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Application d'un Filtre Actif Parallèle au Contrôle de la Tension d'un Réseau à

Haute Tension

Conference Paper · April 2013

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Mohammed-Karim Fellah

University of Sidi-Bel-Abbes

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Application d’un Filtre Actif Parallèle au Contrôle de

la Tension d’un Réseau à Haute Tension

A. L. DOURARI*, M. K. FELLAH*

* Intelligent Control & Electrical Power Systems Laboratory

Djillali Liabes University of Sidi Bel-Abbes

E-mail: lamine.dourari@gmail.com

Résumé — Dans un réseau électrique à haute tension, les

harmoniques ont des effets néfastes sur les équipements

électriques.

Dans cet article, nous avons abordé les structures de filtre

actif parallèle et hybride en vue d’étudier la compensation

des perturbations des courants harmoniques. La méthode

d’identification des courants et des tensions harmoniques

basée sur la méthode des puissances active et réactive

instantanées avec le contrôle par MLI. La régulation de la

tension du bus continu est assurée par un régulateur PI.

Toutes les simulations sont réalisées avec SimPowerSystems

du logiciel MATLAB.

Mots clés — filtre actif, filtre hybride, MLI, Régulateur

(PI), Taux de Distorsion Harmonique (THD).

I. INTRODUCTION

La qualité de l’onde électrique dans les réseaux de

transport d’énergie à haute tension et de distribution a

suscité de nombreux travaux de recherche. On y trouve les

questions des perturbations de l’onde de tension comme

les creux et les surtensions, ainsi que la question de la

propagation des courants harmoniques dans les lignes et

les conséquences néfastes qu’ils créent.

Il existe plusieurs méthodes permettant de minimiser

la pollution harmonique provoquée par des dispositifs de

filtrage tels que les filtres passifs dits résonnants et/ou

amortis. Ils peuvent ainsi empêcher les courants

harmoniques de se propager dans les réseaux électriques.

Ils peuvent également être utilisés pour compenser la

puissance réactive.

Cependant, le filtrage passif pose un certain nombre de

problèmes : manque d’adaptabilité lors de variations de

l’impédance du réseau et de la charge, cette solution

présente un inconvénient majeur qui peut être intolérable

dans ces circonstances particulières.

Une autre solution consiste à mettre en œuvre un

filtrage actif afin d’éviter les inconvénients des filtres

passifs. Une première solution consiste à connecter le

filtre actif en parallèle avec le système polluant : ainsi, il

injecte au réseau un courant de même amplitude que celui

du courant harmonique à éliminer mais en opposition de

phase.

Cependant, le filtrage actif présente également ses

inconvénients spécifiques, notamment son coût élevé pour

des applications industrielles ; le dimensionnement du

convertisseur de puissance du filtre actif peut, alors, être

relativement élevé. Pour cette raison majeure, les

applications des filtres actifs de puissance dans les

systèmes électriques sont aujourd’hui encore limitées bien

que des normes fixent les caractéristiques exigées pour la

qualité de l’énergie.

Les inconvénients des filtres passifs et des filtres actifs

peuvent être simultanément limités en utilisant de

nouvelles topologies de filtres actifs, appelées filtres

hybrides. L’utilisation de filtres actifs hybrides est

aujourd’hui considérée comme une solution qui permet de

réduire le dimensionnement et, par conséquent, le coût des

filtres actifs. Le filtre hybride consiste en l’association de

filtres passifs, destinés à absorber les harmoniques de

courant provenant de la charge polluante, et d’un filtre

actif de faible puissance [1].

II. FILTRE HYBRID

Un filtre hybride résulte de 1'association (d’un filtre

actif et, d'un autre, passif). Le filtre passif prend en charge

la compensation d’une grande partie des harmoniques. Par

contre, les filtres actifs maintiennent les performances de

filtrage en fonction de la charge et de son évolution. Une

telle combinaison avec le filtre passif permet de réduire

considérablement 1'estimation du filtre actif.

Plusieurs configurations ont été présentées dans la

littérature [2], les plus étudiées étant:

Le filtre actif série avec des filtres passifs

parallèles ;

Le filtre actif série connecté en série avec des

filtres passifs parallèles ;

Le filtre actif parallèle avec un filtre passif

parallèle.

9ème Conférence Nationale sur la Haute Tension 09-11 Avril 2013, Laghouat, ALGERIE

CNHT'2013/111

A. Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle

Le rôle du filtre actif parallèle dans cette

configuration, montrée en Fig. 1, est la compensation des

courants harmoniques basses fréquences émis par la

charge polluante. Le filtre passif accordé sur une

fréquence élevée, élimine les harmoniques hautes

fréquences y compris ceux créés par le filtre actif

parallèle. Ce type de filtrage a déjà été appliqué à la

compensation des courants harmoniques émis par un

cycloconvertisseur de forte puissance [2].

