Introduction
Le fonctionnement en parallèle des transformateurs permet de répartir la puissance de manière flexible et de disposer de réserves en cas de panne. Les transformateurs à changeurs de prises nécessitent une régulation coordonnée de la tension afin que des tensions à vide différentes ne provoquent pas de courants réactifs de circulation indésirables. Des régulateurs numériques, tels que le système de régulation de tension librement programmable REGSys®, assurent cette tâche avec une grande qualité de régulation.
En bref : en fonctionnement en parallèle, les régulateurs doivent tenir compte à la fois de la tension du jeu de barres et de la charge des transformateurs concernés. REGSys® propose pour cela les méthodes maître-esclave, maître-suiveur, ΔIsinϕ, ΔIsinϕ(S) et Δcosϕ.
La pièce maîtresse du système de régulation de tension REGSys® (figure 1) est le régulateur de tension REG-D®. Outre la fonction de régulation proprement dite, il assure des fonctions de mesure, d’enregistrement et de statistiques. Les utilisateurs paramètrent le régulateur soit à partir de son clavier, soit sur PC à l’aide du logiciel WinREG à navigation par menus. Les interfaces de communication sont particulièrement importantes pour le fonctionnement en parallèle. Le bus de régulateurs E-LAN à double interface (interface RS485) permet l’échange de données entre jusqu’à 255 régulateurs. Il rend ainsi inutiles des équipements de mesure supplémentaires ou des unités de commande parallèle coûteuses.
Les interfaces série COM 1, COM 2 (RS232) et COM 3 (RS485) relient les PC, les modems, les modules d’interface supplémentaires et les systèmes de contrôle-commande de niveau supérieur. Des entrées et sorties analogiques et binaires prennent en charge de nombreuses fonctions de mesure et de commande autour du transformateur. Elles permettent notamment de transmettre la position des prises ou de commuter une valeur de consigne. La figure 2 présente les possibilités d’extension du système jusqu’à la régulation des bobines de Petersen et à la localisation des défauts à la terre.
Points essentiels sur le fonctionnement en parallèle des transformateurs
- Des tensions à vide différentes peuvent provoquer des courants réactifs de circulation importants, car les impédances des transformateurs sont faibles.
- Les méthodes maître-esclave et maître-suiveur régulent des positions de prises identiques et conviennent particulièrement aux transformateurs de même type.
- Les méthodes ΔIsinϕ et ΔIsinϕ(S) déterminent le courant réactif de circulation à partir des courants réactifs mesurés ; ΔIsinϕ(S) tient aussi compte des puissances nominales.
- La méthode Δcosϕ fonctionne sans liaison E-LAN et sert de programme de secours dans le REG-D® en cas de défaut de communication.
Fonctionnement en parallèle de transformateurs à changeurs de prises avec REGSys®
La régulation d’un seul transformateur est facile à maîtriser. Les conditions deviennent toutefois plus complexes en fonctionnement en parallèle. Plusieurs transformateurs peuvent se partager la puissance nécessaire et fournir une réserve en cas de panne. Lorsque plusieurs départs doivent être alimentés, l’exploitant peut raccorder les transformateurs en parallèle à différents jeux de barres selon les besoins. L’installation peut ainsi couvrir les pointes de puissance avec souplesse.
La figure 3 représente la mise en parallèle de n transformateurs sous forme de schéma équivalent et montre pourquoi le fonctionnement en parallèle exige des précautions particulières. Si la tension motrice u1 est supérieure à u2 jusqu’à ux, les courants de circulation iKr2 jusqu’à iKrx apparaissent. Leur valeur dépend des impédances de court-circuit Zk1 jusqu’à Zkx et des différences entre les tensions à vide u1 – u2 jusqu’à u1 – ux. Les impédances des transformateurs sont généralement très faibles. Des transformateurs présentant des rapports de transformation différents peuvent donc conduire des courants de circulation importants, susceptibles de les surcharger ou au moins de répartir la charge de manière défavorable. Les équations suivantes illustrent ces relations :
iT1 = i1 + iKr2 + … + iKrx (1) iT2 = i2 – iKr2 (2) iTx = ix – iKrx (3)
Pourquoi les courants réactifs de circulation compliquent-ils la régulation ?
L’exemple montre que tous les courants de circulation chargent davantage le transformateur T1, tandis que le courant de circulation correspondant soulage chacun des autres transformateurs. Les impédances des transformateurs étant fortement inductives et leur composante active négligeable, ces courants sont également appelés courants réactifs de circulation.
La régulation de tension perd également en sensibilité, car une modification des tensions à vide individuelles u1 jusqu’à ux n’influence que partiellement la tension totale du jeu de barres. Si les impédances Zk1 jusqu’à Zkx sont égales et que la régulation modifie un transformateur de Δux, la relation suivante s’applique :
u’tot = utot + Δux / n (4)
L’équation (4) montre qu’avec trois transformateurs connectés en parallèle (n = 3) et des impédances identiques, une variation de tension sur un seul transformateur n’agit que pour un tiers sur la tension du jeu de barres. Cette situation complique fortement la régulation de tension. Si des transformateurs sur une prise trop élevée compensent des transformateurs sur une prise trop basse, la tension du jeu de barres peut être correcte alors que des courants de circulation continuent de circuler. La régulation parallèle doit donc utiliser des grandeurs de mesure supplémentaires.
Méthodes de régulation pour le fonctionnement en parallèle
Programmes REG-D® et domaines d’application
REG-D® utilise deux groupes fondamentalement différents de méthodes de régulation. Les méthodes maître-esclave et maître-suiveur régulent la tension et les positions de prises. Les méthodes ΔIsinϕ, ΔIsinϕ(S) et Δcosϕ tiennent également compte du courant réactif de circulation. Le tableau 1 et la figure 8 comparent les applications et les conditions de ces méthodes.
| Méthode | Principe et application |
|---|---|
| Maître-esclave | Un maître transmet les ordres de prise et les esclaves les suivent. La méthode convient particulièrement aux transformateurs de même type. |
| Maître-suiveur | Le suiveur lit la position de prise du maître via E-LAN et corrige de manière autonome une différence initiale de prises. |
| ΔIsinϕ | La méthode détermine le courant réactif de circulation à partir des courants réactifs mesurés et répartit uniformément le courant réactif de consigne. |
| ΔIsinϕ(S) | Le calcul tient également compte des puissances nominales afin de répartir le courant réactif proportionnellement aux puissances des transformateurs. |
| Δcosϕ | La méthode ne nécessite aucune liaison bus et convient aux réseaux fortement maillés ainsi qu’au fonctionnement de secours après une défaillance E-LAN. |
Méthodes maître-esclave et maître-suiveur
Ces méthodes amènent les transformateurs à des positions de prises identiques. Avec la méthode maître-esclave, un régulateur assure la conduite et les autres suivent ses ordres de prise. Avec la méthode maître-suiveur, le suiveur lit la position de prise du maître via E-LAN et se place de manière autonome sur la même position. Une différence de prises volontaire présente au début reste inchangée avec la méthode maître-esclave. La méthode maître-suiveur corrige en revanche cette différence.
Les deux méthodes conviennent particulièrement aux transformateurs de même type. Elles peuvent aussi piloter des transformateurs de puissances nominales différentes. Dans ce cas, des positions de prises identiques doivent produire des rapports de transformation identiques et donc des tensions à vide identiques. Pour obtenir de bons résultats de régulation, les tensions de court-circuit relatives des transformateurs ne doivent pas différer de plus de 10 %.
Méthodes basées sur le courant réactif de circulation
Ces méthodes déterminent le courant réactif de circulation à partir des courants mesurés aux entrées des transformateurs. Elles le réduisent ensuite par une modification ciblée des positions de prises.
Méthode ΔIsinϕ
Une simple mesure du courant réactif du transformateur ne suffit pas pour déterminer le courant réactif de circulation. Une charge inductive peut également générer un courant réactif (voir ix dans la figure 3). Avec deux transformateurs en parallèle, le courant réactif de circulation correspond à la moitié de la différence entre les deux courants réactifs mesurés. Le calcul élimine la composante due à la charge. Avec plusieurs transformateurs, la méthode additionne tous les courants réactifs et divise le total par le nombre de transformateurs. Le résultat correspond au courant réactif que chaque transformateur devrait fournir pour couvrir les besoins en puissance réactive de la charge. Selon la figure 3 :
iL,tot = iT1 + iT2 + … + iTx (5)
En insérant les équations (1) à (3) dans l’équation (5), on obtient :
iL,tot = i1 + iKr2 + … + iKrx + i2 - iKr2 + ix - iKrx (6)
Tous les courants de circulation s’annulent dans l’équation (6). Il en résulte :
iL,tot = i1 + i2 + … + ix (7)
Les relations des équations (5), (6) et (7) s’appliquent également aux composantes réactives IQx. L’addition des courants réactifs des transformateurs donne le courant réactif total de la charge (voir figure 4).
