FMV.pdf

FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES

U.F.R. Sciences & Techniques : S.T.M.I.A Ecole Doctorale: Informatique-Automatique-Electrotechnique-Electronique-Mathmatique Dpartement de Formation doctorale : Electrotechnique-Electronique

Thse

Prsente pour l'obtention du titre de

Docteur de l'Universit Henri Poincar, Nancy-I

En Gnie Electrique

Par Mohamed Muftah ABDUSALAM

Structures et stratgies de commande des filtres actifs parallle et hybride avec validations

exprimentales

Soutenance publique prvue le 29 mai 2008

Membres du jury :

Prsident : M. Jean MERCKLE Professeur, MIPS, Mulhouse Rapporteurs : M. Seddik BACHA Professeur, G2ELab/IJF, Grenoble M. Mohamed MACHMOUM Professeur, IREENA, Saint Nazaire Examinateurs : M. Mohammed ZOUITI Docteur, EDF, Clamart M. Philippe POURE Matre de confrences, LIEN, Nancy M. Shahrokh SAADATE Professeur, GREEN, Nancy

Laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy) Facult des Sciences & Techniques 54500 Vanduvre-ls-Nancy

Avant Propos

Le travail prsent dans ce mmoire a t effectu depuis janvier 2005

au sein GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy) de lUniversit Henri Poincar, UHP-Nancy1.

Qu'il me soit d'abord permis de remercier et dexprimer ma gratitude envers le bon Dieu. Je tiens ensuite remercier :

Monsieur Jean MERCKLE, Professeur au MIPS Mulhouse, qui ma fait lhonneur de prsider le jury de ma thse.

Monsieur Seddik BACHA, Professeur au G2ELab/IJF Grenoble et

Monsieur Mohamed MACHMOUM, Professeur lIREENA Saint Nazaire, qui ont accepts dtre rapporteurs de mon travail.

Monsieur Mohammed ZOUITI, Docteur EDF, site de Clamart, qui a

accept dtre examinateur mon jury de thse. Monsieur A. REZZOUG, Professeur l'Universit Henri Poincar et

Directeur du GREEN pour m'avoir accueilli au sein de son laboratoire. Monsieur S. SAADATE, Professeur lUHP, qui a dirig et orient mon

travail tout au long de ces annes de thse. Monsieur P. POURE, Matre de Confrences au LIEN lUHP, qui a

codirig ce travail et ma apport aide et conseils durant ces annes.

Je tiens galement remercier tous les membres du laboratoire GREEN spcialement tous mes collgues qui ont contribu, chacune leur manire, l'accomplissement de cette thse : Tahar HAMITI, Shahram KARIMI, Lotfi BAGHLI, Arnaud GAILLARD, Rijaniaina Njakasoa ANDRIAMALALA, Eid GOUDA. Je voudrais enfin remercier ma mre, mes frres et ma famille, qui depuis de si longues annes, m'ont encourag et soutenu dans la poursuite de mes tudes.

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 1

CHAPITRE I. PERTURBATIONS DES RESEAUX ELECTRIQUES........ 7

INTRODUCTION.................................................................................................................... 9 I.1 LES PERTURBATIONS HARMONIQUES .................................................................. 9

I.1.1 Sources des harmoniques et leurs effets ....................................................................... 9

I.2 LES NORMES IMPOSEES SUR LE THD................................................................... 11 I.3 SOLUTIONS DE DEPOLLUTION DES RESEAUX ELECTRIQUES.................... 15

I.3.1 Solutions traditionnelles.............................................................................................. 15 I.3.2 Solutions modernes..................................................................................................... 15

I.3.2.1 Filtre actif srie .................................................................................................... 16 I.3.2.2 Filtre actif parallle .............................................................................................. 17

I.3.2.3 Combinaison parallle-srie de filtres actifs........................................................ 17 I.3.2.4 Filtre hybride........................................................................................................ 18

I.4 CONFIGURATION DES FILTRES HYBRIDES........................................................ 18 I.4.1 Filtre hybride combinant filtres actif et passif ............................................................ 20

I.4.1.1 Association srie dun filtre actif parallle et dun filtre passif........................... 20 I.4.1.2 Association parallle dun filtre actif parallle et dun filtre passif..................... 20 I.4.1.3 Association dun filtre actif srie et dun filtre passif.......................................... 21

I.4.2 Topologies donduleur mises en uvre pour les filtres actifs .................................... 22 I.4.2.1 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas trois bras ........................ 22 I.4.2.2 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas deux bras avec condensateur point milieu.............................................................................................. 23 I.4.2.3 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas trois bras avec condensateur point milieu.............................................................................................. 23 I.4.2.4 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas quatre bras..24

I.5 COMMANDE DU FILTRE ACTIF ET TECHNIQUES MISES EN OEUVRE ...... 24 CONCLUSION....................................................................................................................... 27

CHAPITRE II. COMMANDE DU FILTRE ACTIF PARALLELE BASE SUR LA METHODE DES PUISSANCES INSTANTANEES AVEC DES FMVs..29

INTRODUCTION.................................................................................................................. 31 II.1 FILTRE ACTIF PARALLLE STRUCTURE TENSION ................................... 32

II.1.1 Filtre de dcouplage................................................................................................... 34

II.2 PRINCIPE DE COMMANDE DU FILTRE ACTIF.................................................. 34 II.2.1 Determination des courants harmoniques de reference ............................................. 35

II.2.1.1 Mthode des puissances instantanes ................................................................. 35 II.2.2 Stratgie de commande de londuleur du filtre actif ................................................. 40

II.2.2.1 Contrle par MLI................................................................................................ 41

II.2.2.2 Contrle conventionnel par hystrsis................................................................ 41 II.2.2.3 Contrle par hystrsis module......................................................................... 42

II.2.3 Rgulation de la tension continue.............................................................................. 45 II.2.3.1 Rgulateur proportionnel.................................................................................... 46

