Qualité de l’énergie Power quality in electrical power...

1

Qualité de l’énergie

Power quality in electrical power systems

Delphine RIUDelphine.Riu@g2elab.grenoble-inp.fr

Grenoble-INP, Ense3, G2Elab, 2013/ 2014

2

Qu’est-ce que la qualité de l’énergie ?

3

Qu’est-ce que la qualité de l’énergie ?

Réseau de bord d’un navire tout électrique

Constituants du Réseau de distribution français(donnée ERDF)

4

Introduction

Les caractéristiques (donc la qualité) du vecteur électricité dépendent:– Du producteur– Du distributeur– Des fabricants d’équipement– Du client !

� Problématique complexe de la qualité d’énergie� Besoin d’une méthodologie rigoureuse

� Diagnostic� Études� Solutions� Mise en œuvre� Maintenance préventive

5

Introduction

La continuité de tension (fiabilité) relève:– de la conception du réseau (de distribution, industriel)– De la qualité du matériel– Des bonnes pratiques de maintenance et d’exploitation

� Compromis technico-économique historique

La continuité est caractérisée par :le nombre de coupures d’alimentation par unité de temps

Coupures longues (> 3 min) ou brèves (< 3 min)

6

Introduction

La qualité de tension (problématique plus récente) relève:– Du maintien de la valeur et de la fréquence de la tension aux

limites définies par la réglementation– De l’absence de perturbations

• Variations rapides de l’amplitude (creux ou à-coups de tension)• Variations de la forme de l’onde de tension (harmoniques et

interharmoniques)• Déséquilibres• Variations de la fréquence d’alimentation

� Dimensionnement de l’installation� Compromis technico-économique pour respecter des

normes

7

Introduction

La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) relève:– Du droit pour les charges d’émettre des perturbations– De l’acceptation pour le réseau d’une certaine déformation liée à

la perturbation

� Définition de gabarits pour chaque charge définissant les déformations maximales de la tension liées aux courants consommés perturbateurs

8

Introduction

Impacts économiques et sociaux• Perte de continuité de service ou manque de qualité

• Coût élevé : manque à produirepertes matières premièresremise en état du système de productionretards de livraison

• Sûreté des personnes (ascenseurs, balisage ou éclairage, hôpitaux)

• Surdimensionnement des installations et factures énergétiques– Vieillissement prématuré des équipements– Baisse des rendements énergétiques

9

Introduction

Contexte encourageant un soin particulier à la QEE:• Multiplication des équipements sensibles et générateurs de

perturbations (convertisseurs d’électronique de puissance)

� Normes de plus en plus contraignantes

• Libéralisation des marchés énergétiques

� La QEE devient un facteur différentiateur pour un fournisseur d’énergie dans un contexte concurrentiel

• Respect de l’environnement� Production d’énergie à base de systèmes décentralisés (EnR)

10

Plan du cours de Qualité de l’Energie Electrique(QEE pour les intimes)

11

Plan du cours

• Rappels mathématiques

• Théorie énergétique généralisée

• Description et impacts des perturbations sur la tension– Harmoniques et inter harmoniques

– Creux de tension, coupures, à coups, flickers

• Solutions préventives, solutions curatives– Pré-conception d’un réseau pour réduire les risques

– Techniques de filtrage du courant

• Amélioration de la qualité de l’onde avec des systèmes d’Electronique de Puissance

12

1. Rappels mathématiques

13

Rappels mathématiques

• Notion de phaseur– Pour une onde idéale

– Pour une onde triphasée équilibrée directe

( )000 2cos.2)( Φ+= tXtX πω 0.0Φ= jeXX

+Φ

−Φ

Φ

=

=

=

3

2

3

2

0

0

0

.

.

.

π

π

j

effc

j

effb

jeffa

eXX

eXX

eXX

Xa

Xb

Xc

14

Rappels mathématiques

• Rappel sur les composantes symétriques (théorème de Fortescue)

3

2j

ehomopolair systèmeinverse système

2

direct système

2 ea

1

1

1

.

