Simulation d’un filtre actif parallèle de puissance pour la compensation des harmoniques de courant

Origine des harmoniques

La prolifération des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux électriques. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale, ou parfois à des fréquences quelconques. Le passage de ces courants harmoniques dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques aux points de raccordement et ainsi polluer les consommateurs alimentés par le même réseau électrique. Emission en tension : L’émission harmonique en tension due aux matériels de réseaux entre pour une faible part, et avec des taux généralement faible, dans la distorsion des réseaux. Elle est due aux imperfections de construction (dissymétrie, distribution non sinusoïdale du champ dans les alternateurs, saturation des circuits magnétiques etc.…) des bobinages des machines tournantes et des transformateurs.
Alternateurs : Les alternateurs des centrales de production fournissent une tension d’alimentation qui contient très peu d’harmoniques (< 0.5%). Le contenu harmonique de la tension générée par les alternateurs est lié à la qualité du bobinage et des pièces polaires qui assurent la forme sinusoïdale de l’onde. Sur un groupe électrogène, le taux de distorsion harmonique en tension est généralement inférieur à 5% à vide est inférieur à 1% lorsque le groupe électrogène débite à pleine puissance sur une charge linéaire.
Transformateurs : Les transformateurs peuvent être générateurs de tensions harmoniques lorsqu’ils fonctionnent en régime saturé. Sur les réseaux, le taux de distorsion harmonique en tension dû à ces appareils reste toujours faible.
Alimentations statiques ininterruptibles (ASI) : Ces dispositifs ont des performances très intéressantes pour la protection du matériel contre les creux de tension et les coupures. En revanche, ils ont parfois des limitations dans le domaine harmonique qu’il convient de connaître pour bien les maîtriser. En effet, le réseau protégé alimente généralement des charges non linéaires comme du matériel informatique.
Pour une ASI d’une puissance de 80KVA, le taux de distorsion harmonique en tension est inférieur à 4% pour une charge linéaire, est inférieur à 7% pour une charge non linéaire.
En générale, le taux de distorsion harmonique en tension diminue avec l’augmentation de la puissance de L ‘ASI.
Il faut bien noter qu’en charge, le taux de tension harmonique est dû essentiellement aux courants harmoniques créés par les charges non linéaires qui sont alimentées par L’ASI.
Emission en courant : Les charges non linéaires consomment un courant qui n’est pas sinusoïdale. Elles représentent les principales sources d’émission en courants harmoniques sur les réseaux. On peut distinguer sept différents types de « charges perturbatrices élémentaires » chez l’utilisateur, dont quatre sont des montages électroniques :
le redresseur monophasé à filtre capacitif, le gradateur monophasé, le redresseur triphasé à thyristors, le redresseur triphasé à diodes et filtre capacitif, les moteurs asynchrones, les lampes, les appareils à arc électrique.

Conséquences des harmoniques

Les courants harmoniques se propagent dans le réseau électrique, déforment l’allure du courant de la source et polluent les consommateurs alimentés par ce même réseau. Ils peuvent occasionner des incidents au niveau de l’appareillage du client ce qui donne lieu à des sur coûts de production d’énergie importants. On peut classer les effets engendrés par les harmoniques en deux type: les effets instantanés et les effets à terme.
Effets instantanés : Les effets instantanés apparaissent immédiatement dans certains appareillages: Défauts de fonctionnement de certains équipements électriques: En présence d’harmoniques, la tension et le courant peuvent changer plusieurs fois de signe dans une demi-periode. Les appareils dont le fonctionnement est basé sur le passage à zéro des grandeurs électriques peuvent être affectés.
Troubles fonctionnels des micro-ordinateurs: Les effets sur ces équipements peuvent se manifester par la dégradation de la qualité de l’image et par des couples pulsatoires des moteurs d’entraînement de disque.
Erreurs dans les appareils de mesure: Certains appareils de mesure et les compteurs d’énergie à induction présentent des dégradations de mesure des erreurs de lecture supplémentaires en présence d’harmoniques.
Vibrations et bruits: Les courants harmoniques génèrent également des vibrations et des bruits acoustiques, principalement dans les appareils électromagnétiques (transformateurs, inductances et machines tournantes).
Effets à terme : Ils se manifestent après une exposition plus ou moins longue à la perturbation harmonique.
L’effet à terme le plus important est de nature thermique, il se traduit par l’échauffement. Il conduit à une fatigue prématurée du matériel, des lignes et amènent un déclassement des équipements. Echauffement des câbles et des équipements: Ces effets peuvent être à moyen terme (de quelques secondes à quelques heures) ou à long terme (de quelques heures à quelques années) et concernent les câbles qui peuvent être le siège du sur échauffement du neutre et les enroulements comme pour les transformateurs ou les moteurs.
Echauffement des condensateurs: L’échauffement est causé par les pertes dues au phénomène d’hystérésis dans le diélectrique. Les condensateurs sont donc sensibles aux surcharges, quelles soient dues à une tension fondamentale trop élevée ou à la présence d’harmoniques. Ces échauffements peuvent conduire au claquage.
Echauffement due aux pertes supplémentaires des machines électriques et des transformateurs: L’échauffement est causé par les pertes dans le stator des machines électriques et principalement dans leurs circuits rotoriques à cause des différences importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et le rotor.
Les harmoniques gênèrent aussi des pertes supplémentaires dans les transformateurs, par effet Joule dans les enroulements, accentuées par l’effet de peau et des pertes par hystérésis et courants de Foucault dans les circuits magnétiques.