II.3 RESULTATS DE SIMULATION ................................................................................ 47 II.3.1 Performance du FMV ................................................................................................ 48

II.3.1.1 Comportement du FMV..................................................................................... 48 II.3.2 Rsultats de simulation du systme tudi ................................................................ 51

II.3.2.1 Rsultats de simulation dans le cas du contrle par MLI ................................... 54 II.3.2.2 Rsultats de simulation dans le cas du contrle par hystrsis conventionnelle 55 II.3.2.3 Rsultats de simulation dans le cas du contrle par hystrsis module............ 56

II.4 ETUDE DU COMPORTEMENT DU FILTRE ACTIF EN RGIME TRANSITOIRE...................................................................................................................... 57 II.5 INFLUENCE DES PARAMETRES ............................................................................ 59

II.5.1 Variation de linductance de dcouplage................................................................... 59 II.5.2 Variation de la tension aux bornes du condensateur ................................................. 59 II.5.3 Variation de la largeur de bande dhystrsis............................................................ 60

CONCLUSION....................................................................................................................... 61

CHAPITRE III. REALISATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE PAR HYSTERESIS MODULEE D'UN FAP TRIPHASE.. 63

INTRODUCTION.................................................................................................................. 65 III.1 SCHEMA GOLBAL..................................................................................................... 66 III.2 PRESENTATION GENERALE DU MATERIEL EXPERIMENTAL.................. 67

III.2.1 Le Filtre actif parallle structure tension............................................................... 67 III.2.2 La charge polluante .................................................................................................. 68 III.2.3 Commande du filtre actif.......................................................................................... 68

III.2.3.1 Partie numrique (gnration des rfrences de courants)................................ 69 III.2.3.1.1 Rsultats exprimentaux de la partie numrique............................................ 71 III.2.3.2 Partie analogique ............................................................................................... 74 III.2.3.2.1 Circuit comparateur........................................................................................ 75 III.2.3.2.2 Circuit de protection....................................................................................... 76 III.2.3.2.3 Circuit d'interface ........................................................................................... 77 III.2.3.3 Rsultats exprimentaux ................................................................................... 78 III.2.3.3.1 Premier essai .................................................................................................. 78

III.2.3.3.2 Deuxime essai............................................................................................... 79 III.2.3.3.3 Troisime essai ............................................................................................... 81

III.2.3.3.3.1 Mise en marche du filtre actif parallle....................................................... 82

III.3 COMPARASION ENTRE RESULTATS DE SIMULATION ET RESULTATS EXPERIMENTAUX .............................................................................................................. 85 CONCLUSION....................................................................................................................... 87

CHAPITRE IV. FILTRE HYBRIDE PARALLELE A STRUCTURE TENSION........................................................................................................... 89

INTRODUCTION.................................................................................................................. 91 IV.1 STRUCTURE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE............................................ 92 IV.2 COMMANDE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE............................................ 94

IV.2.1 Schma classique de commande .............................................................................. 95 IV.2.1.1 Caractristiques de filtrage................................................................................ 95

IV.2.1.2 Stratgie classique de commande ..................................................................... 97 IV.2.1.3 Etude de la boucle feedback.............................................................................. 98 IV.2.1.4 Etude de la boucle feedforward ...................................................................... 100 IV.2.1.5 Contrle des tensions par MLI........................................................................ 102 IV.2.1.6 Rgulation de la tension continue Vdc ............................................................. 102 IV.2.1.6.1 Dtermination des paramtres du rgulateur PI........................................... 103 IV.2.1.7 Rsultats de simulations.................................................................................. 104 IV.2.1.7.1 Simulation de l'ensemble Rseau - Charge non-linaire.............................. 104 IV.2.1.7.2 Simulation de l'ensemble Rseau - Charge non-linaire - Filtre hybride parallle .......................................................................................................................... 106

IV.2.2 Schma de contrle simplifi................................................................................. 108 IV.2.2.1 Prsentation de la stratgie de commande ...................................................... 108 IV.2.2.2 Commande simplifie ..................................................................................... 110 IV.2.2.2.1 Le contrle de la boucle feedback................................................................ 110 IV.2.2.2.2 Le contrle de la boucle feedforward .......................................................... 112 IV.2.2.3 Rsultats des simulation.................................................................................. 113

IV.2.3 Suppression de la PLL du schma de contrle simplifi ....................................... 116 IV.2.3.1 Mthode de commande ................................................................................... 117

IV.2.3.2 Rsultats de simulation ........................................................................................... 118

IV.3 FILTRE HYBRIDE PARALLELE A DEUX BRAS AVEC ONDENSATEUR A POINT MILIEU ................................................................................................................... 120

IV.3.1 Topologie ............................................................................................................... 120

IV.3.2 Stratgie de commande .......................................................................................... 123 IV.3.3 Rsultats de simulation .......................................................................................... 124

IV.4 NOUVELLE COMMANDE DU FILTRE HYBRIDE............................................ 126 IV.4.1 Mthode de commande .......................................................................................... 127 IV.4.2 Rsultats de simulation .......................................................................................... 128

IV.5 FILTRE HYBRIDE EN REGIME TRANSITOIRE............................................... 131 CONCLUSION..................................................................................................................... 133

CHAPITRE V. VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE NUMERIQUE DU FHP PAR PROTOTYPAGE FPGA-IN-THE-LOOP ...135

INTRODUCTION................................................................................................................ 137 V.1 TECHNOLOGIE FPGA.............................................................................................. 137 V.2 DOMAINES DAPPLICATIONS DES FPGAs ........................................................ 138 V.3 STRUCTURE DES FPGAs ......................................................................................... 139 V.4 LANGAGE DE DESCRIPTION DE MATRIEL ................................................... 140 V.5 METHODOLOGIE DE PROTOTYPAGE FPGA IN THE LOOP .................. 141 V.6 APPLICATION A LA COMMANDE NUMERIQUE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE ....................................................................................................................... 144