1

.

1

.π

=

+

+

=

3214342143421

hid

c

b

a

X

a

aX

a

aX

X

X

X

Tout système triphasé peut s’écrire sous la forme d’une combinaison linéaire de trois systèmes triphasés :

- système triphasé équilibré direct : composante directe (Xd)

- système triphasé équilibré inverse : composante inverse (Xi)

- système triphasé équilibré homopolaire : composante homopolaire (Xh)

15

Rappels mathématiques

• Transformée de Fourier d’un signal T-périodique

( ) ( )( )

( ) ( )

( ) ( )∫

∫

∑

=

=

=

++=∞

=

π

π

ωωπ

ωωπ

πω

ωω

2

0

2

0

1

0

.sin).(1

.cos).(1

.2.

sin.cos.2

)(

tdthtfb

tdthtfa

T

thbthaa

tf

h

h

hhh

Coefficients de Fourier (calculés numériquement)

16

Rappels mathématiques

• Transformée de Fourier d’un signal T-périodique mais discret (cas d’un nombre d’intervalles impair découpant une période)

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑∑

∑

∑

==

=

=

++=

+=

=

=

=

n

hh

n

hh

N

kkh

N

kkh

hxlbhxlaalxf

Nnn

l

hklflb

hklfla

110

.2

0

.2

0

sin.cos.2

1;

12

2

sin.1

cos.1

ππ

πLes deux fonctions

(continue et discrète) sont égales pour x = h.l

L’échantillonnage du signal doit respecter le critère de

Shannon

17

Rappels mathématiques

• Rappel sur les composantes harmoniques en courants

– Les harmoniques de rang (3m) constituent un système homopolaire• Harmoniques en courant éliminables en utilisant le couplage des

transformateurs

– Les harmoniques de rang (3m+1) constituent un système direct• Les fondamentaux forment un système direct

– Les harmoniques de rang (3m-1) constituent un système inverse

18

Rappels mathématiques

• Transformation de grandeurs triphasés dans un référentiel fixe (α,β)

• Transformation de grandeurs triphasés dans un référentiel « tournant » (d,q)

θ : angle de la tension du réseau (estimé par une PLL)

−

−−=

3

2

1

.

2

3

2

30

2

1

2

11

3

2

X

X

X

X

X

β

α

+−

−−−

+

−=

3

2

1

.

3

2sin

3

2sinsin

3

2cos

3

2coscos

3

2

X

X

X

X

X

q

d

πθπθθ

πθπθθ

19

2. Théorie énergétique généralisée sous distorsion harmonique et déséquilibres

20

Théorie énergétique généralisée

• Définition de la puissance et de l’énergie en régime sinusoïdal équilibré

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) .1

.1

.

.1

.

22∫=∫=

=

∫=

=

++

+

Tt

t

Tt

t

Tt

t

duuiT

IduuvT

V

IVS

duupT

P

titvtpPuissance instantanée :

Puissance active :

Puissance apparente :

21

Théorie énergétique généralisée

• Théorie énergétique sous distorsion harmonique– Théorie de BUDEANU : séparation de la puissance apparente triphasée en

trois composants orthogonales

222..3 DQPIVS ++==

P : puissance active généralisée (fondamental et harmoniques)

Q : puissance réactive généralisée (fondamental et harmoniques)

D : puissance déformante (ni active, ni réactive)

==

+=

==

+=

∑

∑

≠

≠

1

1111

1

1

1111

1

sin..3

sin...3

cos..3

cos...3

kkkkh

h

kkkkh

h

IVQ

IVQQQQ

IVP

IVPPPP

φφ

φφ

iTHDS

PFP

+==

1

cos 1φ

Avec uniquement des harmoniques en courant :

22

3. Description et impacts des perturbations sur la tension

23

Perturbations harmoniques

• Origines– Charges consommant un courant non sinusoïdal (électronique de

puissance)– Charges non linéaires (saturation magnétique, électronique de

puissance)