Analyse des harmoniques

La théorie classique de l’énergie électrique ne tient compte que des systèmes électriques basés sur des signaux sinusoïdaux. Cependant les signaux électriques présents sur les réseaux (surtout les courants) sont souvent perturbés et ils ne sont pas parfaitement sinusoïdaux. Dans le domaine de la qualité de l’énergie, il est indispensable de bien connaître tous les échanges d’énergie entre le réseau et les différentes charges de façon à pouvoir compenser les éventuelles perturbations. L’analyse des signaux non sinusoïdaux est basée sur deux concepts mathématiques qui sont les harmoniques, qui permettent la décomposition des signaux électriques perturbés (non sinusoïdaux) en composantes idéales et perturbations.
Le concept d’harmonique a été introduit au début du XIXème siècle par Joseph Fourier , en démontrant que tout signal périodique non sinusoïdal peut être représenté par une somme ou série des sinusoïdes de fréquences discrètes. La composante zéro de la série dite de Fourier est la composante continue, tandis que la première composante est appelée composante fondamentale. Dans le cas des systèmes raccordés au réseau, celle-ci est une composante à la fréquence nominale du réseau (50Hz). Le reste des composantes de la série sont appelés harmoniques et sont multiples de la fréquence fondamentale.

Etude de l’onduleur de tension

Un onduleur est un convertisseur statique assurant la conversion continue – alternative à partir d’une source de tension continue, on peut obtenir à la sortie une tension alternative.
Donc, il est possible de produire à la sortie du convertisseur une tension alternative, par une séquence de commande adéquate des interrupteurs. Cette tension peut comporter un ou plusieurs créneaux par alternance suivant qu’il s’agit d’une commande à un créneau par alternance, ou d’une commande de modulation de largeur d’impulsions (MLI).
Le but de la commande de l’onduleur est de permettre la meilleure reproduction des courants de référence, à travers les ordres de commande appliqués aux interrupteurs de puissance. Les deux principales familles de commande des convertisseurs statiques sont : la commande par hystérésis , la commande par modulation de largeur d’impulsions.
Commande par hystérésis : La commande par hystérésis, appelée aussi commande en tout ou rien, est une commande non linéaire qui utilise l’erreur existant entre le courant de référence et le courant produit par l’onduleur, cette erreur est comparée à un gabarit appelé bande d’hystérésis. Dés que l’erreur atteint la bande inférieure ou supérieure , un ordre de commande est envoyé de manière à rester à l’intérieur de la bande. La simplicité est le principal avantage de cette technique. En revanche, les commutations évoluant librement à l’intérieur de la bande d’hystérésis, on ne peut pas maîtriser correctement le spectre haute fréquence dû aux fréquences de commutations. Ce problème peut être résolu par une autre stratégie de commande qui peut être proposé à savoir la commande par hystérésis modulée. Mais dans cette stratégie de commande, il est difficile de définir la largeur de la bande de l’hystérésis .
Commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI) : Pour résoudre les problèmes précédents, nous introduisons une deuxième famille de commande de l’onduleur : la technique de commande par MLI, qui résout le problème de la maîtrise de la fréquence de commutation.
La plus simple et la plus connue des modulations de largeur d’impulsion est sans doute la MLI à échantillonnage naturel.
Cette technique de commande met en œuvre d’abord un régulateur qui détermine la tension de référence de l’onduleur à partir de l’écart entre le courant mesuré et sa référence. Cette dernière est ensuite comparée avec un signal triangulaire (porteuse à fréquence élevée fixant la fréquence de commutation). La sortie du comparateur fournit l’ordre de commande des interrupteurs.

