Perturbations des réseaux électriques et principes de compensation

Qualité de l’énergie électrique

La qualité de l’énergie électrique est considérée comme une combinaison de la qualité de la tension et de la qualité du courant. Cependant le terme « qualité du courant » est rarement utilisé, car la qualité du courant est étroitement lié à la qualité de la tension et la nature des charges. Pour cette raison, « la qualité de l’énergie électrique » est souvent réduite à « la qualité de la tension » . La qualité de cette énergie dépend directement de la qualité de la tension aux points de raccordement de la charge au réseau PCC.
L’énergie électrique est délivrée sous forme d’un système triphasé de tensions laquelle est caractérisée, dans le cas idéal, par les paramètres suivants :
équilibre et symétrie parfaite des trois tensions en amplitude et en déphasages relatifs; stabilité de la fréquence; forme d’onde parfaitement sinusoïdale.
Perturbations harmoniques : Les perturbations sont tous les phénomènes internes ou externes au réseau ayant un pouvoir de modifier d’une manière transitoire ou permanente en amplitude et /ou en forme les grandeurs électriques du réseau. Ces perturbations résultent de la superposition, sur
l’onde fondamentale à 50 Hz, d’ondes également sinusoïdales mais de fréquences multiples de celle du fondamental. Le domaine de fréquence qui correspond à l’étude des harmoniques est généralement compris entre l’harmonique 2 et celui du rang 40 , mais on peut également observer des sous-harmoniques ou des inter-harmoniques à des fréquences non multiples entières de la fréquence fondamentale.
On peut alors distinguer : les altérations de l’onde de tension (harmonique, déséquilibre, fIicker). Ces phénomènes sont permanents ou durent au minimum plusieurs minutes ;
les creux de tension, surtension et coupures brèves d’une durée de l’ordre d’une à quelques secondes ; les surtensions transitoires, de durée inférieure à une période.
Origine des harmoniques : La cause principale de l’existence des harmoniques de tension est l’injection des courants non sinusoïdaux par des charges dites non linéaires. Ces charges sont principalement à l’origine de la distorsion harmonique présentée sur le réseau. Dans ce cas-là, le courant absorbé par les charges non linéaires peut être généralement modélisé comme l’addition de plusieurs sources de courant, une pour chaque composante fréquentielle, mises en parallèle: La façon la plus simple de représenter un courant non sinusoïdal est de considérer sa série de Fourier jusqu’à un rang significatif, c’est-à-dire en représentant les fréquences discrètes qui composent ce signal avec une précision souhaitée et une complexité acceptée .

Solutions de dépollution des réseaux électriques

Plusieurs solutions ont été envisagées pour réduire la propagation des harmoniques et améliorer la qualité d’énergie électrique. Elles peuvent être classées en deux types : traditionnelles et modernes. Solutions traditionnelles : Les solutions les plus simples et les premières utilisées sont des solutions passives ou des modifications structurelles pour traiter directement les harmoniques. Elles utilisent des composants passifs (inductances, condensateurs, transformateurs) et /ou des branchements qui modifient le schéma de l’installation. En général, les filtres passifs sont connectés en parallèle avec les charges génératrices d’harmoniques (les redresseurs à diodes ou à thyristors, fours à arcs électriques,…etc.).
L’association d’éléments capacitifs et inductifs en parallèle avec la charge polluante permet d’obtenir une résonance série accordée sur les rangs harmoniques à éliminer.
On différencie quatre types de filtres passifs : les filtres réglés à des fréquences déterminées, les filtres passe-haut, les filtres passe-bas et les filtres passe-bande. Le choix le plus commun pour le redresseur à thyristors de haute puissance consiste à utiliser une combinaison de plusieurs filtres réglés à une seule fréquence (sur les harmoniques 5, 7, 11 et 13) et un filtre passe haut du deuxième ordre réglé autour de la fréquence de l’harmonique 17 comme .
Solutions modernes
Le remarquable progrès dans le domaine des semi-conducteurs rapides de puissance à permis la promotion de nouvelles structures de convertisseur telles les filtres actifs et les redresseurs à MLI. Leurs utilisations permettent d’éviter des problèmes aux équipements à base d’éléments passifs. De plus, ces nouvelles techniques sont économiques et deviennent de plus en plus intéressantes . Les avantages de ces filtres actifs par rapport aux filtres passifs sont les suivants : le volume physique du filtre est plus réduit ; la capacité de filtrage est supérieure ; la flexibilité et adaptabilité sont très supérieures.
Pourtant, ils possèdent aussi quelques inconvénients: leur coût élevé a limité leur implantation dans l’industrie ; l’absence de réglementation spécifique n’incite pas leur intégration ; les pertes sont légèrement plus élevées.