• Propagation– Seuls les harmoniques en courant sont considérés (pour éviter les

démarches itératives : courant déformé � tension déformée � courant déformé …)

– Deux types d’obstacle sont rencontrés sur le réseau:• Des bifurcations (avec des impédances différentes pour chaque rang

harmonique)• Des impédances asymétriques (impédance homopolaire modifiant le

parcours des harmoniques multiples de 3)

24

Perturbations harmoniques

• Effets– Effets quasi instantanés sur certains appareillages (EP, calculateurs,

automates, …)– Effets à plus long terme sur les charges (échauffements supplémentaires,

diminution de la durée de vie)

– Instabilités potentielles de réseau DC (cf cours Réseaux Embarqués)

25

Perturbations inter-harmoniques

• Origine– Fréquences de commutation différentes de convertisseurs

connectés sur le même bus d’alimentation

– Harmoniques de rang (f2 – f1)

• Effets– Identiques aux harmoniques– Risque d’instabilités dynamiques par dépistage difficile

26

Perturbations harmoniques

• Description– Ecart observé par rapport à la forme sinusoïdale de référence– Plusieurs catégories d’onde déformante

• Harmonique si f = k.f0

• Inter-harmonique si f > f0 et f ≠ k.f0

• Infra-harmonique si f < f0

• Bruit aléatoire si phénomène large bande

27

Perturbations harmoniques

• Description– Cas de la pollution harmonique

( ) ( )∑∞

=

+++=2

0000 2cos.2cos.)(h

kk tkfXtfXtX φπφπ

( )0

0

2

2

X

XkTHD

X

X

THD

kX

kk

X

=

=∑

∞

=Taux de distorsion harmonique global :

Taux de distorsion harmonique individualisé :

28

Perturbations harmoniques

• Description– Norme EN 50 160

5 %0,5 %6 %1 %5 %2 %THDv(k)

765432k

29

Perturbations harmoniques

• Description– Norme CEI 1000-2-4 sur les émissions de courants harmoniques

(courants appelés par les appareils < 16 A par phase de classe A)

0,15×15/k15 ≤ k ≤ 390,36

0,21131,145

0,33110,434

0,492,33

0,7771,082

Courant (A)OrdreCourant (A)Ordre

30

Perturbations harmoniques

• Description– Norme CEI 1000-3-2 pour la distorsion en tension pour 1 kV < V < 30 kV

0,2+(1,3×25/k)> 25

1,5 %25

0,2 %> 121,5 %23

0,2 %

0,2 %

0,3 %

1,5 %

5 %

12

10

8

6

4

2

0,2 %1,5 %19

0,5 %> 212 %17

0,5 %213 %13

0,5 %153,5 %11

1 %95 %7

2 %36 %5

31

Variations de fréquences

• Définition : variations de la fréquence fondamentale• Modèle mathématique :

• Norme EN 50160f0(t) moyennée sur 10s – Niveaux BT ou MT50 Hz ± 1% pour 99,5% du temps (49,5 Hz – 50,5 Hz)50 Hz (- 6% + 4%) pour 100% du temps (47 Hz – 52 Hz)

( )( )

=

=→=

∫

einstantané fréquence : )(

2

1f(t)

einstantané phase : ).(2t )(cos)( 0

0

dt

td

duuftXtX

t

θπ

πθθ

0

0000

)( : fréquenceen erreur )()(

f

ftftftf f

−→∆+=

32

Variations de fréquences

• Causes– Qualité de la production (surtout pour les réseaux isolés)– Déséquilibre production / consommation d’énergie

• Effets– Désynchronisation d’horloges– Variations de la vitesse de rotation des moteurs (industrie)– Effondrement complet du réseau par délestage, déclenchement des

protections

( )(p.u.) consommée puissance :P

(p.u.) produite puissance :P

(s) inertied' constante :

:f

2

)(

c

g

0

00H

lefondamentafréquence

PPH

f

dt

tdfcg −=

33

Variations d’amplitudes

• Définition : variations de l’amplitude du fondamental• Modèle mathématique :