V.6.1 Le FHP et sa commande numrique........................................................................ 144 V.6.2 Modlisation et simulation en mode discret............................................................ 145

V.6.2.1 Discrtisation du FMV ..................................................................................... 145 V.6.2.2 Discrtisation du rgulateur PI ......................................................................... 146

V.6.2.3 Discrtisation de la PLL de la boucle feedback ............................................... 147 V.6.2.4 Rsultats de simulation en mode discret .......................................................... 148 V.6.3 Validation FPGA in the Loop ....................................................................... 150 V.6.3.1 Gnration du signal triangulaire ..................................................................... 150

V.6.3.2 Gnration des signaux sin et cos..................................................................... 150 V.6.3.4 Validation exprimentale FPGA in the Loop de la commande numrique 151

V.6.3.5 Implmentation sur cible FPGA....................................................................... 151 V.6.4 Prototypage FPGA in the Loop de la commande numrique............................ 153 CONCLUSION..................................................................................................................... 155

CONCLUSION GENERALE ........................................................................ 157 REFERENCES ................................................................................................ 165

Glossaire

Atr : lamplitude du signal triangulaire Bh : la largeur de la bande d'hystrsis CEI : Commission Electrotechnique Internationale

CEF : Commission Electrotechnique Franaise CENELEC : Comit Europen de Normalisation Electrotechnique UTE : Union Technique de lElectricit CEF : Commission Electrotechnique Franaise.

FPB : filtre passe bas FPH : filtre passe haut

FAS : Filtre Actif Srie FAP : Filtre Actif Parallle

FHP : Filtre Hybride Parallle FMV : Filtre Multi Variables FPGA: Field Programmable Gate Array HDL : langage de description de matriel (en anglais, HDL pour Hardware Description Language) HIL: Hardware in the Loop is : courant de la source ic : courant de la charge if : courant inject par le filtre i*f : courant rfrence

K : constante du FMV Kc : constante de la boucle Feedback LUT : Look-Up-Table MLI : Modulation de Largeur dImpulsion SRF : thorie du rfrentiel li au synchronisme VHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language Vs : tension de la source Vf : tension impose par londuleur Vdc : tension aux bornes du condensateur de londuleur THD : Taux de Distorsion Harmonique

Introduction gnrale _______________________________________________________________________________________________________________

1

INTRODUCTION GENERALE


2


3

INTRODUCTION GENERALE

Ces dernires annes, lutilisation croissante des dispositifs dlectronique de puissance dans les systmes lectriques a entran de plus en plus de problmes lis aux perturbations ou distorsions harmoniques des rseaux lectriques. Ce phnomne touche lensemble des secteurs industriels (utilisation de gradateurs, de redresseurs, de variateurs de vitesse,.), tertiaire (informatique ou clairage des bureaux, commerce,) et domestique (tlviseurs, appareils lectromnagers grand public,) [1].

La distorsion harmonique est gnre par les charges non linaires connectes au rseau et qui absorbent des courants non sinusodaux. Ces harmoniques de courant vont leur tour gnrer des tensions harmoniques aux diffrents points de connexion au rseau. Pour les autres quipements lectriques connects en ces points, cette pollution harmonique a des effets nocifs. Parmi ces effets, on peut notamment citer la dformation de la tension rseau au point de raccordement alors que le distributeur dnergie est tenu de fournir une tension propre. Cette pollution peut galement conduire lchauffement des cbles et des quipements lectriques ou bien encore larrt soudain de machines tournantes, voire la destruction totale de tous ces quipements.

Pour diminuer ou supprimer ces perturbations et ainsi amliorer la qualit de lnergie distribue, plusieurs solutions existent :

la rduction de limpdance de court-circuit, la modification du convertisseur statique polluant en termes de la topologie

et/ou de la commande afin dintervenir directement la source des perturbations harmoniques,

les dispositifs de filtrage.

Lutilisation de dispositifs de filtrage tels que les filtres passifs dits rsonnants et/ou amortis peut ainsi empcher les courants harmoniques de se propager dans les rseaux lectriques. Ils peuvent galement tre utiliss pour compenser la puissance ractive.

Cependant, le filtrage passif pose certains problmes : manque dadaptabilit lors de variations de limpdance du rseau, de la charge et rsonance possible avec limpdance du rseau et dans certains cas dfavorables o cette rsonance est excite, celle-ci peut entraner


4

une tension harmonique leve et un courant harmonique important dans la capacit du filtre et dans le rseau. Ainsi, cette solution prsente un inconvnient majeur qui peut tre intolrable dans ces circonstances particulires.

Une autre solution consiste mettre en uvre un filtrage actif afin dviter les inconvnients des filtres passifs. Une premire solution consiste connecter le filtre actif en parallle avec le systme polluant : ainsi, il injecte au rseau un courant de mme amplitude que celle du courant harmonique liminer mais en opposition de phase. Une seconde approche consiste en la connexion du filtre actif en srie avec le rseau : il se comporte alors comme un gnrateur de tension qui impose une tension harmonique telle que, additionne celle du rseau, la tension au point de connexion soit rendue sinusodale.

Cependant le filtrage actif prsente galement ses inconvnients spcifiques, notamment son cot lev pour des applications industrielles ; le dimensionnement du convertisseur de puissance du filtre actif peut alors tre relativement lev. Pour cette raison majeure, les applications des filtres actifs de puissance dans les systmes lectriques sont aujourdhui encore limites bien que des normes fixent les caractristiques exiges pour la qualit de lnergie.

Les inconvnients des filtres passifs et des filtres actifs peuvent tre simultanment limits en utilisant de nouvelles topologies de filtres actifs, appeles filtres hybrides. Lutilisation de filtres actifs hybrides est aujourdhui considre comme une solution qui permet de rduire le dimensionnement et par consquent le cot des filtres actifs. Le filtre hybride consiste en lassociation de filtres passifs, destins absorber les harmoniques de courant provenant de la charge polluante, et dun filtre actif de faible puissance.

