notations prés<strong>en</strong>tées sur la figure III.20VGbus T 1UO GD O’L sT 3VDbus T 2MT 4figure C.24 : échange énergétique <strong>en</strong>tre un bras <strong>de</strong> chaque onduleurSi l’on considère la t<strong>en</strong>sion U, on peut l’exprimer <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>s t<strong>en</strong>sions <strong>en</strong> sortie <strong>de</strong>s bras :UUG DGM − U DM = αG .V − αbus D .V bus= (C-12)D’une autre façon, il est possible d’écrire c<strong>et</strong>te t<strong>en</strong>sion par rapport au point milieu capacitif dubus gauche (le pot<strong>en</strong>tiel <strong>de</strong> O) :U U GO − U DO = U GO − U DO' + U OO'= (C-13)Si l’on écrit alors l’expression <strong>de</strong>s t<strong>en</strong>sions <strong>en</strong> sortie <strong>de</strong>s bras d’onduleur <strong>en</strong> fonction <strong>de</strong>srapports cycliques, on obti<strong>en</strong>t les relations suivantes :U GO =U DO' =( 2α−1 ).G( 2α−1 ).DVGbus2VDbus2(C-14)En égalisant alors les relations (C-12)<strong>et</strong> (C-13), on peut donner l’expression <strong>de</strong> U OO’ :194
1U = ⎜⎛ G− VD⎟⎞OO' . V2 ⎝ bus bus(C-15)⎠Ainsi, pour comp<strong>en</strong>ser ce décalage (qui n’apparaît qu’<strong>en</strong> cas <strong>de</strong> déséquilibre), il est possible<strong>de</strong> v<strong>en</strong>ir r<strong>et</strong>rancher la moitié <strong>de</strong> U OO’ à U GO <strong>et</strong> d’ajouter c<strong>et</strong>te même quantité à U DO’ . C’est ceque nous faisons dans la comman<strong>de</strong> du MAPFC. Ceci possè<strong>de</strong> égalem<strong>en</strong>t comme avantage d<strong>en</strong>e pas <strong>de</strong>voir faire <strong>de</strong> test conditionnel sur les gran<strong>de</strong>urs <strong>de</strong> sortie <strong>et</strong> donc <strong>de</strong> comp<strong>en</strong>ser <strong>en</strong>perman<strong>en</strong>ce le déséquilibre.195
Annexe DSynthèse <strong>de</strong>s points <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t duMAPFC testés expérim<strong>en</strong>talem<strong>en</strong>tChaque <strong>ligne</strong> du tableau correspond à un essai statique du MAPFC.<strong>Les</strong> <strong>de</strong>ux premières colonnes donn<strong>en</strong>t le mo<strong>de</strong> <strong>de</strong> pilotage <strong>de</strong>s machines synchrones <strong>et</strong>asynchrones (<strong>en</strong> couple ou <strong>en</strong> vitesse).Le quadrant 0 correspond au point <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t à couple nul <strong>et</strong> vitesse nulle.