• Norme EN 50160Veff(t) moyennée sur 10 mn = 230 V ± 10% pour 95% du temps

( )

0

0000

0000

)( : normaliséeErreur )()(

)( : einstantané Amplitude 2cos)()(

X

XtXtXtX

tXtftXtX

X

−→∆+=

→+= φπ

34

Variations d’amplitudes

• Causes– Variations de puissances des charges connectées

• Moteurs à régime variable, fours à arcs

– Mise sous et hors tension de charges• Délestage automatique de charges, charges nomades (véhicules électriques)

• Effets– Variations basses fréquences (< 0,5 %) : accélération du vieillissement des

équipements

– Fluctuations (0,5 % < fréquence < 20 Hz) : flickers (impressions subjectives de fluctuations de la luminosité)

35

Variations d’amplitudes

Tension

Chute de tension

Creux de tension

Manque de tension

Surélévation de tension

Surtension

Un

0.9 Un

1.1 Un

Sub-transitoires Transitoires Brèves Longues

0 0.1 s 1 s 1 min

Tension

Chute de tension

Creux de tension

Manque de tension

Surélévation de tension

Surtension

Un

0.9 Un

1.1 Un

Sub-transitoires Transitoires Brèves Longues

0 0.1 s 1 s 1 min

36

Variations d’amplitudes

• Classification IEEE des perturbations de tensions

1,1 – 1,2 pu> 1 minSous-tension

0,8 – 0,9 pu> 1 minSurtension

0 pu> 1 minCoupureLongue durée

1,1 – 1,8 pu3s – 1 minSurtension

0,1 – 0,9 pu3s – 1 minCreux

< 0,1 pu3s – 1 minCoupureTemporaire

1,1 – 1,8 pu30 cycles – 3sSurtension

0,1 – 0,9 pu30 cycles – 3sCreux

< 0,1 pu0,5 cycles – 3sCoupureMomentané

1,1 – 1,8 pu0,5 – 30 cyclesSurtension

0,1 – 0,9 pu0,5 – 30 cyclesCreuxInstantané

Amplitude de tensionDurée

37

Déséquilibres

• Définition : dissymétrie en amplitude et/ou en phase du fondamental de l’onde triphasée

Taux de déséquilibre :

• Norme EN 50 160Di moyenné sur 10 mn < 2 % pour 95% du temps

< 3 % pour 100% du temps

.

1

1

111

.

111

1

1

3

1

2

22

2

=

=

h

i

d

c

b

a

c

b

a

h

i

d

X

X

X

aa

aa

X

X

X

X

X

X

aa

aa

X

X

X

Xd

XhDh

Xd

XiDi ==

38

Représentation fréquentielle des perturbations

• Séquence des différents harmoniques et perturbations

Harmonique

1 7 13511

ω

+6-6

+12-12

Composantes symétriques

directe

ω

inverse

-2

39

4. Solutions préventives et curatives

40

Contre les perturbations harmoniques

• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Réduction des courants harmoniques générés

• Inductance de ligne (lissage) mais réduction du courant efficace et chute de tension à ses bornes

• Utilisation de redresseurs dodécaphasés : élimination des harmoniques de rangs 5 et 7 par utilisation de transformateur à deux enroulements secondaires (l’un en triangle, l’autre en étoile). Harmoniques « générés » de rang égal à (12k±1)

• Utilisation de redresseurs à absorption sinusoïdale (PFC)

– Compensation des composantes perturbatrices• Filtrage passif : chemin d’impédance minimale pour l’harmonique à

éliminer (filtre résonant). Soin à apporter dans la conception pour éviter de créer des résonances avec les éléments de ligne!

