Un système de transmission flexible en courant alternatif, plus connu sous l'acronyme anglais de FACTS (pour Flexible Alternating Current Transmission System) est un équipement d'électronique de puissance d'appoint utilisé pour contrôler la répartition des charges dans le réseau en améliorant ainsi la capacité de transit et en réduisant les pertes, pour contrôler la tension en un point ou assurer la stabilité dynamique des réseaux de transmission d'électricité et des groupes de productions qui y sont connectés. Il peut également filtrer certaines harmoniques et donc améliorer la qualité de l'électricité.
La libéralisation du marché de l'électricité et l'intégration d’énergies renouvelables intermittentes a pour conséquences que la production est parfois très éloignée des lieux de consommation, elle n'est également plus aussi prévisible qu'auparavant, les capacités de transit du réseau doivent donc être augmentées, les goulots d'étranglement du réseau aménagés. Le manque d'acceptation de l'opinion publique pour la construction de nouvelles lignes électriques à haute tension et de nouvelles centrales électriques incite les gestionnaires de réseau à construire des FACTS afin d'augmenter les capacités de transit du réseau.
Les FACTS sont très nombreux. Ils font toujours partie de la famille des compensations électriques actives, mais cette compensation est série, parallèle (shunt) ou hybride, c'est-à-dire série et parallèle à la fois. Ils sont principalement constitués de capacités et d'inductances pour générer la puissance réactive, ainsi que d'électronique de puissance ou de disjoncteurs pour interrompre et rétablir le courant au travers des premiers éléments. Un transformateur est parfois utilisé pour diminuer la tension à laquelle sont soumis les autres composants. Les types de FACTS les plus répandus sont les bancs de capacités séries (commutées mécaniquement ou par thyristors), les SVC, qui combinent capacité et inductance en parallèle à la ligne, les STATCOM et SSSC qui sont des sources de tension placées respectivement en parallèle et en série à la ligne.
Fonctions Contrôle du transit de puissance thumb|Principe de la compensation série thumb|upright=0.5|La puissance active dépend principalement de l'angle de transport thumb|upright=0.5|La puissance réactive dépend principalement de l'amplitude des tensions
En temps normal les lignes électriques sont chargées dans une fourchette allant de un tiers à la moitié de leur capacité maximale. En cas de surcharge, une ligne peut atteindre sa limite, elle déclenche alors en quelques secondes, ce qui entraîne la surcharge des lignes avoisinantes qui déclenchent à leur tour, on a alors des déclenchements en cascade qui conduisent à une coupure d'électricité généralisée. Les FACTS tentent d'équilibrer la charge entre les lignes pour prévenir cette situation. Si un défaut a malgré tout lieu, il tentera de rééquilibrer la charge entre les différentes lignes pour arrêter la cascade de déclenchements.
De plus, un meilleur équilibrage des charges (comprendre courant) entre lignes réduit les pertes. Dit autrement, ils permettent d'éviter la formation de boucle de courant. En effet, les pertes prennent essentiellement la forme de pertes Joule et sont donc proportionnelles au carré du courant, en diminuant le courant par un facteur 2, on réduit les pertes par 4.
Les puissances active P et réactive Q transportées dans une ligne électrique en courant alternatif s'expriment comme suit pour une ligne sans perte :
Où V et V sont les tensions aux bornes de la ligne, X la réactance de la ligne, et l'angle de transport, autrement dit le déphasage entre V et V. Pour résumer, 3 paramètres sont importants : l'amplitude des tensions, l'angle de transport et l'impédance. Pour les réseaux en courant alternatif, le contrôle lie la puissance active à la fréquence d'une part, et la puissance réactive au contrôle de la tension de l'autre.
Pour régler le transfert de puissance, on peut donc choisir de contrôler l'amplitude des tensions, la valeur de l'impédance ou l'angle de transport : Les condensateurs ou bobines montés en série permettent de changer la valeur de l'impédance. Les condensateurs série permettent de diminuer l'impédance des liaisons électriques et d'augmenter la puissance transmissible par ces liaisons (une liaison électrique haute-tension étant essentiellement inductive). D'une certaine manière, on peut dire qu'ils réduisent la longueur de la ligne. À l'inverse, les inductances série augmentent l'impédance d'une liaison électrique, afin de mieux répartir les courants sur les différentes liaisons. Les condensateurs ou bobines montés en shunt permettent de changer l'amplitude de la tension en un point. En effet, les condensateurs shunts fournissent de la puissance réactive, et augmentent localement la tension du réseau. Tandis que les réactances shunt consomment de la puissance réactive, et diminuent la tension du réseau. Les déphasages créés par les UPFC ou les transformateurs déphaseurs influent sur l'angle de transport. Dans le cas, où plus de deux lignes sont en parallèle mais n'ont pas la même longueur , c'est-à-dire le même angle de transport, un réglage de ce dernier paramètre permet de rééquilibrer la charge. Elle évite également les boucles de courant.
Dit autrement, les condensateurs et les bobines permettent au FACTS de fournir ou de consommer dynamiquement de la puissance réactive sur le réseau. Ceci a pour effet d'augmenter ou de diminuer l'amplitude de la tension à son point de connexion, et par conséquent la puissance active maximale transmissible.
L'objectif est d'augmenter la capacité de transit de puissance en s'approchant des limites thermiques des lignes. La mauvaise acceptation publique pour les lignes électriques, pour des raisons environnementales principalement, rend cet usage des FACTS de plus en plus répandu . Il est bon toutefois de rappeler que le FACTS ne change pas cette limite thermique et ne peut donc augmenter indéfiniment la puissance électrique transportable d'une ligne électrique à haute tension. Les dispositifs FACTS ne remplacent donc pas la construction de nouvelles lignes. Ils sont un moyen de différer les investissements en permettant une utilisation plus efficace du réseau existant.