Dautre part, il est important de noter que les performances dun filtre actif sont troitement lies lalgorithme utilis pour dterminer les rfrences harmoniques de courant ainsi qu la mthode utilise pour la poursuite de ces rfrences. De plus, le mode dimplantation, analogique ou numrique, peut galement avoir une influence directe sur les performances du filtre actif, selon la technologie utilise (systme de prototypage DSPACE, FPGA, microcontrleur, carte analogique, .).

Nous allons nous intresser tous ces aspects cits ci-dessus dans cette thse. Le travail de recherche prsent dans ce mmoire est divis en cinq chapitres :


5

Dans le premier chapitre, nous prsentons les perturbations, en courant et en tension, des rseaux lectriques connects des charges dites polluantes. Les origines de cette pollution harmonique, les consquences et les normes inhrentes ces perturbations sont examines.

Au second chapitre, nous tudions thoriquement la topologie de filtre actif parallle structure tension et sa stratgie de commande. Les rsultats de simulation obtenus sont prsents et comments. Nous proposons une nouvelle commande dveloppe dans le cadre de cette thse et utilisant un filtre hautement slectif, appel filtre multivariable (FMV), au lieu des filtres dextractions classiques de types passe-haut ou passe-bas. Trois contrleurs de courant sont galement tudis : MLI, hystrsis classique et hystrsis module. Le comportement du filtre actif en rgime transitoire et linfluence du choix des paramtres du systme sont galement prsents en fin de ce chapitre.

Au troisime chapitre, nous prsentons la validation exprimentale des rsultats de simulation obtenus pour la commande dite hystrsis module . Un banc exprimental a t mis en uvre lors de cette thse. Il est constitu dun filtre actif parallle IGBTs, dune charge non linaire de type pont diodes dbitant dans une charge RL, dun systme de prototypage numrique DSPACE (carte de dveloppement DS1104) pour gnrer les rfrences des courants harmoniques et dune carte analogique pour raliser le contrle des courants harmoniques par hystrsis module.

Au quatrime chapitre, nous tudions dans un premier temps la topologie du filtre hybride parallle trois bras structure tension. La base des travaux prsents pour ce type de filtrage sappuie sur le schma de contrle dit schma classique prsent dans larticle [2]. Ce schma comprend deux boucles de contrle : une boucle feedforward pour supprimer lharmonique cinq et une boucle feedback pour supprimer le reste du spectre harmonique. Partant de ce schma dit classique, nous proposons diffrentes nouvelles stratgies de commande en introduisant des filtres FMVs dans les deux boucles de contrle. Les commandes proposes permettent damliorer sensiblement les performances du filtre hybride tout en tant plus simples raliser. Dans un deuxime temps, nous tudions une topologie du filtre hybride deux bras avec un condensateur point milieu. Ensuite, nous prsentons une nouvelle structure de commande de filtre hybride destine compenser des harmoniques particuliers tels que lharmonique 5, lharmonique 7 ou bien encore les deux simultanment,


6

tout en mettant en uvre une commande de complexit rduite. Enfin, pour terminer ce chapitre, nous tudions le comportement du filtre hybride en rgime transitoire.

Le cinquime chapitre est consacr au prototypage exprimental dit FPGA in the Loop de la commande numrique du filtre hybride triphas. Le nouveau flot de conception propos pour limplantation numrique de la commande sur cible FPGA est bas sur lutilisation conjointe des outils Matlab-Simulink et DSPBuilder. Ce flot est dtaill dans un premier temps. Ensuite, il est appliqu au cas de la commande numrique du filtre hybride pour lequel chaque tape est dtaille.

Enfin, nous concluons ce manuscrit par une tude comparative des deux structures de filtres actifs parallle tudies (shunt et hybride). Les apports des nouvelles stratgies de commande tudies et valides lors de ces travaux de thse sont rsums. De mme, laspect implantation numrique de la commande est discut. Pour conclure, les perspectives de ces travaux de recherche sont prsentes.

Chapitre I. Perturbations des rseaux lectriques _______________________________________________________________________________________________________________

7

CHAPITRE I

PERTURBATIONS DES RESEAUX ELECTRIQUES


8


9

INTRODUCTION

Gnralement, le distributeur dnergie dlivre lnergie lectrique sous forme dun systme triphas de tensions sinusodales. Les paramtres caractristiques de ce systme sont la frquence, lamplitude, la forme donde, qui doit tre sinusodale et la symtrie du systme triphas. Mais depuis quelques annes, avec lvolution technologique des composants dlectronique de puissance les distributeurs dnergie rencontrent plusieurs problmes lis laccroissement du nombre de convertisseurs statiques raccords aux rseaux de distribution dnergie. En effet, ces convertisseurs sont des sources polluantes qui absorbent des courants non sinusodaux et consomment pour la plupart de la puissance ractive.

Les harmoniques gnrs sont des perturbations permanentes affectant la forme donde de la tension du rseau. Ces perturbations se superposent londe fondamentale. Elles ont donc pour consquence de modifier londe de tension ou de courant ce qui se traduit par une dgradation du facteur de puissance et/ou par la gnration de courants et de tensions alternatives de frquence diffrente de celle du fondamental.

Dans ce chapitre, nous allons prsenter la source des harmoniques, linfluence du raccordement des convertisseurs statiques sur les rseaux lectriques et leurs environnements et enfin les normes. Ensuite, nous prsentons les solutions classiquement mises en uvre pour

dpolluer les rseaux lectriques.

I.1 LES PERTURBATIONS HARMONIQUES

I.1.1 Sources des harmoniques et leurs effets

Lutilisation des quipements lectriques comportant des convertisseurs statiques dans les installations de conversion dnergie lectrique a entran ces dernires annes une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique. Ils ont contribu la dtrioration de la qualit du courant et de la tension des rseaux de distribution.