• Filtrage actif : génération locale des composantes perturbatrices que nécessite la charge (cf partie 5)

• Filtrage hybride : calage du filtre passif sur les premiers et deuxièmes harmoniques de rang faible et utilisation d’un filtre actif pour les autres harmoniques

41

• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Filtre passif

• Simplicité de la structure• Élimination d’un ou plusieurs rangs harmoniques (en général 5, 7)• Compensation d’énergie réactive assurée ou possible• Dimensionnement simple mais à optimiser (5 à 10% de coût du

convertisseur, 60% du coût du filtre pour la capacité)• Risque d’amplification des harmoniques si modification du réseau, pas

d’adaptabilité• Possibilité de résonance avec les admittances du réseau (surtout avec filtre

résonant)• Modification des valeurs des éléments en fonction du temps et de la

température

– Filtre actif• Filtrage sur une large bande-passante (élimination des harmoniques des

rangs 2 à 25)• Auto-adaptatif• Structure plus complexe (onduleur), pouvant être chère, sensible à

l’électronique de puissance

Contre les perturbations harmoniques

42

Éléments de dimensionnement d’un filtre passif

•Plusieurs structures peuvent être envisagées – Filtre RLC résonant

• Filtre calé sur les harmoniques 5 et 7• En général, facteur de qualité élevé (>75)

– Filtre RLC amorti• Filtre calé sur les harmoniques de rang >11• Moins sensibles à la température, les

variations de fréquence, la tolérance des éléments

• Plus faible impédance pour une large plage de fréquences

h

h

h

hhr

C

L

rQ

CLf

1

.2

1

=

=πPour le filtre résonant :

43

• Onduleur de tension– Vu du réseau : source de tension variable– Capacité d’échange de puissance active : dépend de la source

(génération ou stockage) sur le bus DC de l’onduleur– Capacité d’échange de réactif (puissance non active) : dépend de

la puissance du convertisseur et la fréquence de commutation des interrupteurs

– Couplage direct au réseau avec connexion série tout à fait possible

– Couplage direct au réseau avec connexion parallèle impossible sauf avec filtre de couplage (L ou LCL)

– Action sur le fondamental ET les harmoniques (y compris déséquilibres)

Éléments de dimensionnement d’un filtre passif

44

Éléments de dimensionnement d’un filtre actif

•Plusieurs structures peuvent être envisagées – Filtre parallèle (filtrage des courants)– Filtre série (filtrage des tensions)– Filtrage hybride (UPQC : Unified Power Quality Converter)

– Choix de la structure : monophasé/triphasé, onduleur de tension/commutateur de courant, accès au neutre ou pas

45

•Structure de base d’un filtre actif parallèle

Éléments de dimensionnement d’un filtre actif

46

• Hiérarchisation des boucles de commande– Boucle de commande externe : identification de la perturbation

• Calcul des courants (puissances)/tensions à injecter au réseau•• EntréeEntrée : consignes de l’utilisateur (tension de charge sinusoïdale et

équilibrée d’amplitude donnée, courant sinusoïdal et équilibré, régulation de la tension au nœud de raccordement, … etc)

• Doit comporter le moins d’erreur possible, sinon compensation difficile par la boucle interne

– Boucle interne de courant/tension• Calcul de la tension à générer par l’onduleur pour avoir les

courants (puissances)/tensions souhaités

– Boucle de commande rapprochée• Calcul des instants d’amorçage et de blocage des interrupteurs à

partir des ondes de références (images des courants/tensions souhaités)

Éléments de dimensionnement d’un filtre actif

47

• Boucle de commande externe : identification de la perturbation– Méthodes d’identification

• Identification dans le domaine fréquentiel (FFT, TFD, …)☺ Pour systèmes évoluant lentement, composantes sélectives� Régime transitoire, volume des calculs numériques

• Identification dans le domaine temporel ☺ Plus rapide, moins d’opérations, filtrage fondamental et harmoniques

– Grandeurs identifiées• Puissances instantanées (p, q) calculées dans le référentiel de Concordia

– Composantes continues : fondamental– Composantes alternatives : harmoniques

• Courants instantanés (id, iq) calculés dans le référentiel de Park– Composantes continues : fondamental– Composantes alternatives : harmoniques

« Méthode synchrone »