Fig.1 : Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle

III. PRINCIPE DE COMMANDE DU FILTRE

ACTIF

A. Calcul des courants harmoniques

Le courant absorbé par la charge polluante est

composé d’un fondamental et d’harmoniques. Le filtre

actif sert à générer des courants harmoniques de même

amplitude mais en opposition de phase avec ceux existant

dans la charge. Pour cela, il faut identifier les courants

harmoniques de la charge. Plusieurs méthodes

d’identification existent [3], [4],[5] :

La première est basée sur l’analyse spectrale du

courant polluant.

La seconde, utilise un filtre passe-bande pour

filtrer le fondamental.

La troisième, utilise les notions des puissances

réelle et imaginaire instantanées.

Cette dernière est la plus utilisée dans la plupart des

filtres actifs, car elle réalise le meilleur accord entre les

performances statiques et dynamiques.

Cette méthode utilise la transformation algébrique de

« Clark » pour transformer les systèmes triphasés de

courants et tensions présentées dans le repère a, b, c vers

un nouveau repère α, β ,0 de la manière suivante :

Composantes de tension :

c

b

a

V

V

V

V

V

V

2

3

2

30

2

1

2

11

2

1

2

1

2

1

3

20

(1)

Composantes de courant :

c

b

a

I

I

I

I

I

I

2

3

2

30

2

1

2

11

2

1

2

1

2

1

3

20

(2)

Dans un repère a, b, c, la puissance instantanée active

est donnée par :

ccbbaa ivivivt )(3 (3)

De même, dans le repère α, β, 0 :

ivivivt )(

(4)

Il est à noter que la transformation utilisée est

orthogonale. Elle garde la puissance invariante dans les

deux repères, c’est à dire :

)()( 03 tPt

(5)

Où

La puissance instantanée réelle :

PPivivP (6)

La puissance instantanée de la séquence

homopolaire :

000 ivP (7)

Un des avantages issu de cette transformation est la

séparation des séquences homopolaires de courant ou de

tension.

Akagi[3] propose la définition suivante de la puissance

imaginaire instantanée :

viivq

(8)

Cette puissance peut s’écrire dans le repère a, b, c de

la manière suivante :

bacacbcba ivvivvivvtq )()()(3

1)(

(9)

Cette expression est bien connue pour la mesure de la

puissance réactive conventionnelle dans le système

triphasé.

A partir des relations (6) et (8), nous pouvons établir la

relation matricielle suivante :

i

i

vv

vv

q

p

(10)

Cette puissance est décomposée en deux termes, dans

le cas général :

PPP~

(11)

qqq ~

(12)

Ce qui nous intéresse c’est d’extraire les composants.

𝑝 , 𝑞 .Connaissant les fréquences des puissances

instantanées, on peut utiliser un filtre passe-bas d’une

Filtre actif parallèle

Filtre passif parallèle

Vers la charge polluante

fréquence de coupure de 150 Hz, comme indiqué sur la

figure suivante [6].

Fig.2 : Principe de séparation des composantes

alternatives de puissances.

Pour calculer les courants de compensation de la

référence dans les coordonnées α, β, l’expression (10)

devient [35] :

q

p

vv

vv

vvI

I

22*

*1

(15)

Pour obtenir le courant de compensation de la

référence dans les coordonnées inverses de a-b-c,

l’expression (2) donne :

*

*

0*

*

*

*

2

3

2

1

2

1

3

3

2

1

2

1

012

1

3

2

I

I

I

I

I

I

c

b

a

(16)

)( ****cban IIII

(17)

Le schéma de la figure 3 illustre les différentes étapes

permettant l’obtention les composantes harmoniques du

courant d’une charge non linéaire [1].

Fig.3 : Détermination des courants de référence du filtre

actif par la méthode classique des puissances active et

réactive instantanées

B. Régulation de la tension continue

Nous avons choisi le régulateur ci-dessous pour

réguler la tension du condensateur Vdc à sa valeur de

consigne V*dc[1]:

s

KsK

c

r

1)(

Avec :

Kr: Gain du régulateurc: Constante de temps.

Fig.4 : Schéma fonctionnel de la régulation de Vdc avec le

régulateur proportionnel.

Le terme G(s) de la figure 4 a pour expression :

sC

sG.

2

Après calcul, la fonction de transfert en boucle fermée

est de la forme :

22

2

2

sssF

c

Avec

c

c

C

K

2 et

cc

cK

C

..

22

1

Pour réaliser un bon compromis entre les

performances dynamiques et statiques, nous choisirons

une valeur de c comprise entre 0,4 et 0,8, soit 0,7.

C. Contrôle de courant par MLI

Le principe du contrôle par commande par modulation

de largeur d’impulsion (MLI) est décrit à la figure 5. Dans

ce cas, la différence entre le courant référence I*ref et le

courant réel I est appliquée à l’entrée d’un régulateur. Le

signal de sortie du régulateur, appelé modulatrice, est

ensuite comparé à un signal triangulaire de fréquence fixe

(porteuse) afin de déterminer les ordres de commutations

des interrupteurs.

Fig.5: Contrôle des onduleurs par MLI

K(s) G(s) V2

dc* V2dc

abc

αβ

abc

αβ

P

Q

FPB

Régulateur

Calcul

de

𝒊𝜶∗ et 𝒊𝜷

∗

abc

αβ

𝑽𝒅𝒄∗

𝑽𝒅𝒄

+

-

𝑽𝜶

𝒊𝜶

𝑽𝜷

𝒊𝜷

𝑽𝒂𝒃𝒄

𝒊𝒂𝒃𝒄

𝒊𝒂𝒃𝒄∗

+ +

+ -

𝑷

F Filtre passe bas F F~

PI

K1

K4 I

-

-

- Vabc

𝐈𝐫𝐞𝐟∗

+

IV. SYSTEME ÉTUDIE

Fig.6: Réseau électrique 345kV/50Hz doté d’un filtre hybride parallèle à deux niveaux

La charge polluante est représentée par un redresseur

classique constitué de deux ponts de thyristors connectés en

série dans un réseau électrique 345kV, 50Hz.

Le redresseur est connecté au réseau par un transformateur

triphasé 1200-MVA.

Une charge résistive de 1000 MW est connectée du côté

continu à travers une inductance de lissage de 0.5H.

Le banc de condensateurs est de 100 MVAR.

Le filtre passif est destiné à la suppression des

harmoniques 11/13.Il est de 300 MVAR.

Le filtre actif de 200 MVAR est adapté pour éliminer les

harmoniques 23 et plus.

V. RÉSULTAS DE SIMULATION:

Fig.7 : Tension de source V1 avant le filtrage.

Fig.8 : Courant de source I1 avant le filtrage.

Fig. 9 : Spectre du courant du réseau I1 avant filtrage

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

5

temps (s)

tensio

n (

V)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

temps (s)

coura

nt (A

)

0 10 20 30 40 500

20

40

60

80

100

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 2.172e+005 , THD= 10.24%

Mag (

% o

f F

undam

enta

l)

V1 (

v)

I 1 (

A)

0 10 20 30 40 500

2

4

6

8

Uc

Inductance de

lissage 0.5 H

Réseau Triphasé 345 kV

345 kV, 50Hz

Transformateur

Y/Y/D

R

Courants de la

charge polluante

Courants

de source

Courants du

filtre actif

Courants du

filtre passif

I1

I2

I3

Ic

Ih1

Ih2

Ih3

Tension de

source

If1 If2 If3

V1 V2

V3

Lf Rf

C1

C2

C3

L1

R1 L2 C4

11/13 th

C

Banc de condensateur

Vdc

Fig.10 : Compensation des courants harmoniques (I1 : courant

de source, Iref : courant de référence, V1 : tension de source).

Fig.11 : Spectre du courant du réseau I1après filtrage

Fig. 12 : courants de source après filtrage

Le courant du réseau (figure 8) et celui de la tension

(figure 7) ont une forme non sinusoïdale car la charge non

linéaire est génératrice de courants harmoniques. Ainsi,

l’analyse spectrale présentée dans la figure 9 montre la

présence de plusieurs rangs d’harmoniques qui perturbent les

formes des courants et des tensions. D’après les résultats de simulation obtenus sur les figures

(10) et (11), On remarque que :

Les courants de source après compensation sont quasi

sinusoïdaux et en phases avec les tensions aux points de

raccordement. Ainsi, le facteur de puissance est

unitaire.

Le taux de distorsion harmonique (THD) du courant de

source (calculé sur les 50 premiers rangs d’harmonique)

vaut : THD = 0.29 %, ce qui correspond aux normes

internationales.

VI. CONCLUSION

Nous avons pu présenter et définir, dans la première partie

de cet article, le réglage du filtre parallèle, la méthode

d’identification des courants perturbés, et la régulation de la

tension continue Vdc.

Dans la dernière partie de cet article, nous avons présenté

et interprété les résultats obtenus par simulation, tout en

constatant l’avantage de l’utilisation du filtre hybride pour

améliorer les performances de compensation des harmoniques.

RÉFÉRENCES [1] Abdussalam M. « Structures et stratégies de commande des

filtres actifs parallèle et hybride avec validations

expérimentales » thèse de doctorat de l'Université Henri

Poincaré, Nancy-I, le 29 mai 2008.

[2] Miao-Xin Wang, « Filtrage actif de puissance : Etudes et

réalisation d’un filtre actif à commande numérique réel » Thèse

de l’Institut National Polytechnique de Toulouse, 18 Décembre

1992.

[3] Akagi H. «Control strategy and site selection of a shunt active

filter for damping of harmonic propagation in power distribution

systems».Okayama University.

[4] Marques G.D.«A comparison of active power filter control

methods in umbalanced and non sinusoidal conditions». Seccao

de maquinas. Portugal.

[5] Sahnouni K. «An optimised variables structure control of a shunt

active filter» Creeble-ige France May 1999.

[6] Akagi H. « Trends in active power line conditioners », IEEE

Trans. Power electronics, vol. 9, 3, pp. 144-152, 1993.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

5

temps (s)

0 10 20 30 40 500

20

40

60

80

100

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 2597 , THD= 0.29%

Mag (

% o

f F

undam

enta

l)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

temps (s)

coura

nt (A

)

Iref

(A)

I 1 (

A)

V1 &

10

*I 1

I 123 (

A)

Iref

(A)

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