Les principales sources lorigine des harmoniques sont les appareils dclairage fluorescent, les appareillages informatiques, les appareils domestiques (tlviseurs, appareils lectromnagers en grand nombre), les arcs lectriques et tous les convertisseurs statiques


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raccords aux rseaux tels que les redresseurs et les onduleurs. Tous ces systmes contribuent la pollution harmonique du rseau auquel ils sont connects.

En effet, ces systmes absorbent des courants non sinusodaux, mme sils sont aliments par une tension sinusodale. Ces quipements lectriques sont considrs comme des charges non linaires mettant des courants harmoniques dont les frquences sont des multiples entiers ou non entiers de la frquence fondamentale.

La prsence dharmoniques de courant ou de tension conduit des effets nfastes sur le rseau de distribution, comme par exemple [1], [3]-[7]:

- Lchauffement des conducteurs, des cbles, des condensateurs et des machines d aux pertes cuivre et fer supplmentaires.

- Linterfrence avec les rseaux de tlcommunication, cause par le couplage lectromagntique entre les rseaux lectriques et les rseaux de tlcommunication qui peut induire dans ces derniers des bruits importants.

- Le dysfonctionnement de certains quipements lectriques comme les dispositifs de commande et de rgulation. En prsence dharmoniques, le courant et la tension peuvent changer plusieurs fois de signe au cours dune demi-priode. Par consquent, les quipements sensibles au passage par zro de ces grandeurs lectriques sont perturbs.

- Des phnomnes de rsonance. Les frquences de rsonance des circuits forms par les inductances du transformateur et les capacits des cbles sont normalement assez leves, mais celles peuvent concider avec la frquence dun harmonique. Dans ce cas, il y aura une amplification importante qui peut dtruire les quipements raccords au rseau.

- La dgradation de la prcision des appareils de mesure.

- Des perturbations induites sur les lignes de communication, rayonnement lectromagntique notamment.

Diffrents critres sont dfinis pour caractriser ces perturbations. Le THD et le facteur de puissance sont les plus employs pour quantifier respectivement les perturbations harmoniques et la consommation de puissance non-active. Le THD reprsente le rapport de la


11

valeur efficace des harmoniques la valeur efficace du fondamental. Il est dfini par la relation :

THD =

=22

1

2

h

h

XX

(I.3)

avec X soit un courant, soit une tension.

I.2 LES NORMES IMPOSEES SUR LE THD

Afin de garantir un niveau de qualit de lnergie satisfaisant en limitant les effets des perturbations harmoniques, les distributeurs dnergie et les utilisateurs sont amens respecter des normes et des recommandations qui dfinissent les rgles relatives la compatibilit lectromagntique (CEM) dfinies [8] :

- au niveau international par la CEI, - au niveau europen par le CENELEC,

- au niveau franais, par lUTE et le CEF,

En effet, ces normes ont t tablies par des groupes dexperts internationaux, qui reprsentent les constructeurs, les utilisateurs de matriels, ainsi que par des reprsentants de laboratoires d'essais, des consultants et des universitaires spcialistes du domaine considr. Afin de faciliter la connaissance des normes pour chaque domaine, les normes CEI qui couvrent tous les domaines de l'lectrotechnique sont numrotes et rfrences comme par exemple CEI 61000 sur la compatibilit lectromagntique et CEI 60063 qui dfinit les sries de valeurs normalises pour les rsistances et condensateurs,etc. Les normes internationales publies par la CEI dans les domaines de llectricit et de llectronique ont pour objectifs de :

- faciliter les changes dans le monde en supprimant les barrires techniques, - assurer la qualit des produits, - garantir l'interoprabilit des produits et des systmes, - contribuer la scurit lors de l'utilisation des produits,


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- contribuer la protection de l'environnement et la qualit de vie.

Au niveau international (CEI), les normes CEI 61000 publies dans le domaine de la compatibilit lectromagntique (CEM) sont divises en plusieurs parties, conformment la structure suivante:

1- Gnralits,

2- Environnement,

3- Limites,

4- Techniques dessais et de mesures, 5- Guide dinstallation et dattnuation, 6- Normes gnriques.

Chaque partie est divise en plusieurs sous-parties dont certaines ont t rendues obligatoires par la directive 89/336/CEE dans lUnion Europenne et retranscrites dans les droits nationaux sous lappellation NF EN 61000 (en France). L'application de ces directives est obligatoire pour bnficier du marquage CE (Communaut Europenne). L'apposition de marquage indique donc la conformit du produit aux exigences essentielles de ces directives afin davoir le droit de commercialiser les produits concerns dans l'Union Europenne. Pour les rseaux lectriques, les recommandations dEDF pour les tensions sont :

- Pour un harmonique pair : 1V

Vh 0,6 %,

- Pour un harmonique impair : 1V

Vh 1 %,

- Pour le taux de distorsion global de tension : THD < 1,6 %.

Il sagit de limitations qui sont maintenant trs anciennes (plus de 20ans). Ci-dessous, nous allons dtailler les normes internationales les plus rcentes concernant les courants et les tensions.

Au niveau international (CEI), les normes CEI-1000 dfinissent les niveaux des courants et des tensions harmoniques respecter. Le tableau. I.1 prsente la norme CEI-1000-3-2 qui fixe la limitation des courants injects dans un rseau public basse tension pour des quipements dont le courant par phase est infrieur 16A. Il sagit l des appareils du domaine domestique. Aussi, du fait de leur puissance, les quipements industriels sont exclus du champ dapplication de cette norme [8].


13

Harmoniques impairs

Harmoniques pairs Rang Courant harmonique

admissible maximal (A) Rang Courant harmonique

admissible maximal (A) 3 5 7 9

11 13

15 39 h

2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21

0.15 h/15

2 4 6

408 h

1.08 0.43 0.30

h/823.0

Tab. I.1. Limites des composantes harmoniques en courant.