Onduleur de tension à deux niveaux

Structure générale : L’onduleur triphasé de tension à deux niveaux à base d’IGBT est constitué de six interrupteurs bidirectionnels en courant (commandés à l’amorçage et au blocage) conduisant le courant dans les deux directions grâce aux diodes en antiparallèles. Il est associé généralement à deux étages passifs l’un du côté continu et l’autre du côté alternatif.
L’étage passif du côté alternatif, a comme fonction principale le filtrage, il est constitué d’inductance de sortie. Celui du côté continu assure le stockage de l’énergie par l’intermédiaire d’un condensateur C dc de tension dc v .
Tension générées par l’onduleur : L’onduleur de tension deux niveaux délivre, en sortie, deux niveaux de tensions dc v et 0, en fonction des états des interrupteurs. En théorie, nous commandons les deux semiconducteurs d’un même bras de façon complémentaire : la conduction de l’un entraîne le blocage de l’autre. Avec cette hypothèse, l’ouverture et la fermeture des interrupteurs de l’onduleur dépendent de l’état de trois signaux de commande.

Identification des courants harmoniques

Les méthodes d’identification des grandeurs harmoniques sont classées dans deux domaines, fréquentiel et temporel .
La première est basée sur la transformée de Fourier de la tension ou du courant non sinusoïdal pour en extraire les harmoniques de compensation. Cet algorithme présente la difficulté de nécessiter beaucoup de calcul surtout lorsque on augmente le nombre d’harmoniques à éliminer ; il en résulte un temps de réponse élevé .
La deuxième approche est basée sur la comparaison instantanée des grandeurs de compensation harmonique de référence, sous forme de tension ou de courant, aux grandeurs harmoniques réels. Beaucoup de méthodes entrent dans cette famille, notamment la méthode des puissances réelle et imaginaire instantanées.
On distingue des méthodes d’extraction globale (tous les harmoniques à compenser sont présents dans la référence) et sélective (les harmoniques à compenser sont choisis et limités) . Le choix de la méthode dépendra des objectifs fixés : compensation de tous les courants harmoniques, compensation sélective de certaines harmoniques, compensation des harmoniques dans des cas de configurations défavorables susceptibles de survenir dans les réseaux triphasés industriels, car la tension du réseau est souvent perturbée ou déformée. Pour générer les courants de référence servant à la commande du filtre actif, nous avons opté pour deux méthodes : méthode des puissances réelle et imaginaire instantanées et méthode des puissance réelle et imaginaire instantanées modifiée.

Intérêt des onduleurs multiniveaux

La structure de conversion multiniveaux offre d’énormes avantages relativement à une solution conventionnelle basée sur un convertisseur à deux niveaux, parmi les plus importants on mentionne : génération de tensions proches de la forme sinusoïde permet d’améliorer la qualité des formes d’ondes, qui se traduira par une réduction de la distorsion harmonique.
Ceci peut entraîner des avantages considérables comme la diminution des pertes fer, l’augmentation de la durée de vie des isolants.
le courant qui circule est lui aussi à faible taux de distorsion ; réduction des tensions du mode homopolaire et par conséquent des contraintes dans les paliers des moteurs électriques. En plus, l’utilisation de techniques de modulation sophistiquées peut totalement annuler ces tensions. Malgré leurs nombreux avantages, les onduleurs multiniveaux présentent certains inconvénients tels que : l’accroissement du nombre de niveaux de tension, plus compliquée dévient la structure du convertisseur ; la complexité de sa commande rend son coût élevé et sa fiabilité réduite.

