UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Maricica – Mirela ION Amélioration de

UNIVERSIT DE GRENOBLE

THSE Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSIT DE GRENOBLE Spcialit : Gnie Electrique Arrte ministriel : 7 aot 2006 Prsente par

Maricica Mirela ION Thse dirige par Pr. Seddik BACHA et Codirige par Dr. Daniel RADU et par Dr. Malik MEGDICHE Prpare au sein du Laboratoire de Gnie Electrique de Grenoble (G2Elab) Et de lentreprise Schneider Electric Grenoble dans le cadre de LEcole Doctorale : Electrotechnique, Automatique et Traitement du Signal (EEATS)

Amlioration de la slectivit des protections lectriques des navires lors de lalimentation quai Augmentation

du courant de court-circuit Thse soutenue publiquement le 14 janvier 2015, Devant le jury compos de : M., Jean-Paul, HAUTIER Professeur des Universits Arts et Mtiers Paris Tech Paris, Prsident M., Mircea EREMIA Professeur , Universit POLITEHNICA Bucarest, Rapporteur M., Ionel, VECHIU Professeur , HDR lESTIA Bidart, Rapporteur M., Tuan, TRAN-QUOC HDR , Ingnieur de recherche CEA, Examinateur M., Seddik, BACHA Professeur des Universits , Universit Joseph Fourier, Directeur de thse M., Dr Daniel, RADU Directeur Technique Shore Connection , Schneider Electric Grenoble, Co-encadrant, Membre Invit M., Dr Malik, MEGDICHE Ingnieur Rseau Electrique, Schneider Electric Grenoble, Co-encadrant, Membre Invit

Quoi que tu penses ou que tu crois pouvoir faire, fais-le.

Laction porte en elle la magie, la grce et le pouvoir.

Goethe

Remerciements

Remerciements

A lissue de ce travail, je tiens exprimer toute ma reconnaissance lensemble des personnes qui ont contribu laccomplissement de cette thse.

Je voudrais adresser tout dabord mes sincres remerciements mon directeur de

thse, M. Seddik BACHA, Professeur UJF de Grenoble, pour son encadrement, pour sa prsence, son soutien et pour la confiance quil ma insuffle tout au long de ces annes.

Je tiens remercier aussi mes co-encadrants de Schneider Electric, M. Daniel RADU et M. Malik MEGDICHE pour leurs prcieux conseils, pour toutes ces ides qui ont permis de mieux cadrer et faonner le travail ralis pendant cette thse. Ces remarques critiques et constructives mont permis parfois de me remettre en cause et de chercher faire mieux. La confiance quils mont accorde ma aid faire face aux difficults rencontres tout au long de ce parcours.

Jadresse mes sentiments respectueux et reconnaissants tous les membres du jury

pour lintrt quils ont port ce travail et pour lhonneur quils mont fait de juger cette thse : Monsieur Jean-Paul HAUTIER, Professeur lUniversit de Lille1, qui ma fait lhonneur de prsider mon jury de thse. Monsieur Mircea EREMIA, Professeur lUniversit Politehnica Bucarest, et Monsieur Ionel VECHIU, Matre de Confrences LEcole Suprieure des technologies industrielles avances Bidart, qui mont fait lhonneur dtre les rapporteurs de mon mmoire. Jai beaucoup apprci leurs remarques trs constructives, ainsi que la pertinence de leurs questions le jour de la soutenance. Je leur suis reconnaissant davoir pass du temps tudier ce document, leurs observations mont permis den faire voluer certains points. Monsieur Tuan TRAN-QUOC, Ingnieur de recherche INES CEA Grenoble, pour avoir particip ce jury en tant quexaminateur. Jai vraiment trs apprci son grand intrt pour mon travail et ses vastes connaissances dans ce domaine.

Jexprime ma gratitude Monsieur Didier ROCHAS, Prsident du projet Shore Connection Schneider Electric, pour sa collaboration efficace, toujours agrable et motivante, ces travaux de thse. Je le remercie de nous avoir donn un cadre concret pour nos tudes, ainsi que davoir soulign lintrt de ces travaux dans le contexte industriel le jour de la soutenance.

Je tiens exprimer mes remerciements particuliers aux membres de lquipe Shore

Connection et de lquipe Anticipation - ITB pour leur collaboration depuis la priode de ma prsence au sein de lentreprise Schneider Electric et pour tous les moments agrables passs ensemble: Lorene, Silvia, Seyba, Jean-Marc, Julien, Jean, Hugues, Matthieu, Christian, Philippe, Olivier, Gregory, Patrick, Benoit.

Je remercie M. James ROUDET, M. Yves MARECHAL et M. Olivier LESAINT,

directions du G2ELab pour mavoir accueilli dans ce laboratoire et de me permettre dy achever mes tudes de Master de Recherche et de Doctorat.

Remerciements

Je remercie galement M. Bertrand RAISON, responsable de lquipe Systmes et Rseaux Electriques (SYREL), pour mavoir accueilli au sein de cette quipe.

Un grand merci mes deux stagiaires, Djamel et William, pour leur travail et leur gentillesse. Egalement, mes remerciements pour tous les membres de lquipe et du laboratoire pour tous les moments agrables passes ensemble.

Je tiens remercier aussi Antoneta Bratcu, Iulian Munteanu et Axel Rumeau pour toutes les comptences techniques partages, ainsi que pour leurs amitis.

Je voudrais particulirement remercier mes amis : Catalina et Cristian Jecu, Andreea

et Adrian Florescu, Anca Dieudonne, Monica Biserica, Petre Enciu, Diana Mincu, Maria Vallet, Georgia et Mircea Cablea, Sorin Popa, Cristina Dinescu, Irina Murgan, Lavinia Mutiu, Ioana Gafton pour tous les moments inoubliables passs ensemble ces annes, pour leur soutien et pour leur prsence pendant des moments trs importants de ma vie. Merci vous tous !

Je remercie mes parents et mon frre pour leur soutien permanent et pour leur amour.

Je finis en te remerciant toi, Constantin, qui a toujours t ct de moi et qui a su me motiver et mencourager dans les moments difficiles. Je vous remercie tous chaleureusement!

Sommaire

Sommaire

Sommaire

Introduction Gnrale ................................................................................................................. 1

Chapitre I. Raccordement des navires quai ............................................................................. 5

I.1 Introduction ....................................................................................................................... 9 I.1.1 Emissions polluantes des navires dans les ports ......................................................... 9 I.1.2 Solutions de rduction des missions polluantes des navires ................................... 10 I.1.3 Evolution des rglementations et lavnement de la solution de raccordement lectrique quai ................................................................................................................. 11

I.2 tat de lart des systmes de raccordement lectriques des navires quai ..................... 12 I.2.1 Rseau du port ........................................................................................................... 13 I.2.2 Architecture du rseau lectrique du navire .............................................................. 14 I.2.3 Dfinition du besoin dune connexion quai ............................................................ 17 I.2.4 Architecture dun systme Shore moyenne tension .................................................. 18 I.2.5 Mode de fonctionnement ........................................................................................... 19 I.2.6 Challenges techniques de la solution Shore Connection ..................................... 21

I.3 Problmatique de la thse: comment assurer la slectivit des protections du systme Shore Navire ...................................................................................................................... 22

I.3.1 Quelques pistes pour augmenter le courant de court-circuit du systme Shore ........ 22 I.4 Conclusions ..................................................................................................................... 23

Chapitre II. Modlisation et simulation de lensemble du systme Shore-Navire ................... 25

II.1 Introduction .................................................................................................................... 29 II.2 Description du systme tudi ........................................................................................ 29 II.3 Modlisation du convertisseur de frquence (GFC) ...................................................... 30

II.3.1 Architecture du GFC ................................................................................................ 30 II.3.2 Comportement du GFC ............................................................................................ 32 II.3.3 Besoins de la modlisation ....................................................................................... 33 II.3.4 Modlisation retenue ................................................................................................ 34

II.4 Modlisation du transformateur BT/MT et les cbles du systme Shore....................... 36 II.4.1 Modlisation du transformateur BT/MT .................................................................. 36 II.4.2 Modlisation des cbles BT et MT .......................................................................... 38

II.5 Simulation du systme Shore en rgime nominal et en rgime perturb ....................... 39 II.5.1 Implantation des modles ........................................................................................ 39 II.5.2 Validation du systme .............................................................................................. 39

II.6 Modlisation du rseau de bord de navire ...................................................................... 41 II.6.1 Architecture du systme lectrique du navire lors dune connexion quai............. 42 II.6.2 Modlisation des charges de navire application de la mthode dagrgation ....... 43

II.6.2.1 Thorie de lagrgation des moteurs asynchrones ............................................. 44 II.6.2.2 Validation de la mthode dagrgation utilise ................................................. 47

II.6.3 Simulation du systme Shore-Navire en rgimes transitoires ................................. 51 II.6.3.1 Caractristiques du systme embarqu du navire .............................................. 51 II.6.3.2 Rgimes transitoires .......................................................................................... 52