La norme (CEI-1000-3-4) spcifie les limites dmissions de courants harmoniques des quipements individuels d'intensit assigne suprieure 16A et jusqu' 75A. Ces limites s'appliquent aux rseaux publics de tensions nominales comprises entre 230 V (monophas) et 600 V (triphas).

Rang Courant harmonique en % du fondamental

3 5 7 9

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 pair

21.6 10.7 7.2 3.8 3.1 2.0 0.7 1.2 1.1 0.6 0.9 0.8 0.6 0.7 0.7 0.6

0.6 ou 0.15 h/8

Tab. I.2. Limites des missions de courants harmoniques.

Les normes CEI-1000-2-2 et CEI-1000-2-4 prcisent le niveau des harmoniques de tension

respecter au point de raccordement sur les rseaux de distribution basse tension, public et


14

industriel respectivement. Le tableau I.3 prsente les niveaux de compatibilit pour les tensions harmoniques sur les rseaux publics basse tension.

Harmoniques impairs non multiples de 3

Harmoniques impairs multiples de 3

Harmoniques pairs

Rang Tension harmonique

en % du fondamental


en % du fondamental


en % du fondamental

5 7

11 13 17 19 23 25

> 25

6 5

3.5 3 2

1.5 1.5 1.5

0.2+0.5*25/k

3 9

15 21

> 21

5 1.5 0.3 0.2 0.2

2 4 6 8

10 12

> 12

2 1

0.5 0.5 0.5 0.2 0.2

Tab. I.3. Niveaux de compatibilit des harmoniques de tension (CEI-1000-2-2).

La norme CEI 61000-4-13 prcise les essais dimmunit basse frquence aux harmoniques et inter-harmoniques incluant les signaux transmis sur le rseau lectrique. Le tableau I.4

indique les taux des harmoniques en tension utiliser pour vrifier limmunit des appareils pour les matriels et systmes sensibles et les rseaux industriels.

Rang harmonique

Matriels et systmes sensibles

%

Rseaux industriels

% 3 5 7 9

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

8 8

6.5 2.5 5

4.5 -

3 2 -

2 2 -

1.5 1.5

8 12 10 4 7 6 3 5 5 2 4 4 2 4 3

Tab. I.4. Taux des harmoniques en tension imposer pour vrifier limmunit des appareils

(CEI-61000-4-13).


15

Compte tenu de toutes ces normes imposes par la rglementation CEM, nous avons besoin de mettre en uvre des moyens efficaces afin de limiter la propagation de la pollution

harmonique des rseaux de distribution dnergie. De plus, les normes actuelles ne sont pas tout fait satisfaisantes car elles ne tiennent pas compte de linfluence du rseau et de la

dformation initiale de la tension. Par ailleurs, elles paraissent un peu laxistes pour les appareils de faibles puissances [9]. Il faudrait donc sattendre, dans lavenir proche, des normes plus strictes et surtout des restrictions financires plus contraignantes qui justifient davantage des travaux comme le notre dans le domaine de la qualit de lnergie.

I.3 SOLUTIONS DE DEPOLLUTION DES RESEAUX ELECTRIQUES

Deux types de solutions sont envisageables. La premire consiste utiliser des

convertisseurs statiques moins ou peu polluants, tandis que la seconde consiste en la mise en uvre dun filtrage des composantes harmoniques. La premire classe de solutions sintresse

la conception tandis que la seconde consiste compenser les courants ou les tensions harmoniques [9]. Deux groupes de solutions de dpollution pour compenser toutes les perturbations peuvent tre distingus : les solutions traditionnelles et les solutions modernes.

I.3.1 Solutions traditionnelles

Il sagit notamment de mettre en uvre les moyens suivants :

1- Statocompensateur : il sagit dune mthode de compensation utilise pour relever le facteur de puissance,

2- Filtre passif : le plus ancien pour le traitement des harmoniques de courant. Il

consiste piger les courants harmoniques pour empcher quils ne se propagent dans le reste du rseau.

I.3.2 Solutions modernes

Ces solutions sont proposes comme des solutions efficaces de dpollution des

rseaux lectriques afin de traiter les inconvnients inhrents aux solutions traditionnelles comme les filtres passifs (non adaptatifs aux variations de la charge et du rseau, phnomnes


16

de rsonance). Parmi toutes les solutions modernes, on trouve deux types de structures classiquement utilises :

Le filtre actif (srie, parallle ou bien encore associant les deux) Le filtre actif hybride (srie, parallle).

Le but de ces filtres actifs est de gnrer soit des courants, soit des tensions harmoniques de manire ce que le courant ou la tension redevienne sinusodal. Le filtre actif est connect au

rseau soit en srie (FAS), soit en parallle (FAP) suivant quil est conu respectivement pour compenser les tensions ou les courants harmoniques, soit associ des filtres passifs.

Pour fournir aux consommateurs une nergie lectrique de qualit, mme dans les conditions

de fonctionnement les plus perturbes, les filtres actifs sont proposs comme des solutions de dpollution des rseaux lectriques [10]-[15]. Dans la suite, diffrentes topologies de filtres actifs usuels sont prsentes.

I.3.2.1 Filtre actif srie (FAS)

Le rle dun FAS est de modifier localement limpdance du rseau. Il se comporte comme une source de tension harmonique qui annule les tensions perturbatrices (creux, dsquilibre, harmonique) venant de la source et celles gnres par la circulation de courants perturbateurs travers limpdance du rseau. Ainsi, la tension aux bornes de la charge peut

tre rendue sinusodale. Cependant, le FAS ne permet pas de compenser les courants harmoniques consomms par la charge.

Fig. I.1. Filtre actif srie.

Charge non linaire Filtre actif Rseau


17

I.3.2.2 Filtre actif parallle (FAP)

Le FAP se connecte en parallle avec le rseau et injecte en temps rel les composantes harmoniques des courants absorbs par les charges non linaires connectes au

rseau. Ainsi, le courant fourni par la source d'nergie devient sinusodal.