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

48

• Détection de la phase des tensions du réseau : utilisation d’une PLL (Phase Locked Loop)– On cherche la phase de la tension réseau instantanée– Méthode la plus couramment utilisée : suivi de la composante directe et

annulation de la composante en quadrature :

– Si θest = θ, la composante en quadrature Vq = 0

abc

αβ

αβ

dq Correcteur ∫

Vabc Vαβ

Vd

Vq ωest

θest

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

DETECTION DE LA PHASE FILTRE PASSE-BAS OSCILLATEUR

49

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6200

100

0

100

200

300

400

Ed idéalEq idéalEd (erreur de 5%)Eq (erreur de 5%)

Theta (rad)

Ed

, E

q

• Phase estimée et composantes de Park

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

50

( ) δδ .sin. avec

système)du (erreur 0

EEV

V

q

q

−≈−=

≈-E PI ∫

θest

θ

2

22

2

142

ninp

BOn

KK

BP

ωζω

ζζω

==

++=Performances liées au choix de BPBO et ζ :

BP élevée : θest contient tous les harmoniques

BP réduite : θest ne contient que le fondamental

• Modélisation en régime petits signaux de la PLL

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

Suite à une perturbation (distorsion, déséquilibre):� la vitesse et l’amplitude du phaseur évoluent dans le temps� V et θ changent également:

- la valeur moyenne correspond à la composante directe ou au fondamental- les oscillations correspondent aux composantes inverses et homopolaires

ou aux harmoniques

51

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

• Boucle de commande externe : identification de la perturbation sur le courant de charge

– Extraction d’un harmonique de rang n (n≠1)

– Extraction de l’ensemble des harmoniques

Transforméede Park

Transforméede Park inverse

Icha,b,c Ichna,b,c

Filtres passe-basVa PLLn.θ

Transforméede Park

Transforméede Park inverse

Icha,b,c Icha,b,c

Filtres passe-basVa PLLθ

Ichd

Ichq

Ichd

Ichq

52

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

• Boucle de commande interne : contrôle de la tension du bus continu (tension moyenne aux bornes de Cdc)– Fluctuations liées aux pertes dans l’onduleur (filtre et interrupteurs)

� Adjonction d’un courant actif pour compenser ces pertes

Icref : courant permettant de réguler la tension du bus continu (stockage)

RégulateurVdcref

Vdc

Icref

RégulateurVdc²ref

Vdc²

Icref

53

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

• Boucle de commande interne : contrôle des puissances ou courants : génération des références

−

−=

−

q

dcref

fa

fa

fa

I

IIP

I

I

I

~

~1

*3

*2

*1

−=

−

q

fa

fa

fa

IP

I

I

I01

*3

*2

*1

Compensation des harmoniques Compensation de la puissance réactive

Compensation des harmoniques et de la puissance réactive

−−

−=

−

qq

dcref

fa

fa

fa

II

IIP

I

I

I

~

~1

*3

*2

*1

54

Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle

• Modulation (MLI)– Intersective (à porteuse (dents de scie ou porteuse aléatoire),

synchrone ou asynchrone, avec/sans injection d’harmonique 3

– Vectorielle

• Commande par HystérésisBande supérieure

Bande inférieure

Largeur de bande

référence

+= uu −= uu

55

Exemple : dimensionnement d’un filtre actif

•Choix de l’élément de stockage du bus continu– CDC, VDC impactent sur la dynamique et la qualité de compensation

– Choix des éléments de filtrage (Lf, Cf) compromis à trouver entre les harmoniques haute fréquence et la dynamique des courants

– Mode de précharge de la capacité du bus continu

– Bande-passante des correcteurs de courant : plage de fréquences des harmoniques à éliminer

( )

DCDCDC

hhfDC

VV

SC

IhLEV

∆=

∑+>∞

=

..6

...22

min

2

2

ω

ω

∑

−=

∆=

∞

=0

max

maxmin

.22

.22

.8

.

hh

DCf

DCf

Ih

EVL

I

VTL

ω

T : fréquence de commutation

E : tension simple efficace du réseau

S : puissance apparente du filtre

ΔVdc, ΔImax : ondulations de VDCet Ires

56

• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Modification de l’installation

• Augmentation de la puissance de court-circuit de l’installation• Déclassement des équipements• Confinement des charges polluantes : localisation à proximité de

leur source d’alimentation et départ dédié.