Contrôle de la tension en régime stationnaire Les longues lignes ont tendance à avoir des surtensions à leurs extrémités en cas de faible charge, on parle d'effet Ferranti, et au contraire une faible tension en cas de forte charge. Pour maintenir une tension constante, ou du moins pour ne pas dépasser les limites imposées par la régulation, un FACTS monté en parallèle peut être intéressant.
La compensation est localisée dans des postes qui sont répartis à des endroits stratégiques sur la ligne. Puisque la compensation n'est pas répartie d'une façon uniforme, il est impossible de maintenir la tension à sa valeur nominale en tout point de la ligne. Il est donc important de bien sélectionner les endroits où la compensation shunt est installée pour éviter que la tension ne s'écarte trop de sa valeur nominale.
Si le SVC fonctionne en réglage de tension, le système de contrôle ajuste le courant dans le SVC de façon que courant et tension suivent une courbe caractéristique.
Stabilité dynamique
Dans le réseau, la génération d'électricité est assurée par des machines synchrones. Les défauts sur les lignes, les ouvertures et fermetures de sélecteur, les pannes de certains équipements peuvent faire osciller la puissance active des générateurs, concrètement les axes des générateurs se mettent à accélérer, d'autres à décélérer. Autrement dit, l'angle de transport se met à osciller. La capacité du réseau à retrouver son synchronisme, est appelée stabilité dynamique.
Les FACTS permettent de régler la tension et l'angle de transport rapidement et permettent ainsi d'amortir les oscillations de puissance active et augmente ainsi la disponibilité et la fiabilité du réseau. En mode transitoire, en cas de défaut, le temps de réaction doit être inférieur à .
Qualité de l'électricité Les fournisseurs d'électricité doivent assurer une bonne qualité de la tension, cela veut dire une fréquence et un niveau de tension aussi constants que possible, une forme d'onde sinusoïdale et enfin une symétrie entre phases. Cependant le réseau peut subir les défauts suivants : les creux de tension et coupures brèves. (Leur durée peut aller de 10 ms à plusieurs secondes) après court-circuit dans le réseau. les variations rapides de tension (). les surtensions temporaires ou transitoires (durée inférieure à 1 seconde). les interruptions courtes ou coupure brève (de 1/2 cycle à 3 secondes). un déséquilibre de tension.
Ces défauts peuvent venir du réseau lui-même ou des clients, occasionnels, comme les orages, ou récurrents, comme le démarrage de machines industrielles tel un four à arc. Les FACTS limitent les effets des défauts et des défaillances de l'équipement grâce à leur contrôle de tension par exemple.
Au niveau de la forme d'onde des filtres sont souvent associés aux FACTS afin de limiter les harmoniques environnants ou créés par l'installation elle-même. Voir paragraphe filtres.
Limiter les courants de court-circuit
Certains FACTS, comme les TCSR et les IPC, dans certaines configurations, peuvent également limiter le courant de court-circuit.
Histoire Les premiers FACTS sont apparus dans les années 1930 afin d'augmenter la capacité de certaines lignes ayant une forte impédance. Les compensateurs montés en série sont utilisés depuis plus de 60 ans dans le monde.
Les premiers SVC sont apparus dans les années 1970 et ont été développés par l'EPRI. Le premier a été mis en service au Nebraska en 1974 par General Electric pour stabiliser la tension devenue fluctuante à cause des laminoirs et des fours à arc environnants . C'est durant la même période que les thyristors ont commencé à être employés.
Les GTO sont commercialisés depuis la fin des années 1980. Le premier TCSC a été construit en 1992 par ABB à Kayenta aux États-Unis, il a permis d'augmenter la capacité de transmission de la ligne de 30 %. Le principe du STATCOM a été inventé en 1976 par Laszlo Gyugyi. Le premier a été installé à Inuyama au Japon en 1991. Il a été commercialisé par Kansai Electric Power Corporation et Mitsubishi Electric Power Corporation. Le second a été installé à Sullivan au Nord-Est du Tennessee par Westinghouse Electric Corporation aux États-Unis en 1995. Le principe de l'UPFC a été présenté en 1990 par Laszlo Gyugyi. Le premier UPFC a été mis en service en 1998 au poste électrique de AEP Inez pour le compte d'American Electric Power.
Dans le début des années 1990, le Royaume-Uni et la Norvège ont dérégulé leur marché électrique. Par la suite, les autres pays scandinaves et l'Europe en général a emboîté le pas. Aux États-Unis et en Amérique du Sud, le marché est également largement libéralisé. Alors que le réseau de transmission électrique est considéré comme un monopole naturel en Europe, l'Australie, la Nouvelle-Zélande et les États-Unis l'ont également partiellement libéralisé. Cela rend la prédiction des flux d'énergie beaucoup plus difficile. Il devient nécessaire de développer le réseau et de le rendre plus contrôlable avec des FACTS par exemple.
Dans le futur, l'utilisation de semiconducteurs à large bande comme le carbure de silicium ou le nitrure de gallium permettrait selon les études à la fois d'obtenir des composants ayant une plus haute tension et des pertes réduites par rapport à ceux actuels fabriqués en silicium .
Types de FACTS Le terme FACTS désigne en fait une classe d'équipements qui regroupe une longue liste de sigles (anglophones en général) ; De manière synthétique on peut les classer comme suit :