Calcul du courant réactif de consigne
Pour déterminer le courant réactif de consigne par transformateur, la méthode divise le courant réactif total par le nombre n de transformateurs. Chaque transformateur devrait fournir cette valeur de consigne afin de couvrir les besoins en puissance réactive des charges. Le courant réactif de circulation iKrQx d’un transformateur correspond donc à la différence entre le courant réactif mesuré et le courant réactif de consigne :
iKrQx = iQx - (iQ,tot · 1/n) (8) iKrQx : courant réactif de circulation du transformateur n° x iQx : composante réactive du courant du transformateur n° x iQ,tot : composante réactive du courant total de tous les transformateurs
Méthode ΔIsinϕ(S)
La méthode ΔIsinϕ(S) complète la méthode ΔIsinϕ en tenant compte des puissances nominales des transformateurs. Cette information supplémentaire permet de répartir le courant réactif selon les puissances nominales respectives (voir figure 5) :
iKrQx = iQx - (iQ,tot · Sx/Stot) (9) avec : Sx : puissance nominale du transformateur n° x Stot : puissance nominale totale de tous les transformateurs
Méthode Δcosϕ
La méthode Δcosϕ occupe une place particulière parmi les méthodes de régulation parallèle. Lorsque plusieurs transformateurs alimentent un réseau fortement maillé, les régulateurs peuvent ne pas pouvoir communiquer via E-LAN. Ils ne peuvent alors ni échanger les valeurs de courant réactif ni calculer le courant réactif de circulation à partir de ces valeurs. L’exploitant définit d’abord le facteur de puissance cosϕ du réseau comme valeur de consigne. À partir de la tension du jeu de barres et du courant du transformateur, le régulateur calcule le courant réactif qui apparaîtrait si le cosϕ du transformateur correspondait à celui du réseau. Si le courant réactif réel est plus élevé, le régulateur place le transformateur sur une prise plus basse. S’il est plus faible, il le place sur une prise plus haute. Le courant réactif de circulation se calcule comme suit (voir figure 6) :
iKrQx = iTxsinϕist - iTxsinϕsoll (10)
Intégration à la régulation de tension
La régulation de tension seule ne suffit pas pour des transformateurs fonctionnant en parallèle. La régulation du courant réactif de circulation se superpose donc à la régulation de tension afin de limiter les courants indésirables (figure 7). Les grandeurs de réglage YU et YP sont les suivantes :
YU = (Uist – Usoll) / ΔUzul (11) YP = IKrQx / IKrQzul (12) avec : Uist : valeur réelle de la tension efficace Usoll : valeur de consigne de la tension efficace ΔUzul : écart de régulation admissible IKrQzul : courant réactif de circulation admissible
Détermination des ordres de réglage
La grandeur de réglage résultante Y est définie par :
Y = YU + YP (13)
L’équation (13) détermine les ordres de prise. Pour Y > +1,0, le régulateur déclenche l’ordre DESCENDRE ; pour Y < -1,0, il déclenche l’ordre MONTER. Le régulateur ramène indépendamment la tension et le courant réactif de circulation dans leurs plages admissibles. Si la réduction du courant réactif de circulation devait modifier la tension au-delà de la plage admissible, l’ensemble des transformateurs en parallèle corrige cette déviation. Il ne subsiste donc aucun écart permanent de régulation de la tension.
Limitation de l’influence de la méthode Δcosϕ
La méthode Δcosϕ exerce également une influence particulière sur la régulation de tension. Si le cosϕ du réseau diffère de la valeur de consigne configurée, il influence la régulation. L’écart permanent ΔU dépend des angles de phase ϕsoll et ϕist, du courant apparent I, de l’écart de régulation admissible ΔUzul et du courant réactif de circulation admissible IKrQzul :
ΔU = ΔUzul · (sinϕsoll – sinϕist) · I / IKrQzul (14)
L’équation (16) montre comment limiter cette influence. Dans la figure 7, le paramètre b définit la valeur absolue maximale autorisée de YP.
|YP| < b (15)
L’écart permanent ΔU est ainsi limité à :
ΔU = b · ΔUzul (16)
Lorsque les charges varient fortement et modifient le cosϕ du réseau, une méthode auto-adaptative peut ajuster la valeur de consigne du cosϕ. Elle évite ainsi des écarts permanents de tension et des courants réactifs de circulation trop élevés.
Mesures de sécurité en cas de défaut de communication
Avec toutes les méthodes sauf Δcosϕ, les régulateurs participant à la connexion parallèle échangent les données nécessaires via E-LAN. La régulation doit rester fiable même si la liaison E-LAN est interrompue. Comme Δcosϕ fonctionne sans liaison bus, cette méthode sert de programme de secours. REG-D® intègre ce programme de secours en standard.
Pendant le fonctionnement normal avec ΔIsinϕ ou ΔIsinϕ(S), le régulateur mesure en continu le cosϕ du réseau. Après une défaillance du bus, il utilise la dernière valeur mesurée comme valeur de consigne et démarre la méthode Δcosϕ. Dès que la communication est rétablie, REG-D® revient à la méthode de régulation parallèle précédemment active.
Si la liaison bus échoue pendant le fonctionnement maître-esclave ou maître-suiveur, l’esclave revient automatiquement au mode de régulation individuelle et émet un message d’erreur.
Simulation du fonctionnement en parallèle avec REGSim
La figure 8 fournit une première indication théorique de la méthode de régulation parallèle adaptée à une installation. REGSim (figure 9) permet de simuler ces méthodes dans n’importe quelle configuration de transformateurs, de réseau et de charges. Le logiciel utilise les mêmes algorithmes de régulation que ceux implémentés dans le régulateur. Les utilisateurs peuvent paramétrer des valeurs telles que la tension nominale et l’impédance des transformateurs.
REGSim représente ainsi le système de régulation de tension REGSys® dans une situation d’installation concrète. Sans intervenir dans l’installation réelle, les utilisateurs peuvent étudier le comportement de la régulation dans des conditions extrêmes, comme des sauts de charge ou des défauts à la terre. Ils peuvent également estimer à l’avance la stabilité de la tension et le nombre de changements de prise. Le logiciel convient aussi à la formation.
Fonctionnement automatique en parallèle
Le ParaGramer (figure 10) facilite la préparation automatique des connexions parallèles et visualise en ligne les états de commutation. Il représente les transformateurs concernés, y compris les disjoncteurs, les sectionneurs ainsi que les couplages transversaux et longitudinaux, sous forme de schéma unifilaire. Chaque régulateur reçoit une représentation complète du jeu de barres par l’intermédiaire d’entrées binaires. À partir des états de commutation, le système reconnaît automatiquement quels transformateurs alimentent le même jeu de barres en parallèle. Il traite les jeux de barres reliés par des couplages transversaux comme un seul jeu de barres.
Dans la figure 10, les transformateurs T1 et T3 fonctionnent sur le jeu de barres a, tandis que le transformateur T2 alimente le jeu de barres b. ParaGramer peut également représenter des configurations de jeux de barres côté haute tension. Il permet ainsi de mettre en œuvre de manière fiable et avec peu d’efforts un grand nombre de connexions parallèles.
FAQ - Questions fréquentes sur le fonctionnement en parallèle des transformateurs
Pourquoi le fonctionnement en parallèle des transformateurs exige-t-il une régulation particulière ?
Des tensions à vide différentes peuvent provoquer des courants de circulation importants, car les impédances des transformateurs sont faibles. Une modification de prise sur un seul transformateur n’influence aussi que partiellement la tension commune du jeu de barres.
Qu’est-ce qu’un courant réactif de circulation dans des transformateurs ?
Un courant réactif de circulation résulte de différences entre les tensions à vide de transformateurs fonctionnant en parallèle. Comme leurs impédances sont principalement inductives, ces courants de circulation sont essentiellement réactifs.
Quand les méthodes maître-esclave et maître-suiveur conviennent-elles ?
Les deux méthodes conviennent particulièrement aux transformateurs de même type. Avec des puissances nominales différentes, des positions de prises identiques doivent produire des rapports de transformation identiques. Les tensions de court-circuit relatives ne doivent pas différer de plus de 10 %.
Quelle est la différence entre ΔIsinϕ et ΔIsinϕ(S) ?
ΔI sin ϕ répartit uniformément le courant réactif de consigne entre les transformateurs concernés. ΔI sin ϕ(S) tient également compte des puissances nominales et répartit le courant réactif proportionnellement à celles-ci.
Quand la méthode Δcosϕ est-elle adaptée ?
La méthode Δcosϕ convient lorsque les régulateurs d’un réseau fortement maillé ne peuvent pas communiquer via E-LAN. Dans REG-D®, elle sert aussi de programme de secours si la liaison bus tombe en panne pendant le fonctionnement avec ΔIsinϕ ou ΔIsinϕ(S).
Que se passe-t-il en cas de défaillance de la liaison E-LAN ?
Avec ΔIsinϕ ou ΔIsinϕ(S), le régulateur utilise le dernier cosϕ du réseau mesuré comme valeur de consigne et démarre Δcosϕ. Avec maître-esclave ou maître-suiveur, l’esclave revient en mode de régulation individuelle et émet un message d’erreur.
Comment REGSim aide-t-il à choisir une méthode de régulation parallèle ?
REGSim simule les transformateurs, le réseau et les charges avec les algorithmes de régulation implémentés dans le régulateur. Les utilisateurs peuvent étudier à l’avance les configurations d’exploitation, les situations extrêmes, la stabilité de la tension et le nombre de changements de prise.