Contre les perturbations harmoniques

57

Contre les perturbations déséquilibrées

• Stratégies de prévention des perturbations– Réduction de la quantité et durée des défauts

• Remplacement des lignes aériennes par câbles souterrains• Utilisation de conducteurs isolés pour les lignes aériennes• Augmentation du niveau d’isolation des câbles pour éviter les courts-

circuits• Réduction du temps d’élimination du défaut tout en évitant une

dégradation de la sélectivité du système de protection

• Équilibrer les charges monophasées sur les trois phases• Diminuer l’impédance du réseau amont en augmentant la puissance

de court-circuit des transformateurs et la section des câbles• Utiliser des charges L,C judicieusement raccordées (exemple : montage

de Steinmetz)

58

Contre les perturbations liées aux phénomènes transitoires

• Solutions curatives– Bancs capacitifs modulables– Alimentations Sans Interruptions (ASI ou UPS)– Onduleur de tension (D-FACTS)

59

5. Les onduleurs de tension pour la qualité de l’énergie

60

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• Principes de compensation des perturbations du réseau– Superposition d’une autre source pour absorber ou compenser la

perturbation– Raccordement série (tension) ou parallèle (courant) ou hybride

• Intérêts de l’EP pour la qualité de l’énergie– Actions sur la charge

• Modification des caractéristiques et compensation des perturbations

– Minimisation des effets des perturbations• Remplacement (ASI) et compensation des perturbations

61

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• Hiérarchisation des boucles de commande– Boucle de commande externe (détection)

• Calcul des tensions à injecter au réseau•• EntréeEntrée : consignes de l’utilisateur (tension de charge sinusoïdale et

équilibrée d’amplitude donnée, régulation de la tension au nœud de raccordement, … etc)

– Boucle interne de tension• Calcul de la tension à générer par l’onduleur pour avoir les tensions

souhaités

– Boucle de commande rapprochée• Calcul des instants d’amorçage et de blocage des interrupteurs à

partir des ondes de références (images des courants/tensions souhaités)

62

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation

– Application en temps réel• Mesures réalisées sur une fenêtre glissante à chaque période de

commande : réaction plus rapide en régime transitoire

• Mesures réalisées sur la période du signal à traiter (temps différé)

• Choix effectué sur des critères liés à l’application visée et lapuissance de calcul disponible. En régime permanent, les deux types de mesures sont équivalents.

63

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation

– Principe : extraction de l’information d’un signal (séparation de la partie souhaitée du signal global)

– Problème #1 : la référence peut varier en fonction de l’état du réseau, des charges connectées, …

– Problème #2 : rapidité de réponse indispensable, notamment pour les perturbations non périodiques (e.g. creux de tension)

mesurerefonperturbati xxx −=

64

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension– Déséquilibres– Distorsion de l’onde– Écart de l’amplitude de la séquence directe par rapport à la

valeur nominale� Identification de la phase et l’amplitude de la séquence directe

au fondamental

� Rôle de la PLL pour déterminer la phase et l’amplitude du phaseur équivalent au système triphasé en tension

abc

αβ

αβ

dq Correcteur ∫

eabc eαβ

ed

eq ωest

θest

65

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension+− = EE .3,0

66

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension

{nulle

0

prise

EEEE ++= −+

α

β

E+

E-

θ-

θ+

: Phaseur équivalent instantané de la tension

E : module du phaseur

θ : phase du phaseur

67

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension

α

β

E+

E-θ-

θ+

E

θ

δ

{nulle

0

prise

EEEE ++= −+: Phaseur équivalent instantané de la tension

E : module du phaseur

θ : phase du phaseur

68

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension

α

β

E+

E-θ-

θ+

E

θ

δ

La bande passante de la PLL joue sur l’estimation de θ :