Fig. I.2. Filtre actif parallle.

I.3.2.3 Combinaison parallle-srie de filtres actifs

La figure I.3 illustre lassociation de deux filtres actifs parallle et srie, galement appele Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Cette structure bnficie des avantages des deux types de filtres actifs srie et parallle. Ainsi, elle permet dassurer simultanment un courant sinusodal et une tension du rseau lectrique galement sinusodale [3].

Fig. I.3. Combinaison parallle-srie de filtres actifs.

Les inconvnients des filtres passifs (rsonances srie ou parallle avec la source et/ou la charge, dtrioration des performances du filtre lors de variations de limpdance du rseau, ) et des filtres actifs (cot lev en raison du dimensionnement des composants de puissance) ont conduit llaboration dune nouvelle topologie de filtre actif. Il sagit du filtre hybride qui est en ralit lassociation de filtres actifs de faibles puissances des filtres

passifs.

Vinj

if Rseau Charge

non linaire

Filtre actif parallle

Filtre actif srie

is ic

if

Rseau Charge non linaire

Filtre actif


18

I.3.2.4 Filtre hybride

Le filtre hybride est une topologie de filtre qui combine les avantages des filtres passifs et des filtres actifs. Pour cette raison, il est considr comme lune des meilleures

solutions pour filtrer les harmoniques de courant des rseaux de distribution. Une des principales raisons de lutilisation du filtre actif hybride est lie au dveloppement des semi-

conducteurs de puissance tels que les transistors de puissance de types MOSFET ou IGBT. De plus, du point de vue conomique, le filtre hybride prsente un atout majeur : il permet de rduire le cot du filtre actif, actuellement lobstacle majeur lutilisation de filtres actifs [16].

I.4 CONFIGURATION DES FILTRES HYBRIDES

Ces dernires annes, de nombreuses topologies de filtres hybrides associes

diffrentes stratgies de commandes ont t prsentes dans la littrature scientifique afin damliorer la qualit de lnergie mais surtout pour rduire le dimensionnement du filtre actif

de puissance et par consquent son cot. Les filtres hybrides peuvent tre classs selon le nombre dlments mis en uvre dans la topologie tudie (filtres actifs et filtres passifs), le systme trait (monophas, triphas trois fils et triphas quatre fils) et le type donduleur utilis (structure tension ou courant). La figure I.4 prsente quelques configurations de filtres hybrides selon le type de systme tudi et les lments associs [17].

Fig. I.4. Classification des filtres hybrides.

Monophas Triphas 3 fils Triphas 4 fils

Filtre hybride

passif-passif actif-actif

passif-actif


passif-actif


passif-actif


19

La configuration traditionnelle du filtre hybride comprend un filtre actif et un filtre passif. Le filtre passif doit avoir une impdance aussi faible que possible pour les harmoniques de rangs

5, 7, 11 et 13 afin datteindre de bonnes caractristiques de filtrage [18], [19]. Pour cette raison le filtre passif se compose classiquement dun premier filtre passif accord sur

lharmonique cinq, dun second filtre passif accord sur lharmonique sept et dun troisime filtre passe haut. La configuration de ce filtre passif est dcrite la figure I.5.

Fig. I.5. Configuration du filtre passif avec filtre passe haut.

La figure I.6 prsente une autre configuration de filtre passif o lon utilise des filtres passifs accords sur lharmonique 11 et sur lharmonique 13 au lieu du filtre passe haut.

Fig. I.6. Configuration du filtre passif sans filtre passe haut.

En effet, dans les deux configurations du filtre passif prsentes ci-dessus, le cot et la complexit sont des inconvnients majeurs [18]. Au chapitre IV, une topologie de filtre hybride triphas combinant filtrages actif et passif et permettant de pallier ces inconvnients sera prsente ; elle comporte plusieurs boucles de contrle accordes sur des harmoniques

particuliers dans cette topologie. Le filtre passif a pour rle dliminer les harmoniques gnrs par la charge alors que le filtre actif est destin amliorer les performances de

filtrage du filtre passif. Selon le mode dassociation des filtres passifs aux filtres actifs, le filtre hybride se dcline en plusieurs configurations dcrites ci-aprs.

h13 h11 h7 h5 FC

FL

FPH h7 h5 FC

FL


20

I.4.1 Filtre hybride combinant filtres actif et passif

I.4.1.1 Association srie dun filtre actif parallle et dun filtre passif

Dans cette configuration, les deux filtres actif et passif sont directement connects en

srie, sans lintermdiaire dun transformateur. Lensemble est connect en parallle sur le rseau comme le dcrit la figure I.7.

Fig. I.7. Association srie dun filtre actif parallle et dun filtre passif.

Dans ce cas, le filtre passif se comporte comme une impdance faible la frquence daccord et comme une grande impdance la frquence fondamentale. Ce systme prsente deux

avantages : le dimensionnement en puissance du filtre actif est encore plus rduit du fait que le courant qui le traverse est plus faible et le filtre actif est labri dun ventuel court-circuit

de la charge [3], [20].

I.4.1.2 Association parallle dun filtre actif parallle et dun filtre passif

Dans cette topologie, le filtre actif est connect en parallle avec le filtre passif. Tous

deux sont galement en parallle avec la charge. Le filtre actif parallle sert compenser les

courants harmoniques basses frquences mis par la charge polluante alors que le filtre passif, accord sur une frquence harmonique leve, permet de compenser les harmoniques hautes

frquences [20].

Filtre passif

Charge non linaire


SL

FC

FL


21

Fig. I.8. Association parallle dun filtre actif parallle et dun filtre passif.

I.4.1.3 Association dun filtre actif srie et dun filtre passif

Cette structure permet de rduire les risques dantirsonance entre les lments des

filtres passifs et limpdance du rseau. Dans ce cas, le filtre actif srie agit comme une rsistance vis--vis des courants harmoniques et les oblige circuler dans le filtre passif, tout

en restant transparent la frquence fondamentale. La figure I.9 illustre cette topologie [1].