Stratégie de commande du filtre actif parallèle

Afin de commander le filtre actif parallèle, nous devons d’abord identifier les courants harmoniques de la charge polluante, qui servent en effet comme références du filtre actif parallèle. Donc, la stratégie de commande du FAP se base sur la détection des courants perturbateurs dans le domaine temporel. Trois possibilités d’identification des courants perturbateurs peuvent être utilisées :
identification à partir de la détection du courant de la charge polluante. identification à partir de la détection du courant de la source. identification à partir de la détection de la tension de la source. Les différentes méthodes d’identification de courant perturbateur peuvent être regroupées en deux familles : La première famille utilise la transformée de Fourier rapide dans le domaine fréquentiel, pour extraire les harmoniques de courant. Cette méthode est bien adaptée aux charges où le contenu harmonique varie lentement. Elle donne aussi l’avantage de sélectionner les harmoniques individuellement. Il est à noter que cette méthode nécessite une grande capacité de calcul.
La deuxième famille est basée sur le calcul des puissances instantanées dans le domaine temporel. Certaines de ces méthodes se basent sur le calcul des puissances harmoniques de la charge non linéaire. D’autres peuvent être utilisées pour compenser à la fois les courants harmoniques et la puissance réactive, en se basant sur la soustraction de la partie fondamentale active du courant total .
Récemment, des nouvelles méthodes d’identification donnent le choix de compenser un, plusieurs ou voire même tous les types de courants perturbateurs. En effet, en se basant sur la régulation de la tension continue et sur celles du réseau électrique aux points de raccordement, nous pouvons compenser à la fois tous les courants perturbateurs, tout en offrant la possibilité de réguler la tension de la charge. Cette méthode, qui ne peut être implantée que numériquement, ne garantit pas une compensation parfaite de la puissance réactive, de même que la régulation de tension n’assure pas toujours une bonne qualité à la tension de la charge. Une autre méthode, appelée méthode de détection synchrone, reposant sur la transformée de Park a été proposée . Cette méthode se base essentiellement sur le calcul de la pulsation fondamentale obtenue par une PLL. Cela exige une précision parfaite du calcul de cette pulsation afin de ne pas avoir des courants identifiés erronés.
Enfin, la méthode d’identification la plus utilisée est celle appelée méthode des puissances réelles et imaginaires instantanées . Cette méthode offre l’avantage de choisir la perturbation à compenser avec précision, rapidité et facilité d’implantation. Pour toutes ces raisons nous avons retenu cette méthode d’identification pour le reste de notre étude. En effet, afin de pouvoir compenser les courants harmoniques, les courants déséquilibrés et la puissance réactive conjointement ou individuellement, cette méthode nous a semblé la mieux appropriée.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ORIGINE, ANALYSE ET CONSEQUENCES DES HARMONIQUES
1.1 Introduction
1.2 Paramètres de la qualité de l’énergie électriques
1.2.1 Creux et coupures de tension
1.2.2 Fluctuations de tension
1.2.3 Déséquilibre du système triphasé de tension
1.2.4 Variation de fréquence
1.2.5 Harmoniques et interharmoniques
1.3 Origine des harmoniques
1.3.1 Emission en tension
1.3.2 Emission en courant
1.4 Conséquences des harmoniques
1.5 Analyse des harmoniques
1.5.1 Développement en série de Fourier du courant de la charge non linéaire
1.5.2 Taux de distorsion harmonique (Total Harmonic Distorsion THD)
1.5.3 Facteur de puissance
1.6 Normes
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 : DEPOLLUTION DES RESEAUX ELECTRIQUES
2.1 Introduction
2.1 Solutions traditionnelles de dépollution
2.2 Solutions modernes de dépollution
2.2.1 le filtre actif parallèle
2.2.2 le filtre actif série
2.2.3 La combinaison parallèle – série actifs (UPQC)
2.2.4 Combinaison hybride active et passive
2.2.5 Comparatif et choix du filtrage actif parallèle (FAP)
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 : FILTRE ACTIF PARALLELE DE PUISSANCE, PRINCIPE, STRATEGIE DE COMMANDE ET DIMENSIONNEMENT
3.1 Introduction
3.2 Principe de filtrage actif parallèle de puissance
3.3 Structure du filtre actif parallèle
3.3.1 Etude de la partie puissance
3.3.2 Etude de l’onduleur de tension
3.4 Stratégie de commande du filtre actif parallèle
3.5 Dimensionnement l’ensemble réseau, filtre actif parallèle et charge polluante
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 : METHODE DES PUISSANCES REELLES ET IMAGINAIRES INSTANTANEES
4.1 Introduction
4.2 Généralités sur les puissances instantanées
4.3 Calcul des courants perturbateurs
4.4 Algorithme d’identification
4.5 Régulation
4.5.1 Régulation de la tension continue
4.5.2 Régulation du courant du filtre actif parallèle
4.6 Modélisation et simulation numérique
4.6.1 Schéma synoptique de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle et charge polluante
4.6.2 Modélisation de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle et charge polluante
4.6.3 Simulation de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle et charge polluante
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5 : IDENTIFICATION A PARTIR DE LA DETECTION DU COURANT DE LA SOURCE
5.1 Introduction
5.2 Etude du filtre actif parallèle monophasé
5.2.1 Principe d’équilibre énergétique du condensateur
5.2.2 Détermination de la capacité du condensateur de stockage d’énergie
5.2.3 Contrôle de la tension du condensateur Cdc
5.2.4 Inductance du filtre
5.2.5 Phase de conduction du filtre actif parallèle monophasé avec la commande MLI
5.3 Modélisation et simulation numérique du filtre actif parallèle monophasé
5.3.1 Schéma synoptique de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle monophasé et charge polluante
5.3.2 Simulation de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle monophasé et charge polluante
5.4 Modélisation et simulation numérique du filtre actif parallèle triphasé
5.4.1 Schéma synoptique de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle triphasé et charge polluante
5.4.2 Simulation de l’ensemble réseau, filtre actif parallèle triphasé et charge polluante
5.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES