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Simulateur d’écoulement de puissance en régime triphasé par Antoine BEAUDRY MÉM

Simulateur d’écoulement de puissance en régime triphasé par Antoine BEAUDRY MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAÎTRISE AVEC MÉMOIRE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE M. Sc. A. MONTRÉAL, LE 11 OCTOBRE 2016 ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC ©Tous droits réservés, Antoine Beaudry, 2016 ©Tous droits réservés Cette licence signifie qu’il est interdit de reproduire, d’enregistrer ou de diffuser en tout ou en partie, le présent document. Le lecteur qui désire imprimer ou conserver sur un autre media une partie importante de ce document, doit obligatoirement en demander l’autorisation à l’auteur. PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Pierre-Jean Lagacé, directeur de mémoire Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Ambrish Chandra, président du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Maarouf Saad, examinateur Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Laurent Lenoir, examinateur externe Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) M. Serge Lefebvre, examinateur externe Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC «DATE» À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS J’aimerais premièrement remercier ma femme de m’avoir appuyé tout au long de mes études, et de m’avoir donné le courage de me rendre jusqu’au bout. Merci d’être toujours là pour moi, dans les bons comme dans les moins bons moments, et de m’avoir encouragé à persévérer au cours des quatre ans que j’ai passés à l’École de Technologie Supérieure. De plus, j’aimerais remercier Thierry Lavoie et Bruno Bigras de m’avoir aidé avec la programmation C++ pour l’intégration de la librairie KLU, ainsi que de m’avoir expliqué la base de la programmation lorsque j’ai fait la transition entre Python et C++. Ce geste m’a permis de sauver énormément de temps et d’énergie, et j’en serai toujours reconnaissant. Une autre personne que j’aimerais remercier est le professeur Pierre-Jean Lagacé. Vous avez été disponible tout au long de mon projet, et vous m’avez beaucoup aidé avec le développement de mon programme. Finalement, j’aimerais remercier mes parents qui ont toujours cru en moi, et qui m’ont toujours encouragé malgré les différentes embûches que j’ai rencontrées au cours de ma vie. Je suis convaincu que je n’aurais pas pu réussir sans vous. Enfin je veux dédier ce mémoire à l’ensemble des personnes énumérées ci-haut. À votre façon, vous m’avez tous et chacun aidé à réussir dans ce long processus scolaire. Merci pour tout ! SIMULATEUR D’ÉCOULEMENT DE PUISSANCE EN RÉGIME TRIPHASÉ Antoine BEAUDRY RÉSUMÉ Ce mémoire présente la conceptualisation d’un simulateur d’écoulement de puissance d’un réseau électrique triphasé tout en abordant l’intégration des dérivations monophasées, des transformateurs Yy comprenant les impédances de mise à la terre, des transformateurs Yd, des transformateurs monophasés et des transformateurs à changement de prises. Cela a pour but d’aider l’équipe de chercheurs de l’institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) à calculer l’écoulement de puissance d’un réseau de distribution associé au réseau de transport électrique. Pour ce faire, il faut premièrement expliquer comment construire un fichier de données permettant de lancer l’application. Par la suite, il faut démontrer comment installer les différentes librairies au cas où l’IREQ désirerait faire des modifications subséquentes dans les fichiers sources. Troisièmement, il faut faire la modélisation des différentes composantes afin de calculer de façon précise la matrice d’admittance Y du réseau triphasé complet. Une fois celle-ci calculée, et sachant que la puissance active des barres de génération, ainsi que la puissance active et réactive des barres de charge sont connues, il faut créer une matrice calculant les erreurs résiduelles des puissances active et réactive de ces barres (matrice F). Une fois cela fait, il faut calculer la matrice Jacobienne. Celle-ci fait la dérivation des puissances active et réactive de chaque barre par rapport au déphasage et à la tension. La prochaine étape consiste à expliquer deux méthodes itératives qui permettent de calculer les indices de rapprochement. Les valeurs finales des tensions du réseau seront trouvées à l’aide de ces indices. Ceci est fait tout et aussi longtemps que les erreurs résiduelles sont plus grandes que la valeur maximale exigée par le programme. Les deux méthodes utilisées sont les méthodes Newton-Raphson et Levenberg-Marquardt. Maintenant que le cœur du simulateur est expliqué, il faut intégrer la régulation de tension. Celle-ci permet de maintenir une ou plusieurs barres dans le réseau entre des valeurs spécifiques indiquées dans le fichier de données. L’avant-dernière étape de ce mémoire est d’expliquer comment lire le fichier de rapport qui est généré après chaque simulation. C’est ici que le simulateur intègre toutes les informations concernant le réseau, ainsi que la puissance distribuée dans l’ensemble de celui- ci. Finalement, la dernière étape est la validation du simulateur par rapport au prototype (Pierre-Jean Lagacé, 2011). Il y a plusieurs recommandations à faire afin d’aider à la convergence des résultats. Une d’entre elles consiste à faire l’implémentation d’une pondération avec la méthode Levenberg- Marquardt. Cela permettrait de résoudre les cas ayant un réseau de distribution connecté au réseau de transport, car sans pondération, la majorité des systèmes divergent, et ne sont pas capables de converger aux bons résultats. Mots-clés : Newton-Raphson, Levenberg-Marquardt, réseau triphasé, simulation POWER FLOW SIMULATOR FOR A THREE-PHASE ELECTRICAL GRID Antoine BEAUDRY ABSTRACT This thesis presents the conceptualization of a power flow simulator for a three-phase electrical grid while addressing