II.7 Conclusion ...................................................................................................................... 55

Chapitre III. Renforcement du courant de court-circuit utilisant la compensation dnergie ractive ..................................................................................................................................... 57

III.1 Introduction ................................................................................................................... 61 III.1.1 Compensation ractive du courant ......................................................................... 62

Sommaire

III.1.2 Choix de lquipement de compensation ................................................................ 63 III.2 Solution banc de condensateurs .................................................................................... 65

III.2.1 Principe ................................................................................................................... 65 III.2.2 Modlisation et simulation de la solution propose ............................................... 66 III.2.3 Conclusions ............................................................................................................ 69

III.3 Solution SVC ................................................................................................................ 69 III.3.1 Principe ................................................................................................................... 69 III.3.2 Modlisation et simulation de la solution propose ............................................... 70 III.3.3 Conclusions ............................................................................................................ 72

III.4 Solution STATCOM (onduleur de tension) .................................................................. 72 III.4.1 Principe ................................................................................................................... 72 III.4.2 Contrle des puissances envoyes au rseau .......................................................... 74 III.4.3 Contrle de la tension du bus DC ........................................................................... 74 III.4.4 Source du bus DC ................................................................................................... 77 III.4.5 Filtre de sortie du STATCOM ................................................................................ 77 III.4.6 Modlisation du STATCOM .................................................................................. 78 III.4.7 Simulation du STATCOM ...................................................................................... 79 III.4.8 Architecture du STATCOM en partant dune structure de convertisseur de frquence ........................................................................................................................... 81 III.4.9 Conclusions ............................................................................................................ 81

III.5 Bilan de ltude comparative et conclusions................................................................. 82

Chapitre IV. Solution innovante de renforcement du courant de court-circuit en utilisant un transformateur deux enroulements primaires ........................................................................ 85

IV.1 Introduction ................................................................................................................... 89 IV.2 Solution envisage ........................................................................................................ 89

IV.2.1 Principe de lide .................................................................................................... 89 IV.2.2 Test en simulation du principe ............................................................................... 91

IV.3 Dtail de la solution technique avec transformateur double enroulement ................. 93 IV.3.1 Choix du basculement des enroulements cot basse tension ................................. 93 IV.3.2 Choix du systme de basculement des enroulements ............................................. 94 IV.3.3 Fonctionnement du contrle commande du systme de basculement denroulements .................................................................................................................. 95 IV.3.4 Stratgie de contrle-commande du bloc de basculement des enroulements......... 96

IV.4 Identification des problmatiques techniques ............................................................... 97 IV.4.1 Choix de construction du transformateur lvateur double enroulement ............... 97 IV.4.2 Surintensit lie aux courants denclenchement et au recouvrement du basculement ......................................................................................................................................... 100 IV.4.3 Surtensions lies la coupure de circuit inductif ................................................. 102 IV.4.4 Choix de la stratgie de basculement optimale .................................................... 103

IV.5 Conclusions ................................................................................................................. 105

Chapitre V. Simulation temps-rel hybride sur maquette laboratoire .................................... 107

V.1 Objectif du banc exprimental ..................................................................................... 111 V.2 Architecture temps rel hybride en puissance (PHIL) ................................................. 111 V.3 Mise en uvre du banc dessai pour le transformateur double enroulement primaire 112

V.3.1 Simulateur en temps rel ....................................................................................... 113 V.3.2 Lamplificateur de puissance ................................................................................. 115 V.3.3 Transformateur triphas double enroulement ........................................................ 115 V.3.4 Contacteurs statiques ............................................................................................. 116 V.3.5 Charge fixe [Annexe A.IX] ................................................................................... 117

Sommaire

V.3.6 Charge lectronique [Annexe A.VIII] ................................................................... 117 V.3.7 Capteurs tension courant ...................................................................................... 117

V.4 Similitude et facteur dchelle ..................................................................................... 117 V.5 Correspondance avec les lments physiques ............................................................. 118

V.5.1 Modlisation du GFC sous RT-Lab ....................................................................... 118 V.5.2 Implantation dun modle dun court-circuit ......................................................... 120 V.5.3 Systme de basculement des enroulements ........................................................... 122

V.6 Simulations temps rel hybride de la solution propose pour le renforcement du courant de court-circuit .................................................................................................................... 123

V.6.1 Descriptif des scenarii sur le systme global (fonctionnement normal de lensemble) et simulations PHIL ..................................................................................... 123 V.6.2 Rsultats des simulations PHIL ............................................................................. 124

V.7 Conclusions .................................................................................................................. 131

Chapitre VI. Etude du rgime transitoire suite aux manuvres contrls de transformateur 133

VI.1 Pourquoi faire une tude de rgime transitoire ........................................................... 137 VI.2 Modlisation frquentiel du transformateur triphas double enroulement primaire .. 137

VI.2.1 Modle lectrique dun transformateur double enroulement primaire ................. 137 VI.2.2 Modle magntique du transformateur ................................................................. 139 VI.2.3 Modlisation des phnomnes hautes frquences ................................................ 142 VI.2.4 Synthse du modle de transformateur utilis pour la simulation ATP-EMTP ... 143 VI.2.5 Modle lectrique du bloc de commutation ......................................................... 144

VI.3 Dfinition de scenarii .................................................................................................. 144 VI.3.1 Enclenchement dun enroulement ........................................................................ 145

VI.3.1.1 Changement avec la mise en court-circuit des enroulements primaires ........ 145 VI.3.1.2 Changement avec linterruption de lalimentation de la charge .................... 146

VI.3.2 Reprise au vol du transformateur ......................................................................... 147 VI.3.2.1 Changement avec la mise en court-circuit des enroulements primaires (reprise au vol sans trou) ........................................................................................................... 147 VI.3.2.2 Changement avec linterruption de lalimentation de la charge (reprise au vol avec trou) ...................................................................................................................... 149

VI.4 Rsultats des simulations ............................................................................................ 150 VI.4.1 Enclenchement dun enroulement ........................................................................ 150

VI.4.1.1 Enclenchement sans trou ................................................................................ 150 VI.4.1.2 Enclenchement avec trou ............................................................................... 153

VI.4.2 Scenarii de reprise au vol ..................................................................................... 155 VI.4.2.1 Reprise au vol sans trou ................................................................................. 156 VI.4.2.2 Reprise au vol avec trou ................................................................................. 159

VI.5 Conclusions ................................................................................................................. 163

Conclusions Gnrales ........................................................................................................... 165

Bibliographie .......................................................................................................................... 169

Annexes .................................................................................................................................. 179

A.I Les grandes familles de navires [WEB 04] ............................................................... 181 A.II Installation du navire de croisire ............................................................................. 185 A.III Installation du Ferry .................................................................................................. 186 A.IV Mthode dagrgation des moteurs asynchrones ...................................................... 187 A.V Validation de la mthode dagrgation propose ...................................................... 190 A.VI Paramtres lectrique des moteurs utiliss pour ltude de dmarrage .................... 201 A.VII Modlisation de la charge ...................................................................................... 202

Sommaire

A.VIII Charge Electronique .............................................................................................. 204 A.IX Charge rsistive fixe ................................................................................................. 210 A.X Amplificateur de puissance ....................................................................................... 215

Tableau Des Figures

Tableau Des Figures

Figure I.1:Cas de mortalit cardio-pulmonaire directement attribuables aux missions des particules des navires [COR 07] ................................................................................................. 9 Figure I.2: Comparaison de la pollution mises ports avec celles mises par les raffineries, les centrales lectriques et les automobiles ................................................................................... 10 Figure I.3: Concept du raccordement des navires quai ......................................................... 13 Figure I.4: Plan dun port amricain [WEB 03] ....................................................................... 13 Figure I.5: Frquences des rseaux lectriques publiques dans le monde [WEB 02] .............. 14 Figure I.6: Rseau lectrique dun porte-conteneur ................................................................. 15 Figure I.7: Classification des navires [RAD 13] ...................................................................... 15 Figure I.8: Frquences et tension pour les navires [RAD 13] .................................................. 17 Figure I.9: Solution technique de raccordement moyenne tension .......................................... 18 Figure I.10: Squences de connexion et dconnexion ............................................................. 19 Figure I.11: Synchronisation Shore-Navire [MEG 13] ............................................................ 20 Figure I.12: Schma lectrique de lopration de mise en parallle du systme Shore avec le navire ........................................................................................................................................ 20 Figure I.13: Protections ANSI 51/50 dans un systme Shore-Navire ...................................... 21 Figure I.14: Graphe de slectivit du systme Shore-Navire pour les dfauts entre phases .... 22 Figure I.15: Systme Shore avec lquipement de compensation du courant de court-circuit 23 Figure II.1: Architecture typique du systme Shore Connection [RAD 13] ........................ 29 Figure II.2: Topologie du convertisseur de frquence (GFC) .................................................. 31 Figure II.3: Zone de fonctionnement du GFC .......................................................................... 32 Figure II.4: Profil du courant du convertisseur en surcharge ................................................... 32 Figure II.5: Synoptique de la rgulation du convertisseur ....................................................... 33 Figure II.6: Courant sortie GFC ............................................................................................... 33 Figure II.7: Schma quivalent monophas du convertisseur DC/AC ..................................... 35 Figure II.8: Tension de rfrence ............................................................................................. 36 Figure II.9: Comparateur hystrsis ...................................................................................... 36 Figure II.10: Reprsentation dune phase du transformateur de puissance .............................. 37 Figure II.11: Caractristique de magntisation du transformateur ........................................... 37 Figure II.12: Modle en du cble lectrique ......................................................................... 38 Figure II.13 : Modle cble moyenne tension ....................................................................... 38 Figure II.14: Modle cble basse tension .............................................................................. 38 Figure II.15: Systme Shore-Navire ......................................................................................... 40 Figure II.16: Tension et courant de la phase A en sortie du bloc GFC .................................... 40 Figure II.17: Tension et courant de la phase A ct de la charge.......................................... 40 Figure II.18: Spectre harmonique de la tension simple ............................................................ 41 Figure II.19: Spectre harmonique du courant ........................................................................... 41 Figure II.20: Plan gnral du systme Navire .......................................................................... 42 Figure II.21: Architecture classique du rseau lectrique de Ferry lors dune connexion quai .................................................................................................................................................. 43 Figure II.22: Systme simplifi du navire ................................................................................ 44 Figure II.23: Le modle classique quivalent de moteur asynchrone ...................................... 45 Figure II.24: N moteurs asynchrones disposs en parallle ..................................................... 45 Figure II.25: Les sous-systmes tudis ................................................................................... 48 Figure II.26: Systme considr et le creux de tension appliqu ............................................. 49 Figure II.27: Tensions mesures aux points M1 et M2 .............................................................. 49

Tableau Des Figures

Figure II.28: Phase A courant M1 ( 1MI a ), courant M2 ( 2MI a ), Couple du moteur agrg

(Couple-M2) ............................................................................................................................. 50 Figure II.29: Systme tudie .................................................................................................... 50 Figure II.30: Courants mesures aux points M1 et M2 .............................................................. 51 Figure II.31: Systme Shore Navire rseau de charges agrges sous ATP-EMTP ...... 52 Figure II.32: Vitesse des moteurs et la caractristique GFCs .................................................. 53 Figure II.33: Courant dlivr au navire .................................................................................... 55 Figure III.1: Caractristique de la limite du courant du systme Shore 3 MVA (courbe GFCs), caractristique de la limite du courant du systme Shore 4 MVA (courbe GFCs), caractristique de la plus grosse charge du navire (courbe navire), caractristique de la limitation du courant du systme Shore 3 MVA avec laide dun quipement additionnel (courbe GFCs) ............................................................................. 61 Figure III.2: Reprsentation vectorielle de Fresnel des courants et de la tension pendant le court-circuit application Shore-Navire .................................................................................. 62 Figure III.3: Composition vectorielle de la puissance .............................................................. 63 Figure III.4: Systme Shore avec lquipement de compensation ........................................... 65 Figure III.5: Systme Shore avec lquipement de compensation banc des condensateurs.. 67 Figure III.6: Plan du scnario ................................................................................................... 67 Figure III.7: Tension mesure au point de connexion du banc de condensateurs .................... 67 Figure III.8: Courant mesur au point de connexion du banc de condensateurs...................... 68 Figure III.9: Schma de principe du compensateur statique shunt, SVC [BAC 13] ................ 69 Figure III.10: Caractristique V/I dun compensateur SVC [BAC 13] .................................... 70 Figure III.11: Boucle contrle SVC ......................................................................................... 71 Figure III.12: Systme Shore avec lquipement de compensation SVC ............................. 71 Figure III.13: Mesures tension et courant solution SVC ....................................................... 72 Figure III.14: Systme Shore avec lquipement de compensation STATCOM .................. 73 Figure III.15: Caractristique V/I dun compensateur STATCOM [PET 97] ......................... 74 Figure III.16: Modle topologique STATCOM ....................................................................... 75 Figure III.17: Schma lectrique du systme Shore-STATCOM et structure de contrle du STATCOM ............................................................................................................................... 78 Figure III.18: Scnario de la simulation ................................................................................... 79 Figure III.19: Tension instantane et efficace au point de connexion du STATCOM ............ 79 Figure III.20: Courant mesur sur le systme Shore-STATCOM ........................................... 80 Figure III.21: Courant efficace du systme Shore-STATCOM ............................................... 80 Figure III.22: Solution base des convertisseurs de frquence ............................................... 81 Figure IV.1: Reprsentation complte du systme Shore [ION 13] ........................................ 89 Figure IV.2: Structure lectrique triphas du transformateur spcial ...................................... 90 Figure IV.3: Modle simple du systme Shore quip dun transformateur double enroulement .............................................................................................................................. 91 Figure IV.4: Scnario de simulation dun court-circuit ........................................................... 92 Figure IV.5: Courant primaire triphas et sa valeur efficace ................................................... 92 Figure IV.6: Courant secondaire triphas et sa valeur efficace ................................................ 92 Figure IV.7: Solution de renforcement du courant de court-circuit ......................................... 93 Figure IV.8: Architecture du systme de basculement des enroulements cot basse tension .. 94 Figure IV.9: Contacteur statique .............................................................................................. 95 Figure IV.10: Les enroulements primaires avec les blocs de commutation phase A ............ 96 Figure IV.11: Systme de contrle-commande ........................................................................ 96 Figure IV.12: Boucle de dtection du dfaut ........................................................................... 97 Figure IV.13: Forces radiales et axiales dans les enroulements ............................................... 97 Figure IV.14: Reprsentation magntique du transformateur .................................................. 98

Tableau Des Figures

Figure IV.15: Connexion des enroulements ............................................................................. 99 Figure IV.16: Vue de face du transformateur .......................................................................... 99 Figure IV.17: Ampres-tours radiaux pour un transformateur .............................................. 100 Figure IV.18: Cas typique dun enclenchement alatoire du transformateur 3.15 MVA courant dappel ....................................................................................................................... 101 Figure IV.19: Caractristique flux-courant du transformateur ............................................... 101 Figure IV.20: Surtensions par rapport la tension maximale normale du rseau lors de la coupure d'un circuit inductif ................................................................................................... 103 Figure IV.21: Enclenchement avec trou ................................................................................. 104 Figure IV.22: Enclenchement sans trou ................................................................................. 104 Figure V.1: Vue schmatique de la synoptique du banc exprimental .................................. 111 Figure V.2: Schma de principe du banc dessai ................................................................... 113 Figure V.3: Elments physiques du banc dessai ................................................................... 113 Figure V.4: Simulateur RT-Lab ............................................................................................. 113 Figure V.5: Lchange des signaux entre simulateur et dispositifs analogiques.................... 114 Figure V.6: Courbe de lamplificateur charge inductive (donn constructeur) .................. 115 Figure V.7: Le transformateur et le schma lectrique du transformateur ............................. 116 Figure V.8: Ensemble de commutation: 1.Composants de commande; 2. Trois modules thyristors tte- bche; 3.Carte dalimentation ..................................................................... 116 Figure V.9: Facteur dchelle ................................................................................................. 118 Figure V.10: Caractristique V(I) du GFC ............................................................................. 119 Figure V.11: Reprsentation bloc GFCs ................................................................................ 119

Figure V.12: Tension mesure en sortie damplificateur ( AampliV _ ) et la commande de

changement de consigne pour la tension damplificateur ( ifVmod ) - en zoom droite .......... 120

Figure V.13: Le profil du courant en sortie damplificateur ( ampliI

) en fonction de la

commande de la charge variable ( 2eargchI

) ............................................................................. 120

Figure V.14: Signal de commande 2eargchI

(Ch2), tension efficace charge lectronique (Ch3) et courant effective charge lectronique (Ch4): 2A/div, 40ms /div ....................................... 121

Figure V.15: Courant de la phase A en sortie damplificateur ( ampliI

) et le consigne pour la

charge lectronique ( 2eargchI

) - en zoom droite.................................................................... 121 Figure V.16: Dtection du dfaut et la commande des blocs de commutation ...................... 122 Figure V.17: Dtection du dfaut et la stratgie de commande des blocs de commutation: tableau logique: 0 pour ltat inactif (off) et 1- pour ltat actif (on) ................................... 123 Figure V.18: Dtection du dfaut et les commandes des blocs de commutation banc dessais ................................................................................................................................................ 123 Figure V.19: Banc dessai scenario 1 .................................................................................. 124 Figure V.20: Banc dessai scenario 2 .................................................................................. 124 Figure V.21: Plan des simulations .......................................................................................... 125 Figure V.22: Tension au primaire du transformateur obtenue sous le banc temps rel ......... 125 Figure V.23: Courant primaire du transformateur obtenu sous le banc temps rel................ 126 Figure V.24: Courants au primaire du transformateur obtenus sous le banc temps rel scenario 2 ................................................................................................................................ 126 Figure V.25: Tension au secondaire du transformateur obtenue sous le banc temps rel ..... 127 Figure V.26: Courant au secondaire du transformateur obtenu sous le banc temps rel ....... 127 Figure V.27: Mise lchelle: Courant au secondaire du transformateur obtenu sous ATP-EMTP ..................................................................................................................................... 128