<strong>Les</strong> cellules vertes montr<strong>en</strong>t les référ<strong>en</strong>ces à regar<strong>de</strong>r plus particulièrem<strong>en</strong>t alors que lescellules bleues montr<strong>en</strong>t les résultats intéressants.Référ<strong>en</strong>cesMesuresMo<strong>de</strong>MSMo<strong>de</strong>MASQuadrantΩ _ref(tr.min-1)C_ref(Nm)Ih ref(A)Xact_refΩ _mes(tr.min-1)C_mes(Nm)Pméca mes(kW)Pmapfc G(kW)Pmapfc D(kW)Pmapfc totale(kW)P transmise(kW)V C 0 0 0 0 0,5 75 0,3 0,00 -0,18 0,02 -0,16 0,20C V 0 0 0 0 0,5 25 0,4 0,00 -0,18 0,03 -0,16 0,21C V 1 2500 20 0 0,5 2455 -26,6 -6,84 -3,39 -3,31 -6,70 0,08C V 2 -2500 20 0 0,5 -2425 -37,8 9,60 2,50 2,65 5,15 0,15C V 3 -2500 -20 0 0,5 -2425 24,6 -6,25 -3,25 -3,20 -6,45 0,05C V 4 2500 -20 0 0,5 2450 36 9,24 2,50 2,68 5,18 0,18V C 4 2500 20 0 0,5 2603 17,5 4,77 1,85 2,03 3,88 0,18V C 3 -2500 20 0 0,5 -2470 17,5 -4,53 -2,88 -2,75 -5,63 0,13V C 2 -2500 -20 0 0,5 -2460 -17,2 4,43 1,76 1,95 3,71 0,19V C 1 2500 -20 0 0,5 2600 -17,2 -4,68 -2,98 -2,85 -5,83 0,13C V 0 0 0 5 0,5 24 0 0,00 -2,58 2,28 -0,30 4,86C V 0 0 0 -5 0,5 13 1,5 0,00 2,06 -2,38 -0,32 -4,44C V 1 2500 20 0 0,05 2455 -28,3 -7,28 -0,58 -6,85 -7,43 -6,27C V 1 2500 20 0 0,95 2455 -27,4 -7,04 -6,87 -0,38 -7,25 6,49V C 1 2500 -20 0 0,05 2604 -17,24 -4,70 -0,58 -5,78 -6,36 -5,20V C 1 2500 -20 0 0,95 2603 -17,2 -4,69 -5,85 -0,38 -6,23 5,47C V 4 2500 -20 0 0,05 2450 32,9 8,44 0,62 4,15 4,77 3,53C V 4 2500 -20 0 0,95 2450 32,5 8,34 3,88 0,85 4,73 -3,03V C 4 2500 20 0 0,05 2600 17,5 4,76 0,89 2,65 3,54 1,76V C 4 2500 20 0 0,95 2600 17,5 4,76 2,38 1,07 3,45 -1,31C V 1 2500 20 5 0,5 2450 -24,8 -6,36 -5,92 -0,77 -6,69 5,15C V 1 2500 20 -5 0,5 2450 -24,8 -6,36 -0,89 -5,82 -6,71 -4,93V C 1 2500 -20 5 0,5 2600 -17,2 -4,68 -5,54 -0,31 -5,85 5,23V C 1 2500 -20 -5 0,5 2600 -17,2 -4,68 -0,42 -5,54 -5,96 -5,12C V 4 2500 -20 5 0,5 2450 33,2 8,52 -0,12 5,18 5,06 5,30C V 4 2500 -20 -5 0,5 2450 33 8,47 4,95 0,05 5,00 -4,90V C 4 2500 20 5 0,5 2600 17,5 4,76 -0,82 4,55 3,73 5,37V C 4 2500 20 -5 0,5 2600 17,5 4,76 4,35 -0,65 3,70 -5,00Tableau D-5 : résumé <strong>de</strong>s différ<strong>en</strong>ts points <strong>de</strong> fonctionnem<strong>en</strong>t du MAPFC198
199
Annexe ECaractéristiques du système dSpaceCarte DS1005 :Carte contrôleur perm<strong>et</strong>tant le fonctionnem<strong>en</strong>t temps réelPower PC 750GX, 128 Mo SDR. Système multiprocesseur possible ;2 Cartes DS-2004 :2*16 <strong>en</strong>trées analogiques 16 bits ;Acquisition simultanée <strong>de</strong>s <strong>en</strong>trées <strong>en</strong> 800 ns ;1 Carte DS-2103 :32 sorties analogiques 14 bits, mise à jour simultanée <strong>en</strong> 10 µs ;2 Cartes DS-4003 :Entrées <strong>et</strong> sorties digitales « l<strong>en</strong>tes »2*96 voies 5V/TTL/CMOS avec courant élevé 24 mA ;1 Carte DS-4002 :Entrées <strong>et</strong> sorties digitales « rapi<strong>de</strong>s »32 <strong>en</strong>trées/sorties numérique, 8 timing I/O ;1 Châssis PX-20 :19 emplacem<strong>en</strong>ts, alim<strong>en</strong>tation 450W.