the integration of single-phase bypasses, Yy transformers with ground impedances, Yd transformers, single-phase transformers and tap changing transformers. Its goal is to help the IREQ team to calculate the power flow of a distribution grid associated with a transmission grid. We must first explain how to build a data file which will launch the application. Then, we must demonstrate how to install the various data libraries in case the IREQ wishes to make subsequent changes in the source files. Thirdly, we must conduct the modeling of the various components in order to accurately calculate the admittance matrix Y of the complete three- phase grid. Once calculated, and knowing the active power of the generation bars, as well as the active and reactive power of the load bars, the simulator will create a matrix to solve the residual errors of the active and reactive power of these bars (matrix F). Once created, the Jacobian matrix is calculated. It calculates the derivation of the active and reactive powers for each bar with respect to the phase and voltage. The next step is to explain the two iterative methods that allow us to calculate the reconciliation indicators. The final values of the grid’s voltage will be found using these indicators. This will happen as long as the residual errors are larger than the maximum value required by the program. The two methods are the Newton-Raphson method and Levenberg-Marquardt method. Now that the central structure of the simulator is explained, we must integrate the voltage regulation. It allows us to maintain one or more bars in the grid between specific values indicated in the data file. The penultimate step of this thesis is to explain how to read the report file that is generated after each simulation. This is where the simulator incorporates all the information about the grid, as well as the power distributed throughout it. Lastly, we must do a validation of the simulator in comparison to the prototype (Pierre-Jean Lagacé, 2011). There are several recommendations to be made in order to help with the results convergence. One of these recommendations is the implementation of a weighting with the Levenberg- Marquardt method. This would solve the situation in which there is a distribution grid connected to the transmission grid, because without weighting, most systems will diverge, and will not be able to converge in order to provide suitable results. Keywords: Newton-Raphson, Levenberg-Marquardt, simulation, three-phase electrical grid TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................1 CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE ..........................................................................3 1.1 Problématique ................................................................................................................3 1.2 Objectifs .........................................................................................................................3 1.3 Revue de littérature ........................................................................................................4 1.3.1 Différence entre C++, Java, Go et Scala pour un même programme ......... 4 1.3.2 Écoulement de puissance ............................................................................ 5 1.3.2.1 Écoulement de puissance optimale (OPF) ................................... 5 1.3.2.2 Écoulement de puissance avec Gauss-Seidel ............................... 6 1.3.2.3 Écoulement de puissance NR modifié pour l’intégration éolienne ........................................................................................ 8 1.3.2.4 Écoulement de puissance à l’aide d’une combinaison de la méthode Newton-Raphson et de la méthode d’optimisation de Newton ......................................................................................... 9 1.3.2.5 Améliorer la convergence d’un écoulement de puissance par la méthode de Levenberg-Marquardt ......................................... 10 1.3.2.6 Solution d’écoulement de puissance multi phase pour les réseaux de distribution à grand échelle utilisant l’algorithme MANA ....................................................................................... 13 CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE ........................................................................................17 2.1 Introduction ..................................................................................................................17 2.2 Construction des fichiers de données ...........................................................................17 2.2.1 Explications de base .................................................................................. 17 2.2.2 Barres monophasées et triphasées ............................................................. 18 2.2.3 Lignes monophasées et triphasées ............................................................ 19 2.2.4 Transformateurs ........................................................................................ 20 2.2.5 Très important ........................................................................................... 21 2.3 Installation des librairies ..............................................................................................21 2.3.1 Étapes pour l’installation des librairies ..................................................... 21 2.3.2 Versions installées .................................................................................... 22 2.4 Modélisation des composantes ....................................................................................22 2.4.1 Explication ................................................................................................ 22 2.4.2 Lignes ........................................................................................................ 22 2.4.2.1 Lignes moyennes (80 km <= l <= uploads/Geographie/ beaudry-antoine.pdf