Tableau Des Figures

Figure V.28: Plan de simulation ............................................................................................. 128 Figure V.29: Tension mesure en sortie damplificateur ....................................................... 129 Figure V.30: Courant mesur en amont du transformateur .................................................... 129 Figure V.31: Courant secondaire du transformateur et les commandes des blocs de commutation ........................................................................................................................... 130 Figure V.32: Tension secondaire du transfo .......................................................................... 130 Figure V.33: Tension de la charge ......................................................................................... 130 Figure VI.1: La premire phase du transformateur triphas .................................................. 138 Figure VI.2: Circuit physique et circuit magntique .............................................................. 140 Figure VI.3: Circuit lectrique principe de la dualit .......................................................... 140 Figure VI.4: Circuit lectrique principe de la dualit simplifi ....................................... 141 Figure VI.5: Courbe du flux en fonction du courant magntisant mthode analytique ...... 142 Figure VI.6: Courbe de flux en fonction du courant magntisant trace avec ATP-EMTP ................................................................................................................................................ 142 Figure VI.7 : Rseau de capacit du transformateur triphas ................................................ 142 Figure VI.8: Circuit lectrique complet du noyau magntique principe de la dualit ........ 143 Figure VI.9: Systme Shore modlis sous ATP-EMTP ....................................................... 144 Figure VI.10: Etapes de changement de la configuration du transformateur ......................... 144 Figure VI.11: Stratgie denclenchement sans trou ............................................................... 145 Figure VI.12: Bloc de commutation des thyristors- phase A ................................................. 146 Figure VI.13: Dtection du dfaut (CC1), Commande du bloc de commutation de la phase A (Th11, Th21) .......................................................................................................................... 146 Figure VI.14: Stratgie denclenchement avec trou ............................................................... 146 Figure VI.15: Dtection du dfaut (CC), Commande de blocs de commutation (Th1, Th2) 147 Figure VI.16: Stratgie de reprise au vol avec linterruption de lalimentation de la charge 148 Figure VI.17: Bloc de commutation des thyristors- phase A ................................................. 148 Figure VI.18: Dtection de la fin du dfaut (CC), Commande de blocs de commutation

( 11Th , 21Th ) ............................................................................................................................ 148 Figure VI.19: Stratgie de reprise au vol avec linterruption de lalimentation de la charge 149 Figure VI.20: Dtection de la fin du dfaut (CC), Commande de blocs de commutation (Th1, Th2) ........................................................................................................................................ 149 Figure VI.21: Courant primaire travers les thyristors pour les trois phases ........................ 150 Figure VI.22: Courant primaire travers les thyristors (Th11 et Th 22) de la phase C ......... 151 Figure VI.23: Les tapes de lenclenchement sans trou prsentes sur les courants crtes triphass aux bornes du transformateur .................................................................................. 151 Figure VI.24 : Courant instantan secondaire ........................................................................ 152 Figure VI.25: Courant efficace secondaire............................................................................. 152 Figure VI.26: Circuit thyristors avec snubber RC .................................................................. 153 Figure VI.27: Courant et tension travers le thyristor 12Th - phase A .................................. 153 Figure VI.28: Courant primaire travers les thyristors pour les trois phases ........................ 154 Figure VI.29: Mesures au primaire et au secondaire du transformateur ................................ 155

Figure VI.30: Courant et tension travers le thyristor 12Th - phase B ................................. 155 Figure VI.31: Courant primaire travers les thyristors pour les trois phases ........................ 157 Figure VI.32: Courant triphas aux bornes du bloc des GFCs ............................................... 157 Figure VI.33: Tension et courant de phase au primaire du transformateur ............................ 158 Figure VI.34: Mesures au primaire et au secondaire du transformateur ................................ 158

Figure VI.35: Courant et tension travers le thyristor 12Th - phase A ................................. 159 Figure VI.36: Mesures au primaire et au secondaire du transformateur ................................ 160 Figure VI.37: Courant primaire travers les thyristors pour les trois phases ........................ 161

Tableau Des Figures

Figure VI.38: Courant triphas aux bornes du bloc des GFCs et aux bornes de la charge .... 161 Figure VI.39: Tension travers le thyristor Th21 phase C ................................................. 162

Tableau Des Figures

Liste Des Tableaux

Liste Des Tableaux

Tableau I.1: Puissance lectrique demande par type de navire .............................................. 16 Tableau I.2: Niveau de tension selon le type de navire [EFE 07] ............................................ 16 Tableau II.1: Paramtres du transformateur ............................................................................. 37 Tableau II.2: Caractristiques des cbles ................................................................................. 39 Tableau II.3: Synthse des rsultats ......................................................................................... 48 Tableau III.1: Paramtres STATCOM ..................................................................................... 78 Tableau III.2: Caractristiques STATCOM ............................................................................. 80 Tableau III.3: Solution propos pour laugmentation du courant de court-circuit ................... 83 Tableau V.1: Caractristiques nominales de sortie de lamplificateur ................................... 115 Tableau V.2: Caractristiques des thyristors (SEMIKRON SKKT 56/06 D) ........................ 116 Tableau V.3: Caractristiques de la charge fixe ..................................................................... 117 Tableau V.4: Caractristiques de la charge lectronique ....................................................... 117 Tableau V.5: Caractristiques des capteurs ............................................................................ 117 Tableau V.6: Dynamique de la charge lectronique .............................................................. 121 Tableau VI.1: Rgles de dualit ............................................................................................. 139

Liste Des Tableaux

Notations

Glossaire:

Symbole Signification

CO2 Dioxyde de carbone NOx Oxydes dazote SOx Oxydes de soufre PM10 Particulate Matter - les particules en suspension GNL Gaz Naturel Liqufi OMI Organisation Maritime Internationale EPA Agence de Protection de lEnvironnement CENAQ Connexion lectrique des navires quai AMP Alternative Maritime Power Supply HVSC High Voltage Shore Connection BT Basse Tension MT Moyenne Tension Shore System lectrique dalimentation quai des navires GFC Grid Frequency Converter PFC Power Factor Corrector PF Power Factor ATP-EMTP Alternative Transients Program - ElectroMagnetic Transients Program THD Taux de Distorsion Harmonique Charge RL Charge Rsistive-Inductive

uk Facteur dUtilisation

sk Facteur de Simultanit

FACTS Flexible Alternative Current Transmission System SVC Static Var Compensator STATCOM STATic Synchronous COMpensator TCSC Thyristors Controlled Series Compensator SSSC Synchronous Source Series Compensator TSC Thyristor Switched Capacitor TCR Thyristor Controlled Reactor VSC Voltage Source Converter SVG Static Var Generator IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

1E Enroulement primaire standard du transformateur

2E Enroulement primaire supplmentaire du transformateur

1K Interrupteur primaire de lenroulement standard du transformateur

2K Interrupteur primaire de lenroulement supplmentaire du transformateur

1ThBloc Bloc des contacteurs statiques

2ThBloc Bloc des contacteurs statiques

PHIL Power Hardware In the Loop RT-Lab Real-Time Simulator

Notations

Notations:

Symbole Signification Unit Convertisseur de frquence

P Puissance active [W] Q Puissance ractive [VAr] S Puissance apparente [VA]

nI Courant nominale du GFC [A]

GFCV Tension GFC [V]

GFCI Courant GFC [A]

actif_GFCI

Courant actif du GFC [A]

ractif_GFCI

Courant ractif du GFC [A]

st Pas de simulation [s ]

Li Courant de londuleur ct rseau [A]

0V Tensions simples en sortie de l'onduleur ct rseau [V]

iV Tension interne de londuleur [V] Rapport cyclique Ts Priode de commutation [ s ] DCV

Tension continue au niveau du bus [V]

refi Courant de rfrence de londuleur [A]

*Lim_refi

Courant de limitation de londuleur [A]

limGFCI Courant de limitation des GFCs [A]

CCI Courant de court-circuit [A]

Dphasage tension-courant [rad]

Transformateur

PU Tension primaire [V]

SU Tension secondaire [V]

PI Courant primaire [A]

SI Courant secondaire [A]

mR Rsistance de magntisation []

mX Ractance de magntisation []

mL Inductance de magntisation [H]

PR Rsistance circuit primaire []

PL Inductance circuit primaire [H]

SR Rsistance circuit secondaire []

SL Inductance circuit secondaire [H]

Cbles R Rsistance linique [/m] L Inductance linique [H/m] C Capacit linique [F/m]