201
Annexe FSchémas électriques du banc d’essai HVDCF.1 Partie puissance du banc d’essaifigure F.25 : schéma électrique <strong>de</strong> la partie puissance du banc d’essai202
F.2 Partie comman<strong>de</strong> du banc d’essaifigure F.26 : schéma électrique <strong>de</strong> la partie comman<strong>de</strong> globale du banc d’essaifigure F.27 : exemple <strong>de</strong> schéma électrique <strong>de</strong> la partie comman<strong>de</strong> d’un cœur électrique203
F.3 Parties puissance <strong>et</strong> comman<strong>de</strong> <strong>de</strong>s générateursfigure F.28 : schéma électrique <strong>de</strong> la partie puissance <strong>de</strong>s générateursfigure F.29 : schéma électrique <strong>de</strong> la partie comman<strong>de</strong> <strong>de</strong>s générateurs204
BibliographieBAR08BAR05BAU07 1BAU07 2BAU05BEN06BRU05CHO90COU08COU05Barrado, A & Izquierdo, D & Raga, C & Lazaro, A & Sanz, MSSPC Mo<strong>de</strong>l with Variable Res<strong>et</strong> Time, Environm<strong>en</strong>tal TemperatureComp<strong>en</strong>sation and Thermal Memory Effect, 2008Barruel, FAnalyse <strong>et</strong> conceptions <strong>de</strong>s systèmes embarqués - Application aux réseaux <strong>de</strong>bord d'avionInstitut National Polytechnique <strong>de</strong> Gr<strong>en</strong>oble, 2005Baumann, C & Piqu<strong>et</strong>, H & Roboam, XA novel structure for aeronautic DC distribution : the Mixed function forActuation & Power Flow Control (MAPFC)IEEE Electrical Machine & Drive Confer<strong>en</strong>ce, 2007Baumann, C & Regnier, J & Piqu<strong>et</strong>, H & Roboam, XArchitecture <strong>de</strong>s réseaux électriques continus <strong>en</strong> aéronautique : vers <strong>de</strong>s réseauxmaillés à forte disponibilité énergétiqueRevue Internationale du Génie Electrique, 2007Baumann, C.MAPFC : Mixed function for Actuation & Power Flow ControlEcole Nationale Supérieure d'Electrotechnique, Electronique, Informatique,Hydraulique <strong>et</strong> Télécomunications, 2005B<strong>en</strong> Ahmed, H & Bernard, N. &Feld, G. & Multon, BMachines synchrones - Modélisation <strong>en</strong> régime perman<strong>en</strong>tTechniques <strong>de</strong> l'ingénieur, Dossier D3521, 2006Bru, EContribution à la définition <strong>et</strong> à la mise <strong>en</strong> œuvre d'un mini réseau iloté pour laproduction <strong>et</strong> le stockage d'énergie déc<strong>en</strong>traliséInstitut National Polytechnique <strong>de</strong> Toulouse, 2005Chowdhury, B. & Rahman, S.A review of rec<strong>en</strong>t advances in economic dispatchIEEE Transactions on Power Systems, 1990Cou<strong>de</strong>rc, MContribution à l'élaboration d'une méthodologie générale <strong>de</strong> conception <strong>de</strong>smachines à aimants perman<strong>en</strong>ts à haute vitesseInstitut National Polytechnique <strong>de</strong> Toulouse, 2008Courault, JComparaison <strong>de</strong>s réseaux alternatifs <strong>et</strong> continus du point <strong>de</strong> vue <strong>de</strong> leurstabilisation - Régimes transitoires pollution harmonique206
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