Table des matières

Introduction Générale
I. Perturbations des Réseaux Electriques et Principes de Compensation
I.1. Introduction
I.2. Qualité de l’énergie électrique
I.2.1. Perturbations harmoniques
I.2.2. Origine des harmoniques
I.2.2.1. Source harmonique identifiable
I.2.2.2. Source harmonique non identifiable
I.2.3. Caractérisation des perturbations harmoniques
I.2.3.1. Le taux de distorsion harmonique
I.2.3.2. Le facteur de puissance
I.2.4. Conséquences de la distorsion harmonique
I.2.5. Normes et réglementations
I.3. Solutions de dépollution des réseaux électriques
I.3.1. Solutions traditionnelles
I.3.2. Solutions modernes
I.3.2.1. Filtre actif parallèle
I.3.2.2. Filtre actif série
I.3.2.3. Filtre combiné parallèle-série
I.3.2.4. Filtre actif hybride
I.3.2.5. Filtre actif multiniveaux
I.4. Conclusion
II. Etude de la Structure et des Stratégies de Commande de Filtre Actif Parallèle à Deux Niveaux
II.1. Introduction
II.2. Structure de SAPF à deux niveaux
II.2.1. Onduleur de tension à deux niveaux
II.2.1.1. Structure générale
II.2.1.2. Tension générées par l’onduleur.
II.2.1.3. Représentation vectorielle des tensions générées
II.3. Contrôle du SAPF à deux niveaux
II.3.1. Identification des courants harmoniques
II.3.1.1. Méthode des puissances réelle et imaginaire instantanées
II.3.1.2. Méthode des puissance réelle et imaginaire instantanées modifiée
II.3.1.2.1. Principe du FMV
II.3.1.2.2. Extraction des courants harmoniques
II.3.2. Régulation de la tension continue
II.3.2.1. Principe de la régulation
II.3.2.2. Synthèse du régulateur de tension
II.3.3. Stratégie de commande de l’onduleur à deux niveaux
II.3.3.1. Commande par hystérésis
II.3.3.2. Commande par hystérésis modulée
II.3.3.3. Commande par MLI à échantillonnage naturel
II.3.3.4. MLI vectorielle
II.3.4. Régulation du courant du filtre
II.3.4.1. Principe de la régulation
II.3.4.2. Synthèse du régulateur du courant
II.4. Résultats de simulation
II.4.1. Tensions de source sinusoïdales équilibrées
II.4.2. Tensions de source sinusoïdales déséquilibrées
II.4.3. Tensions de source équilibrées contenant des harmoniques
II.5. Résultats expérimentaux
II.5.1 Description du banc d’essai
II.5.2 Commande par hystérésis conventionnelle
II.5.3 Commande par hystérésis modulée
II.6. Conclusion
III. Etude de la Structure et des Stratégies de Commande des Filtres Actifs Parallèles Multiniveaux
III.1. Introduction
III.2. Intérêt des onduleurs multiniveaux
III.3. Structure de SAPF à trois niveaux
III.3.1. Onduleur de tension à trois niveaux
III.3.1.1. Structure générale
III.3.1.2. Tension générées par l’onduleur
III.4. Contrôle du SAPF à trois niveaux
III.4.1. Régulation de la tension continue
III.4.2. Stratégie de commande de l’onduleur à trois niveaux
III.5. Résultats de simulation
III.6. Structure de SAPF à cinq niveaux
III.6.1. Onduleur de tension à cinq niveaux NPC
III.6.1.1. Structure générale
III.6.1.2. Tension générées par l’onduleur
III.7. Contrôle du SAPF à cinq niveaux
III.8. Résultats de simulation
III.9. Conclusion
IV. Application de la Logique Floue au Filtrage Actif Parallèle
IV.1. Introduction
IV.2. Principe de base de la logique floue
IV.2.1. Variables linguistiques et ensembles flous
IV.2.2. Fonctions d’appartenance
IV.2.3. Opérateurs de la logique floue
IV.2.4. Règles floues
IV.2.4.1. Linguistiquement
IV.2.4.2. Symboliquement
IV.2.4.3. Par matrice d’inférence
IV.3. Commande par la logique floue
IV.3.1. Structure d’un régulateur flou
IV.3.1.1. Fuzzification
IV.3.1.2. Base de connaissance
IV.3.1.3. Mécanisme d’inférence
IV.3.1.4. Défuzzification
IV.3.2. Synthèse du régulateur flou
IV.4. Application de la logique floue pour la commande du SAPF
IV.4.1. Conception d’un régulateur flou proposé
IV.5. Résultats de simulation
IV.6. Conclusion
V. Commande Directe de Puissance Appliquée au Filtre Actif Parallèle
V.1. Introduction
V.2. Etat de l’art du contrôle direct de puissance
V.3. Principe du DPC classique
V.3.1. Calcul des puissances instantanées
V.3.1.1. Calcul des puissances instantanées injectées par SAPF
V.3.1.2. Calcul des puissances instantanées de référence
V.3.2. Comparateurs à hystérésis .
V.3.3. Détection de secteurs
V.3.4. Élaboration de la table de commutation
V.4. Principe du DPC proposé
V.5. Résultats de simulation
V.5.1. Tensions de source sinusoïdales équilibrées (Cas A)
V.5.2. Tensions de source sinusoïdales déséquilibrées (Cas B)
V.5.3. Tensions de source équilibrées contenant des harmoniques (Cas C)
V.6. Interprétation des résultats
V.7. Conclusion
Conclusion Générale
Références Bibliographiques