Notations

G Conductance linique [S/m] Moteur

SR Rsistance du stator []

RR Rsistance du rotor []

LSL Inductance de fuite statorique [H]

LRL Inductance de fuite rotorique [H]

ML Inductance de magntisation [H]

SV Tension du stator [V]

s Glissement

SX Ractance de stator []

RX Ractance de rotor []

MX Ractance de magntisation []

aggZ

Impdance du moteur agrg []

aggs

Glissement du moteur agrg

aggP

Puissance active du moteur agrg [W]

aggJ

Inertie du moteur agrg [kg/m]

i Vitesse de synchronisme du moteur i [rad/s]

agg

Vitesse de synchronisme du moteur agrg [rad/s]

C Couple du moteur [Nm] 1MVa

Tension phase A - M1 [V]

2MVa Tension phase A M2 [V]

1MIa Courant du moteur agrg M1 [A]

2MI a Courant du moteur agrg M2 [A]

Equipement de compensation

ECI Courant de lquipement de compensation [A]

ShoreI Courant de la station Shore [A]

ShoreP Puissance active installe de la station Shore [W]

ShoreQ Puissance ractive fournie de la station Shore [VAr]

1ShoreS Puissance apparente de la station Shore [VA]

2ShoreS Puissance apparente de la station Shore aprs la

compensation [VA]

ECQ Puissance ractive fournie par lquipement de compensation

[VA]

1 Facteur de puissance avant compensation [rad]

2 Facteur de puissance aprs compensation [rad]

TI Courant totale [A]

Banc de condensateurs

CQ Puissance ractive [VAr]

CX Ractance des condensateurs [] C Capacit [F]

Notations

SVC

SVC_LXI Courant de la Ractance inductive contrle du SVC [A]

SVC_LX Ractance inductive contrle du SVC []

SVCL Inductance SVC [H] Angle damorage des thyristors du SVC [rad]

STATCOM ref

ondP Rfrence de la puissance active du STATCOM [W] refondQ Rfrence de la puissance ractive du STATCOM [VAr]

SdV Composante suivant l'axe d de la tension du STATCOM [V]

SqV Composante suivant l'axe q de la tension du STATCOM [V]

SdI Composante suivant l'axe d de la tension du STATCOM [A]

SqI Composante suivant l'axe q de la tension du STATCOM [A] refSdI Composante de rfrence suivant l'axe d du courant du

STATCOM [A]

refSqI Composante de rfrence suivant l'axe q du courant du

STATCOM [A]

ondr Rsistance du filtre de sortie du STATCOM [] L Inductance du filtre de sortie [H]

ki Courant de sortie de londuleur [A]

kne Tension impose par londuleur [V]

kV Tension impose par le rseau [V]

ku Fonction de commutation des interrupteurs

k Fonction moyenne de commutation des interrupteurs W

Energie lectrique [kWh]

Transformateur double enroulement

1P NN = Nombre de spires au primaire

2S NN = Nombre de spires au secondaire '1N

Nombre de spires au primaire

1P II = Courant primaire [A]

2S II = Courant secondaire [A]

1P UU = Tension primaire [V]

SS UU = Tension secondaire [V]

1PR Rsistance denroulement 1 primaire []

2PR Rsistance denroulement 2 primaire []

SR Rsistance denroulement secondaire []

1PL Inductance denroulement 1 primaire [H]

2PL Inductance denroulement 2 primaire [H]

SL Inductance denroulement secondaire [H]

M

Inductance mutuelle [H]

C Flux commun [Wb]

Notations

1 Rluctance du noyau [1/H]

c Rluctance du culasse [1/H]

2 Rluctance entre le noyau et lenroulement primaire E1 [1/H]

3 Rluctance entre lenroulement primaire E1 et lenroulement secondaire M

[1/H]

4 Rluctance entre lenroulement secondaire M et lenroulement primaire E2 [1/H]

5 Rluctance entre lenroulement primaire E2 et le noyau

[1/H]

ph Rluctance entre lair et le culasse [1/H]

ptC Capacit phase-terre au primaire [F]

stC Capacit phase-terre au secondaire [F]

ssC Capacit phase-phase au secondaire [F]

psC Capacit primaire-secondaire [F]

ppC Capacit entre phases au primaire [F]

enr1_ccI

Courant primaire de court-circuit de lenroulement primaire standard

[A]

enr2_ccI

Courant primaire de court-circuit de lenroulement

primaire ( 21 EE + )

[A]

C1EI Courant transitoire apparu lorsque de la mise en court-

circuit des spires [A]

Banc dessai

Facteur dchelle

bancU Tension du banc dessai [V]

bancI Courant du banc dessai [A]

relU Tension de linstallation chelle rel [V]

relI Courant de linstallation chelle rel [A]

A_ampliV

Tension mesure en sortie damplificateur [V]

ifmodV

Consigne de la tension damplificateur [V]

ampliI Courant en sortie damplificateur [A]

2eargchI Consigne de la charge variable [A]

Notations

Introduction gnrale

1

Introduction Gnrale

Introduction gnrale

2

Introduction gnrale

3

Introduction gnrale

Historiquement, les ports sont dvelopps en proximit des zones urbaines. Par consquent, les missions des navires provoquent une pollution urbaine importante dans les villes portuaires, avec des consquences sur la sant des habitants. En effet, amarrs au port, les navires teignent les gnrateurs principaux et utilisent leurs gnrateurs auxiliaires pour produire de l'lectricit ncessaire lalimentation de leur systme lectrique pendant toute la priode de lescale. Le carburant utilis par ces gnrateurs auxiliaires est souvent un fioul lourd contenant une quantit de soufre trs largement suprieure aux combustibles utiliss dans lautomobile, ou l'aviation. A titre de comparaison, les limites en soufre pour les vhicules terrestres sont dj 100 fois infrieures ce qui est prvu pour les navires. Des proccupations environnementales sont ainsi lorigine de directives internationales afin de diminuer ces missions polluantes. Une solution viable dans le but de rduire ces missions est lalimentation de ces navires quai partir dune centrale ddie ou partir du rseau terrestre de proximit. Cette solution amne concevoir des interfaces de raccordement lectrique entre deux rseaux (de bord et terrestre) de frquence, de tension et de puissance de court-circuit potentiellement diffrents. Ainsi, pour les cas ncessitant le raccordement de deux systmes de frquence diffrente, une station de conversion de frquence constitue de briques lmentaires de convertisseurs statiques est utilise. Un des objectifs recherchs pour ce type dinstallation est la compatibilit du point de vue lectrique entre le systme quai et le rseau embarque du navire et plus particulirement dassurer la slectivit du plan de protection du navire. Cet objectif se dcline en une exigence de courant de circuit minimum fournir par la station quai. Cette thse propose une vue d'ensemble de la solution de connexion quai des navires et met en vidence les principaux problmes techniques rsoudre pendant les phases d'exploitation. Les travaux sont articuls autour de la problmatique de la capacit limite de courant de court-circuit de linstallation lectrique quai et de la recherche de solutions palliatives en vue de laugmentation du courant de court-circuit. Ces travaux sont financs par lentreprise Schneider Electric, plus exactement par le projet gnrique Shore Connection et ont mens en collaboration troite avec le laboratoire G2ELab. Ce mmoire de thse sarticule en six chapitres. Dans le premier chapitre, Raccordement des navires quai, le rle des missions nocives produites par les navires dans les zones portuaires est expos et la ncessit dadopter une solution pour diminuer le taux de pollution est mise en vidence. Une vue gnrale est donne autour des rseaux Shore Connection , sur larchitecture gnrique du systme, les contraintes de fonctionnement et enfin leurs composants. La problmatique de slectivit des protections du navire est expose et le chapitre se clt par des propositions de pistes pour laugmentation du courant de court-circuit.

Le second chapitre, Modlisation et simulation de lensemble du systme Shore-Navire, se focalise sur la modlisation des divers composants: linstallation Shore avec ses convertisseurs, ses transformateurs et cbles et le rseau de bord avec ses charges. La modlisation du systme retenu est ralise sous deux logiciels: Matlab Simulink

Introduction gnrale

4

SimPowerSystems et ATP-EMTP. Les modles sont conus pour tre compatibles avec des tudes transitoires et des tudes de court-circuit. Ltude et la modlisation du rseau de bord occupe une partie importante dans ce chapitre. Enfin, des tudes de rgimes transitoires sont proposes pour analyser le fonctionnement de lensemble Shore-Navire. Le troisime chapitre, Renforcement du courant de court-circuit utilisant la compensation dnergie ractive, propose les trois solutions pour laugmentation du courant de court-circuit de linstallation Shore. Dans un premier temps, le principe de compensation dnergie ractive pour augmenter le courant de court-circuit est prsent. Par la suite, sont proposes trois solutions: le banc de condensateurs, le SVC et le STATCOM. Pour chaque solution, une tude de cas est ralise o les aspects techniques et conomiques sont traits. Un bilan comparatif est prsent la fin du chapitre autour des avantages et des inconvnients de chaque solution.

