9 février 2026
Puissance réactive plus rapide dans les réseaux électriques
Les réseaux électriques modernes sont soumis à des pressions sans cesse croissantes. La demande industrielle, les sources d'énergie renouvelables et les électroniques de puissance génèrent des fluctuations de tension, des harmoniques et des facteurs de puissance médiocres. Ces problèmes peuvent réduire l'efficacité, provoquer une surchauffe des équipements et même entraîner une instabilité du réseau.
Pour relever ces défis, les services publics utilisent des compensateurs synchrones statiques (STATCOM). Les STATCOM sont des électroniques de puissance connectés au réseau qui injectent ou absorbent rapidement de la puissance réactive, stabilisant ainsi les tensions et améliorant la qualité de l'alimentation électrique. Cependant, les STATCOM traditionnels sont encombrants, coûteux et complexes, particulièrement à moyenne et haute tension.
Nous explorons dans cette recherche comment rendre les STATCOM plus compacts, plus efficaces et plus rentables sans sacrifier leurs performances.
Défi posé par les STATCOM classiques
La plupart des STATCOM modernes sont constitués de convertisseurs modulaires à plusieurs niveaux (MMC). Les MMC sont intéressants car modulaires et évolutifs, et produisent des formes d'onde de tension de haute qualité, à faible distorsion harmonique. Le principal inconvénient est que, pour obtenir des tensions stables, un grand nombre de sous-modules sont nécessaires, ce qui augmente :
- La taille du système
- Le nombre de composants
- Le coût
- La complexité de manipulation
Autrement dit, pour de meilleures performances il faut généralement davantage d’équipement, ce qui pose problème à grande échelle.
Choix compact : le MMC « Z Packed U-Cell »
Pour surmonter cette contrainte, nous présentons un STATCOM composé d'un sous-module Z Packed U-Cell (ZPUC, cellules en série/parallèle dans une configuration en « Z ») intégré dans une structure MMC.
Au lieu de générer seulement deux niveaux de tension par sous-module, comme dans les conceptions classiques, le sous-module ZPUC produit plusieurs niveaux de tension en interne. Ainsi on obtient :
- Moins de sous-modules
- Moins de commutateurs par phase
- Une réduction des pertes et de l'empreinte écologique
Dans la conception proposée, seuls deux sous-modules ZPUC par bras suffisent pour générer une tension de phase à 17 niveaux, un seuil de performance qui nécessiterait normalement beaucoup plus de sous-modules conventionnels.
Figure 1 : Schéma du sous-module ZPUC
Figure 2 : Structure du STATCOM MMC à 17 niveaux en fonction du ZPUC proposé
Figure 3 : STATCOM VSC ZPUC-MMC connecté en parallèle avec le PCC
Équilibrage de tension intégré sans contrôleurs supplémentaires
Une difficulté majeure des convertisseurs à plusieurs niveaux est de maintenir l'équilibre des tensions internes des condensateurs. De nombreuses solutions reposent sur des capteurs supplémentaires et des boucles de contrôle complexes.
L'un des principaux avantages du ZPUC est que l'équilibrage de tension est obtenu intrinsèquement grâce à la stratégie de modulation. Par une méthode de modulation de largeur d'impulsion à déphasage (PS-PWM), les tensions des condensateurs restent naturellement équilibrées pendant le fonctionnement, sans rajout de couches de contrôle.
Ainsi, on simplifie l'architecture de contrôle et améliore la fiabilité du système.
Pourquoi la simulation en temps réel?
Construire un prototype STATCOM à grande échelle est coûteux et chronophage. Afin de valider le concept proposé, nous avons testé le système par simulation en temps réel sur une plateforme FPGA.
La simulation en temps réel permet au convertisseur et au système de commande de fonctionner comme dans un environnement matériel, mais sans risques physiques. Par rapport aux simulations traditionnelles avec processeurs, l'exécution FPGA permet :
- Une diminution des pas de temps
- Plus de précision
- Une meilleure validation des convertisseurs de puissance à commutation rapide
Cette approche permet de tester en toute confiance des systèmes complexes avant leur mise en œuvre.
Figure 4 : Architecture de la plateforme de simulation en temps réel combinant l'exécution CPU et FPGA
Performances en conditions réseau réelles
Nous avons testé le STATCOM proposé dans des scénarios d'exploitation réalistes, notamment pour :
- Les changements soudains dans la demande de puissance réactive
- Les transitions entre compensation capacitive et inductive
- Les variations des niveaux de tension continue
Les résultats démontrent que le système :
- Maintient des courants de réseau parfaitement sinusoïdaux
- Génère des formes d'onde de tension nettes à 17 niveaux
- Maintient l'équilibre des tensions internes des condensateurs
- Réagit rapidement aux conditions dynamiques du réseau
Ces résultats confirment qu'il est possible d'obtenir des performances élevées avec un nombre nettement réduit de composants.
Figure 5 : Tension et courant du réseau indiquant la compensation de puissance réactive
Figure 6 : Équilibrage interne de la tension du condensateur en fonctionnement
Figure 7 : Tensions de phase 17L dans chacun des bras supérieur et inférieur de la phase a
Figure 8 : Fonctionnement dynamique - variation de tension continue
Figure 9 : Fonctionnement dynamique - référence de puissance réactive capacitive de -150 Mvar à -75 Mvar
Figure 10 : Fonctionnement dynamique - référence de puissance réactive capacitive à inductive de -75 Mvar à +75 Mvar
Figure 11 : Fonctionnement dynamique - référence de puissance réactive inductive +75 Mvar à +150 Mvar
Conséquences pratiques pour les futurs systèmes électriques
Cette recherche ouvre la voie à des STATCOM plus petits, plus légers et plus économiques. En réduisant le nombre de sous-modules tout en conservant une excellente qualité d'alimentation, la conception MMC ZPUC proposée offre des avantages évidents pour :
- Des réseaux de distribution moyenne tension
- Des solutions d'alimentation électrique de qualité en industrie
- Des applications futures de réseaux intelligents
Au-delà des STATCOM, cette approche peut convenir à d'autres convertisseurs connectés au réseau, où l'efficacité, le coût et la fiabilité sont essentiels.
Perspectives d'avenir
Bien que la topologie proposée affiche d'excellentes performances, les travaux futurs porteront sur l'amélioration de la gestion des pannes et sur l'optimisation des stratégies de contrôle actuelles. Combiner le concept ZPUC avec des concepts tolérants aux pannes pourrait permettre un éventail plus grand encore d'applications réseau.
Information supplémentaire
Pour plus d'informations sur cette recherche, veuillez vous reporter à l'article de recherche suivant : S. Atanalian, F. Sebaaly, R. Zgheib and K. Al-Haddad, "Z Packed U-Cell Modular Multilevel Converter for STATCOM Applications," in IEEE Access, vol. 13, pp. 78795-78807, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3566015.