- si elle est élevée : θest = θ contenant toutes les perturbations

- si elle est réduite : θest = θ+ et on filtre toutes les perturbations sur la phase

� information contenue uniquement dans le module instantané du phaseurde tension (E) mais lenteur de la synchronisation

( )

( )( )+−−+

+−−

+

+−−+−+

−+−=

+=−++=

θθθθδ

δθθθθ

cos.

sin.tan

cos...222

EE

E

EEEEE

69

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension• Linéarisation de la PLL et choix des paramètres (réglage de la bande

passante)

( ) δδ .sin. avec

système)du (erreur 0

EEe

e

q

q

−≈−=

≈

α

E+

eq

θ+= θest

E

θ

dq

-E PI ∫

θest

θ

2

22

2

142

ninp

BOn

KK

BP

ωζω

ζζω

==

++=

Performances liées au choix de BPBO et ζ

δ

70

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension• Exemple : cas d’un déséquilibre en tension

– Perturbation à plus basse fréquence : composante inverse (-2 ω0)– Premier harmonique perturbant de rang 5 (-6 ω0)

� on fixe la bande-passante du correcteur PI de la PLL environ une décade avant la pulsation de la perturbation

510

.2 00 ωω==BOBP

71

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension

• Information sur l’amplitude : toute l’information est contenue dans la composante d’axe d de la tension en sortie de la PLL (ed)

• Filtrage pour obtenir la composante directe et éliminer l’influence des perturbations– Nécessité d’une dynamique élevée– Capacité de réjection des perturbations

� Méthodes de la poursuite de phase et des composantes symétriquesinstantanées (méthode d’identification simple et très performante)

[I. Etxeberria-Otadui &al, Evaluation of different strategies of Series Voltage SagCompensation, PESC’02]

Compromis à trouver

72

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 1ère étape : identification de la perturbation en tension

Extrait : Thèse I. Etxeberria (2003)

73

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension– Injection des composantes perturbantes en opposition de phase– Harmoniques et déséquilibres pris en compte dans les composantes

inverses et homopolaires

– Perturbations sur la valeur efficace compensées via la composante directe

– Objectif : trouver le module et l’angle de la tension à injecter

– Paramètre fondamental : sensibilité de la charge par rapport aux sauts de phase

VchE+Vs

Ich

74

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension• Cas d’une charge sensible aux sauts de phase : compensation par

injection de la tension complémentaire

Ich

E1+

ψ

σφ

βE0+=Vch

Vs : tension à injecter

On injecte une tension complémentaire pour protéger la charge des fluctuations de phase et d’amplitude de la tension

++ −= 10 EEVs

E0+ : séquence directe avant défautE1+ : séquence directe après défaut

75

Les onduleurs pour la qualité de l’énergie

• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension• Cas d’une charge sensible aux sauts de phase

Ψ : déphasage du compensateur d’électronique de puissance

Puissance active à fournir par le compensateur

• Cas d’une charge peu ou non sensible aux sauts de phase� Optimisation du dimensionnement du compensateur et du stockage par

choix de la distribution d’énergie entre le réseau et le compensateur (choix de Ψ)

( ) ( )

+−+= +−

Vch

VsE βφβψ cos.coscoscos 11

( )ψcos...3 IchVsPond=

76

Bibliographie / Pour aller plus loin

Thèse I. Etxeberria (2003). Grenoble-INP

Article sur la théorie généralisée des puissances électriques:H. Akagi, Y. Kanazawa, “Generalized theory of the instantaneous

reactive power in three-phase circuits”, IPEC, 1983, p.1375-1386

Articles sur le réglage des correcteurs pour le filtre actif:L. Asiminoaei &al, “Evaluation of harmonic detection methods”,

APEC, vol. 1, 2005, p.635-641V. Kaura &al, “Operation of a PLL system under distorted utility

conditions”, IEEE T. on Industrial Applications, vol. 33, 1997