Le quatrime chapitre, Solution innovante de renforcement du courant de court-circuit en utilisant un transformateur deux enroulements primaires, propose une solution innovante pour laugmentation du courant de court-circuit : un transformateur spcialement cr pour cette application deux enroulements primaires. Lide de cette solution est de modifier le rapport de transformation pendant la priode de court-circuit. La solution est dtaille du point de vue technique en abordant les problmatiques inhrentes la conception dun tel systme.

Lavant dernier chapitre, Simulation temps-rel hybride sur maquette laboratoire, prsente la mise en uvre exprimentale de la solution du transformateur double enroulement effectue sur un simulateur temps rel hybride. Le comportement de la station Shore et de la commande des blocs de commutation des enroulements du transformateur sont modliss numriquement sur le simulateur temps- rel et une partie des composantes sont muls physiquement. Ce banc dessai a pour objectif de tester et de valider certains concepts de la solution propose et de corroborer les tudes faites en simulation pure.

Le dernier chapitre, Etude du rgime transitoire suite aux manuvres contrles du transformateur, approfondit les tudes de la solution du transformateur double enroulement. Les tudes transitoires proposs viennent complter les rsultats obtenus par le banc dessai, en modlisant le comportement du systme lors des manuvres des enroulements du transformateur. Diffrentes stratgies de changement de configuration du transformateur sont tudies.

Une conclusion gnrale, les perspectives qui se dessinent et les annexes clturent ce travail.

Raccordement des navires quai

5

Chapitre I. Raccordement des navires quai


6


7

Sommaire du chapitre I

Chapitre I. Raccordement des navires quai ............................................................................. 5

I.1 Introduction ....................................................................................................................... 9 I.1.1 Emissions polluantes des navires dans les ports ......................................................... 9 I.1.2 Solutions de rduction des missions polluantes des navires ................................... 10 I.1.3 Evolution des rglementations et lavnement de la solution de raccordement lectrique quai ................................................................................................................. 11

I.2 tat de lart des systmes de raccordement lectriques des navires quai ..................... 12 I.2.1 Rseau du port ........................................................................................................... 13 I.2.2 Architecture du rseau lectrique du navire .............................................................. 14 I.2.3 Dfinition du besoin dune connexion quai ............................................................ 17 I.2.4 Architecture dun systme Shore moyenne tension .................................................. 18 I.2.5 Mode de fonctionnement ........................................................................................... 19 I.2.6 Challenges techniques de la solution Shore Connection ..................................... 21

I.3 Problmatique de la thse: comment assurer la slectivit des protections du systme Shore Navire ...................................................................................................................... 22

I.3.1 Quelques pistes pour augmenter le courant de court-circuit du systme Shore ........ 22 I.4 Conclusions ..................................................................................................................... 23


8


9

I.1 Introduction

I.1.1 Emissions polluantes des navires dans les ports

Le transport maritime reprsente 90% des changes mondiaux des marchandises. Il est responsable de 3% des missions globales de CO2. Cette pollution vient sajouter dautres missions de gaz NOx (des oxydes dazote) and SOx (des oxydes de soufre) qui reprsentent un rel danger pour lenvironnement en gnral et pour les riverains en particulier. Plusieurs tudes rcentes mettent en relation ces missions avec des taux excessifs de cancer pulmonaire et autre maladie cardio-pulmonaire [RAD 13]. Il est important de noter que les navires quai engendrent avant tout une pollution locale, dont les effets sont sensibles dans un primtre gographique gnralement limit. De ce fait, les quais situs proximit des centres-villes (situation trs frquente dans les ports europens) sont particulirement exposs au problme de la pollution. A cet gard, les contextes sont diffrents dans lUE et aux Etats Unit. Les ports de commerce de lUE sont plus frquemment localiss proximit de zones urbaines [EFE 07]. Le transport maritime est dailleurs devenu le plus grand metteur de pollution dans l'Union europenne [WEB 01].

Figure I.1:Cas de mortalit cardio-pulmonaire directement attribuables aux missions des

particules des navires [COR 07]

Les mesures ralises par lorganisme amrican Natural Resources Defense Council (Figure I.1) ont montr la grande diffrence des niveaux de pollution entre les sources considres les plus polluantes et les ports amricains. Les substances mesures sont loxyde dazote (NOx) et les particules en suspension (PM10- Particulate Matter).


10

Figure I.2: Comparaison de la pollution mises ports avec celles mises par les raffineries, les

centrales lectriques et les automobiles

Conforme la Figure I.2, la quantit des missions polluantes dans le port de Los Angeles dpasse toutes les autres sources de pollution. Avec 31 tonnes par jour doxyde dazote et 1.8 tonnes par jour des particules en suspension, le port de Los Angeles reprsente une source des substances nocives plus importante quun demi-million de voitures. Conscientes de limpact majeur des missions polluantes des navires, les autorits de rglementation focalisent de plus en plus leur attention sur cette problmatique.

I.1.2 Solutions de rduction des missions polluantes des navires

Face la pollution croissante dans les rgions portuaires, une prise de conscience mondiale sest fait ce jour, pour dvelopper un plan de diminution du taux dmissions nocives des navires. Actuellement, il existe quatre principaux moyens de rduire la pollution lie au transport maritime:

Utilisation des carburants faible teneur en soufre : ce sont des combustibles plus coteux - le risque aujourdhui est de provoquer un report modal de la mer vers la terre, cest--dire un retour vers la route ou dautres moyens de transport plus polluants [RAP 13];

Utilisation des carburants base de gaz naturel liqufi (GNL): un carburant davenir pour le transport maritime car il ne produit quasiment aucune mission doxyde de soufre et de particules, CO2 et trs peu doxydes dazotes. Le dveloppement de cette solution est actuellement frein par les difficults lis :

la capacit nergtique du gaz ( la moiti de celle du fuel);


11

le stockage bord des navires ncessite une attention particulaire, linfrastructure de lapprovisionnement est sous-dveloppe;

le recours au GNL implique de modifier significativement les navires existants ou de renouveler les flottes [RAP 13].

Utilisation des dispositifs dpuration des gaz dchappement (les scrubbers) :

il sagit de dispositifs permettent de filtrer les gaz dchappement des moteurs et donc de rduire les quantits de soufre rejetes, quelle que soit la teneur en soufre du combustible utilis. Cette technologie est encore en phase dexprimentation bord des navires, il ny a pas encore suffisamment de systmes tests, approuvs, pour garantir un rsultat fiable [RAD 13] ;

Le raccordement lectrique des navires quai : il sagit de fournir de l'lectricit bord des navires par le rseau lectrique du port au lieu de produire de l'lectricit par les gnrateurs diesel des navires. Cela suppose darrter les groupes internes des navires et dalimenter leur rseau de bord en le raccordant au rseau lectrique du port, permettant ainsi llimination dmissions des navires pendant leur priode quai. Cette solution permet en outre de rduire la consommation de carburant dorigine fossile et nous pargne des nuisances sonores des moteurs diesel [RAD 13].

I.1.3 Evolution des rglementations et lavnement de la solution de raccordement lectrique quai

Les premires tudes grande chelle des missions polluantes au niveau mondial remontent en Europe de Nord, aux annes 1970. L'Organisation Maritime Internationale (OMI) avait mis l'accent sur la faon de rduire limpact sur l'environnement du transport maritime avec la MARPOL 73/78 (Convention internationale pour la Prvention de la pollution d'un navire de 1973, modifi par le Protocole de 1978) entre en vigueur en octobre 1983. Le problme pos tait le manque de normes industrielles concernant la solution technique destine diminuer la pollution. Prs dune dcennie plus tard, la convention de lOMI fut adopte et entra en vigueur en 2005 (Directive 2005/33/EC). Les avantages comparatifs du raccordement lectrique des navires quai et des technologies antipollution concurrentielles font dbat sur plusieurs aspects : le profil dexploitation du navire (la puissance installe, le temps pass quai, la frquence de passage), la fluctuation du prix du fioul par rapport lnergie lectrique fournie par le rseau terrestre, le taux de rduction de la pollution rgionale etc. Il a fallu attendre 2006 pour que le sous-comit marin au sein du Petroleum and Chemical Industry Committee of the IEEE Industry Applications Society forme un groupe de travail sur le dveloppement des normes relatives au raccordement lectrique des navires quai (IEEE P1713 Electrical Shore-to-Ship Connections). La porte du projet recouvrait toutes les composantes du systme ncessaire au raccordement lectrique de grands navires


12

commerciaux, incluant la fourniture dnergie quai, les briques de raccordement, les cbles de connexions et les systmes de contrle. En juillet 2011, l'OMI a renforc la rglementation sur les missions en adoptant un indice de la conception de l'efficacit nergtique obligatoire (EEDI) pour les nouveaux navires construits partir de 2013 (2017-2019 pour les pays en dveloppement). LEEDI exigent un niveau d'efficacit nergtique minimale pour les nouveaux navires et des technologies rduisant la consommation de carburant. LAgence de Protection de lEnvironnement (EPA) de ltat de Californie impose quen 2017, plus de 70% des navires dune mme flotte devront tre aliments par le rseau lectrique terrestre pendant leur escale ; en 2020, ce chiffre passera 80% [MAR 01]. Lvolution de la rglementation des organismes europennes et de la Californie est suivie par les rglementations dautres tats amricains et des pays asiatiques. Vu limportante attention porte au sujet de la pollution dans les zones portuaires et la rglementation impose par les organismes internationaux, plusieurs ports ont t quips avec des installations de raccordement des navires quai. Le premier projet a t implment dans le port de Gteborg (Sude) en 2000, puis suivi dans ceux de Los Angeles, Long Beach, Oakland (USA), Rotterdam (Pays Bas), Antwerp (Belgique), Stockholm (Sude), Singapore (Singapore) etc. Dans la littrature, plusieurs termes sont utiliss pour qualifier le raccordement lectrique des navires aux rseaux dalimentation lectrique terrestres:

En franais, les expressions Courant quai et Connexion lectrique des navires quai (CENAQ) sont utilises;

En anglais, les expressions Shore Connection , OnShore Power Supply , Cold Ironing et Alternative Maritime Power Supply - AMP sont utilises couramment.

I.2 tat de lart des systmes de raccordement lectriques des navires quai La solution Shore Connection est une solution innovante adopte dans diffrents ports travers le monde comme une mesure appartenant au concept de Green Ports. Le concept de Green Ports veut raliser une gestion efficace de l'environnement pour rduire l'impact ngatif sur l'cosystme et pour aide au dveloppement conomique au long des ctes. Cest un procd permettant au navire de brancher son systme lectrique sur une source dalimentation terre et d'teindre ses alternateurs pendant toute la dure daccostage (Figure I.3). Les charges du navire sont transfres l'alimentation ct terre sans interruption de service bord. Ainsi la substitution de la source du navire par le rseau quai est une opration transparente pour les diffrents procds bord tel que lclairage, le chauffage, la climatisation, la rfrigration, etc.


13

Figure I.3: Concept du raccordement des navires quai

En septembre 2012, la toute premire norme en matire de connexion lectrique des navires quai IEC/ISO/IEEE 80005-1 Ed.1 : Utility Connections in Port Part 1 : High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems est parue [IEC 05]. Cette norme dfinit larchitecture de linterface entre la station quai et le navire ainsi que les diverses exigences de construction, de conception et de compatibilit entre le rseau portuaire et le rseau du navire.

I.2.1 Rseau du port

Les ports sont des amnagements de type industriels avec un rseau lectrique propre. La Figure I.4 prsente un exemple de lemplacement dun port amricain. Ce port a une grande plateforme industrielle, mais aussi des quais commerciaux et touristiques.

Figure I.4: Plan dun port amricain [WEB 03]

La structure dun rseau lectrique portuaire a les caractristiques dun rseau de distribution moyenne tension (de 6.6 kV 33 kV) gnralement connects une rgie en moyenne ou haute tension, dpendant du pays et de la situation gographique du port. La frquence des rseaux lectriques dans la plupart des rgions du monde est de 50 Hz (Figure I.5).


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Figure I.5: Frquences des rseaux lectriques publiques dans le monde [WEB 02]

Les contraintes sur le rseau de distribution du port pour linstallation dun ou plusieurs systmes Shore Connection sont:

La disponibilit dune rserve de puissance suffisante pour alimenter les systmes Shore Connection et les autres charges du port;

La capacit du rseau de distribution du port alimenter les systmes Shore Connection, cest--dire de pourvoir permettre un point de raccordement avec la puissance et la qualit de tension requise.

Pour cela, des tudes lectriques doivent tre menes pour valuer les impacts des systmes Shore Connection sur le fonctionnement du rseau du port et de la rgie lectrique alimentent le port; ces impacts peuvent tre:

Les chutes de tension en rgime permanent et transitoire dues aux systmes Shore Connection;

Les instabilits sur le rseau de la rgie suite des impacts de charges des systmes Shore Connection;

Les harmoniques en tension et en courant provoqus par le systme Shore Connection ;

Modification des courants de court-circuit, etc.

I.2.2 Architecture du rseau lectrique du navire

La topologie globale du systme lectrique dun navire

Le rseau lectrique du navire (Figure I.6) est un systme compact avec sa propre source dalimentation (les alternateurs diesel) et une multitude de charges alimenter. De manire gnrale, le systme lectrique dun navire se compose de gnrateurs lectriques connects un rseau de distribution alimentant des charges divers niveau de tension. La redondance du systme est un facteur important de conception afin dassurer la disponibilit et la scurit du navire. La Figure I.6 montre titre dexemple larchitecture lectrique globale dun porte-conteneur avec ses gnrateurs 6.6 kV.


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Figure I.6: Rseau lectrique dun porte-conteneur

Les modes dexploitation En terme dexploitation, un navire possde diffrentes modes dexploitation selon lactivit du navire selon quil soit en mer, en phase daccostage et quai. Ces modes dexploitation se dfinissent par lutilisation de certaines charges lectriques seulement et par une configuration du rseau de distribution et du nombre de gnrateurs lectriques connects.

Figure I.7: Classification des navires [RAD 13]

Suivant le type de navire (Figure I.7), les priodes descale diffrent: La plus leve demande de puissance est ralise par les navires de

croisire (jusqu 20 MVA). Ce type de navire est caractris par un temps court daccostage avec une forte demande de puissance. Dun autre ct, les ferries ont des systmes de faible puissance, trs souvent en basse tension. Leurs escales sont rgulires et frquentes, accostent au mme quai ;

Les porte-conteneurs dtiennent une puissance leve, nayant pas un emplacement au mme quai lors de leurs escales ;

Les navires Ro-Ro ont un temps descale long (24h et plus) ; Les ptroliers et les vraquiers ont une faible frquence descale dans un

mme port.


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Le niveau de puissance demand quai La puissance installe varie en fonction du type de navire de quelques kVA pour les petites bateaux jusqu 15-20 MVA pour les grandes navires de croisire. Ci-dessous, le Tableau I.1 indique une estimation approximative de la puissance lectrique demande par chaque type de navire en moyenne.

Type du navire Puissance demande

Navire de croisire 10 20 MVA Porte-conteneur 5 7 MVA

Roulier (Ro-Ro en anglais)

1 6 MVA

Ferry 1 6 MVA Vraquier 5 - 10 MVA Ptrolier 5 - 7 MVA

Tableau I.1: Puissance lectrique demande par type de navire

Le niveau de tension de distribution du navire La majorit des navires opre une tension de distribution de 440V, 6,6 kV ou de 11 kV dpendant de la puissance des gnrateurs et des charges du navire. Le Tableau I.2 donne la rpartition du niveau de tension base ou moyenne selon le type de navire.

Type de navire Basse tension Moyenne tension Navires de croisire x

Ferries x x Porte-conteneurs x x

Ptroliers x Tableau I.2: Niveau de tension selon le type de navire [EFE 07]

La frquence du systme lectrique du navire La majorit des navires fonctionnent une frquence de 60 Hz. Nanmoins, un pourcentage non-ngligeable des navires disposent des gnrateurs qui fonctionnent 50Hz (Figure I.8).

Par exemple, la quasi-totalit des navires effectuant des trajets transocaniques sont aliments en 60 Hz (cest le cas pour 94% des navires transocaniques faisant escale au port de Rotterdam). A contrario, la proportion du 60 Hz nest que de 37% Rotterdam pour les navires de transport maritime courte distance et de 50% pour une slection alatoire de 300 navires faisant escale dans ce port [EFE 07].


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Figure I.8: Frquences et tension pour les navires [RAD 13]

I.2.3 Dfinition du besoin dune connexion quai

Les principaux critres que permettent de caractriser les besoins pour une connexion lectrique par un navire quai dans un port donn sont :

Le niveau de puissance demande par le navire : La station quai ainsi que le rseau amont du port doivent tre en

mesure dalimenter le navire et donc de fournir la capacit ncessaire ainsi que la qualit de la tension requise.

Le niveau de tension de la connexion quai/navire: Historiquement, les installations quai ont t construites pour

alimenter les navires avec des cbles basse tension. Suivant la puissance demande, un ou plusieurs cbles en parallle sont ncessaires. Compte tenu de la limite technique parallliser les cbles basse tension, laugmentation de la puissance installe des navires a men lever la connexion en moyenne tension lorsque le navire demande une puissance suprieure 1MVA.

La frquence demande par le navire: Compte tenu de la rpartition du niveau de frquence dans le monde et

de lventuelle incompatibilit que peut apparaitre au moment de la connexion lectrique du navire quai, certaines installations Shore ncessitent un quipement capable de convertir la frquence du rseau du port pour ladapter la frquence demande par le navire.

La frquence et la dure daccostage du navire: Le systme de raccordement quai tant, en certains cas, une

installation mobile, la frquence et la dure des priodes de service et darrt constituent des facteurs important pour la conception de linstallation.

Pour des questions dinteroprabilit des stations de connexion quai avec diffrents navires, la norme de linstallation Shore Connection [IEC 05] veille la compatibilit entre les deux systmes cot quai et cot navire en imposant des exigences techniques de part et dautre.


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On peut distinguer 2 grands critres que sont: La ncessit dutiliser ou non des convertisseurs de frquence; Le niveau de tension de la liaison quai/navire qui peut tre 400/440/690 V en basse

tension et 6.6/11 kV en moyenne tension. Les travaux de cette thse se sont focaliss sur les installations avec une connexion moyenne tension, cest--dire pour des navires de puissance suprieure 1MVA. Pour simplifier le terme utilis au long de cette thse, le systme Shore Connection sera nomm le systme Shore .

I.2.4 Architecture dun systme Shore moyenne tension

Larchitecture dun systme Shore moyenne tension est schmatise sur la Figure I.9.

1. Connexion moyenne tension au rseau portuaire 2. Transformateur disolement ct port 3. Systme de protection de linstallation Shore 4. Interrupteur ct quai 5.6.7. Connexion Shore-Navire: Cble MT, bornes de connexion MT, cbles de communication et contrle etc. 8. Systme de protection du navire 9. Disjoncteur ct navire 10. Transformateur (abaisseur ou lvateur quand la tension quai diffre de la tension du navire) 11. Disjoncteur principal du rseau de navire 12. Gnrateur navire

Figure I.9: Solution technique de raccordement moyenne tension

Le systme Shore inclut les lments suivants: une connexion au rseau portuaire (1), une option de conversion de frquence lorsque la frquence du navire diffre de celle

du rseau du port, qui peut potentiellement offrir une fonction de compensation de facteur puissance dans la mesure o le convertisseur statique prlve un courant facteur de puissance gal 1 (A),

un transformateur (2) avec une double proprit dadapter le niveau de tension pour la connexion avec le navire et dassurer lisolement galvanique ct port,


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un tableau moyenne tension de sortie (4) permettant la consignation de linstallation lors des priodes de manutention du cble et des prises moyenne tension,

des systmes de protection (3), de contrle commande et de communication (6,7) permettant dassurer la scurit des personnes et des biens ainsi que lautomatisation des squences de connexion et dconnexion. La connexion des systmes Shore-Navire est accomplie avec deux disjoncteurs moyenne tension: un disjoncteur de ct du port (4) et un autre du ct navire (9).

Respectivement, cot navire, se trouve:

Un tableau moyenne tension de sortie (9) permettant la consignation de linstallation lors des priodes de manutention du cble et des prises moyenne tension,

Le navire peut disposer dun transformateur spcialement install (10) dans son systme lectrique pour adapter la tension avec le rseau portuaire,

Des systmes de protection, de contrle-commande et de communication permettant dassurer la scurit des personnes et des biens ainsi que lautomatisation des squences de connexion et dconnexion.

I.2.5 Mode de fonctionnement

La fonction dun systme Shore est dalimenter un navire lorsquil est quai, ce qui implique la connexion via un cble mobile moyenne tension. Pour cela, des squences de connexion et de dconnexion (Figure I.10) bien dfinies permettant la manutention du cble moyenne tension en toute scurit ainsi que le basculement de source, des gnrateurs du navire au systme Shore et vice versa, sans coupure pour les charges du navire.

Figure I.10: Squences de connexion et dconnexion

La connexion du systme embarqu d'un navire avec linstallation Shore est effectue sans interruption par la synchronisation et le fonctionnement en parallle de la station Shore avec le gnrateur du navire. Les points cl dune squence de connexion sont:

Consignation du cble MT et de la prise MT pendant les phases de manutention des quipements MT (cble MT et prise MT) en sectionnant;


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Une fois la connexion du cble effectu ainsi que la dconsignation de ce dernier, le dmarrage de la station Shore est effectu pour nergiser le cble MT;

Avec le cble nergis, le navire est capable de synchroniser la tension de ses gnrateurs celle de la station Shore.

La synchronisation est effectue manuellement ou automatiquement (Figure I.11), de la faon suivante:

L'amplitude de la tension est rgle via le courant d'excitation du gnrateur de bord;

La frquence et la phase sont rgles par ajustement de la vitesse de rotation de ce mme gnrateur;

Figure I.11: Synchronisation Shore-Navire [MEG 13]

Couplage Shore-Navire; Transfer de charges des gnrateurs vers la station Shore [MEG 13], puis

dconnexion des gnrateurs lorsquils ne dbitent quun faible courant.

Figure I.12: Schma lectrique de lopration de mise en parallle du systme Shore avec le navire


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I.2.6 Challenges techniques de la solution Shore Connection

Les challenges techniques de la connexion des navires lectriques quai sont:

La compatibilit des systmes Shore et Navire, cest--dire que le systme Shore et Navire peuvent tre connects et fonctionnent correctement;

Et linteroprabilit des systmes, cest--dire quun navire puisse se connecter dans diffrents port et quune installation Shore puisse se connecter diffrents navires.

Pour garantir la compatibilit ainsi que linteroprabilit, la norme IEC/ISO/IEEE 80005-1 [IEC 05] dfinit, pour chacun des systmes lectriques Shore et Navire, des exigences techniques satisfaire. Une de ces exigences concerne la slectivit des protections : la norme stipule que linstallation Shore soit capable de faire dclencher la protection de la plus grande charge sur le navire. Dans le cas dun systme Shore avec conversion de frquence, le courant de court-circuit en aval de la station Shore est limit par les convertisseurs statiques en amplitude et en temps. Ainsi une attention particulire doit tre accorde aux protections maximum de courant de phase (code ANSI 50/51 [ANS 50]). Pour la protection ANSI 50/51, la grandeur mesure est le courant, ce type de protection tant utilise pour dtecter les surintensits monophases, biphases ou triphases. Lorsquun, deux ou trois des courants concernes dpassent la consigne correspondant au seuil, la protection devient active et dclenche [JEC 11]. La Figure I.13 reprsente le plan de protection du systme Shore-Navire concernant les dfauts entre phases. En dclinant lexigence normative, en cas de dfaut en aval de la protection D, le systme Shore doit tre capable de faire dclencher la protection D, cest--dire:

Dune part, le systme Shore doit tre capable de dlivrer un courant de court-circuit suffisant (amplitude et temps) pour faire dclencher la protection D;

Dautre part, la protection A ne doit pas dclencher avant la protection D.

Figure I.13: Protections ANSI 51/50 dans un systme Shore-Navire


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Cela se traduit par un graphe de slectivit comme mentionner sur la Figure I.14 a), o la courbe de la protection A est droite de la courbe D et o le courant maximum de court-circuit de la station Shore est suprieur un seuil en courant de la protection D.

Figure I.14: Graphe de slectivit du systme Shore-Navire pour les dfauts entre phases

Dans certains cas, le navire souhaite une slectivit plus importante en considrant non seulement les protections A et D, mais aussi les protections C et B par exemple. Dans ce cas, reprsent sur la Figure I.14 c), les exigences en termes de capacit de court-circuit pour la station Shore, sont plus exigeantes.

I.3 Problmatique de la thse: comment assurer la slectivit des protections du systme Shore Navire La slectivit du systme Shore-Navire est une problmatique trs importante. Dans certain cas, pour satisfaire les exigences de slectivit, le courant de court-circuit demand de la station Shore nest pas suffisant, la capacit des convertisseurs tant limit. Pour cela, une solution basique est de surdimensionn le nombre de convertisseurs pour disposer dun courant de court-circuit suffisant. Cette option implique des cots supplmentaires, en ajoutant des modules dquipements dlectronique de puissance utiliss uniquement pour les cas dapparition du court-circuit. Par contre, cette solution latout damliorer la capacit de la station Shore dmarrer des moteurs en direct.

I.3.1 Quelques pistes pour augmenter le courant de court-circuit du systme Shore

Comme nous avons pu le constater, lintgration des convertisseurs de frquence entre le rseau portuaire et le navire apporte au systme une limitation en courant, qui peut mettre en difficult la slectivit des protections. Cette situation donne lieu la problmatique singulire qui est daugmenter le courant de court-circuit dune source lorsque, la problmatique gnrale des installations lectriques classiques est de rduire ce niveau de courant de court-circuit. Dans ce contexte, le travail de recherche prsent dans cette thse aborde une nouvelle perspective en proposant des solutions pour renforcer le courant de court-circuit du systme Shore sans impliquer le surdimensionnement du nombre de convertisseurs de frquence. Lide principale est lajout dun quipement command lors du court-circuit pour fournir un courant additionnel comme reprsent sur la Figure I.15.

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UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Maricica – Mirela ION Amélioration de