Fig. I.9. Association dun filtre actif srie et dun filtre passif.

Parmi les configurations prsentes dans ce paragraphe, nous nous intressons dans ce

mmoire la premire structure (Figure I.7 du paragraphe I.4.1.1), notamment pour ses avantages non seulement en termes de dimensionnement des composants passifs et des semi-

conducteurs de puissance mais galement pour la simplicit de sa commande [2].

Filtre passif

Charge non linaire


SL

FC

FL

Filtre Passif

Charge non linaire

Filtre actif srie

SL

FC

FL


22

Ce filtre hybride sera tudi en dtail au chapitre IV ainsi que sa mthode de commande (SRF), base sur deux boucles de contrle. Lorsquil est reli un rseau triphas trois fils, nous tudierons deux topologies selon le nombre de bras de londuleur, savoir un filtre hybride de puissance trois bras et un filtre hybride deux bras avec un condensateur point

milieu.

La comparaison des performances du filtre actif hybride avec celles du filtre actif classique est lun des objectifs de ce travail. Nous tudierions les deux structures dabord sur le plan thorique, puis par modlisation et simulation. Ensuite, concernant le filtre classique, un dispositif exprimental nous permettra de valider les diffrents rsultats de

simulation.

Pour ce qui est du filtre hybride, nous nous sommes intresss, dans le cadre de ce travail, une validation de la commande numrique par une nouvelle mthode de prototypage dite

FPGA in the Loop . La validation complte, sur un banc compltement exprimental, est preuve dans les travaux futurs.

I.4.2 Topologies donduleur mises en uvre pour les filtres actifs

Pour les diffrentes structures de filtres hybrides prsentes au paragraphe prcdent,

diffrentes topologies donduleurs peuvent tre mises en oeuvre pour le filtre actif. Les structures usuelles de convertisseurs sont dcrites ci aprs.

I.4.2.1 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas trois bras

La configuration la plus rpandue est le filtre actif de puissance parallle trois bras. Les trois bras de l'onduleur sont forms par six interrupteurs bidirectionnels en courant, qui

sont des composants semi-conducteurs commands la fermeture et l'ouverture (transistors bipolaires, IGBT ou IGCT) comportant une diode en antiparallle. Cet onduleur est connect au rseau lectrique par un filtre dit de dcouplage. Son schma de principe est illustr la figure I.10.


23

Fig. I.10. Onduleur triphas trois bras.

I.4.2.2 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas deux bras avec condensateur point milieu

Dans cette topologie, l'onduleur est constitu de quatre interrupteurs rversibles en courant formant les deux bras , qui sont galement des composants semi-conducteurs

commands la fermeture et l'ouverture comportant une diode en antiparallle. Le troisime bras est remplac par deux condensateurs relis la troisime phase du rseau lectrique.

Chacune des deux capacits joue le rle d'une source de tension continue. La tension leurs bornes, Vdc/2, est galement maintenue une valeur positive quasi-constante [21]-[23].

Fig. I.11. Onduleur triphas deux bras avec condensateur point milieu.

I.4.2.3 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas trois bras avec condensateur point milieu

Cette topologie est constitue de six interrupteurs rversibles en courant, commands

la fermeture et l'ouverture. Ils forment les trois bras d'un onduleur triphas. Un quatrime

C dcV

6S 5S 4S

3S 2S 1S

C2

C1 2dcV

4S 3S

2S 1S

2dcV


24

bras est constitu de deux condensateurs dont le point milieu est reli au neutre du rseau lectrique. Ici, la commande de londuleur nimpose que trois courants, le quatrime tant

alors impos par le montage. La figure I.12 prsente cette topologie.

Fig. I.12. Onduleur triphas trois bras avec condensateur point milieu.

I.4.2.4 Filtre actif triphas constitu dun onduleur triphas quatre bras

Dans cette configuration, nous utilisons un onduleur comprenant quatre bras constitus de huit interrupteurs rversibles en courant comme l'illustre la figure I.13. Cette configuration

a t propose afin d'viter le recours un lment de stockage point milieu comme celle de la configuration prcdente [24]-[26].

Fig. I.13 Onduleur triphas quatre bras.

I.5 COMMANDE DU FILTRE ACTIF ET TECHNIQUES MISES EN OEUVRE

Les performances des filtres actifs ou hybrides dpendent trs fortement de plusieurs facteurs :

8S 7S

C dcV

6S 5S

2S 1S 3S 4S

6S

C2

C1 2dcV

5S 4S

2S 1S

2dcV

3S


25

- lalgorithme de commande utilis pour identifier les rfrences de courants ou de tensions [27]-[29],

- le mode de contrle utilis (MLI, hystrsis, hystrsis module, ) pour la gnration des ordres de commande des interrupteurs de puissance,

- les performances de la boucle de rgulation de la tension du rservoir capacitif.

Dautre part, les performances du filtre actif dpendent galement de la technique retenue (analogique ou numrique) lors de la mise en uvre pratique de la commande. Le filtrage actif exige en effet des performances temps rels leves lors de limplantation de la commande, compte tenu des frquences des harmoniques gnrer. La tendance actuelle est

au dveloppement des commandes numriques (Digital Signal Processeur, Microcontrleur, FPGA, systme prototypage DSPACE) pour limplantation de lalgorithme de commande retenu. Aujourdhui, les travaux de recherche dans le domaine du contrle des systmes lectriques sorientent principalement vers deux technologies numriques lors de

limplantation des commandes : le systme de prototypage DSPACE ou la technologie FPGA [30]. Dans ce mmoire nous allons tudier thoriquement et exprimentalement deux types de filtres actifs :

1- Le Filtre Actif Parallle (FAP). 2- Le Filtre Hybride Parallle (FHP).

Considrons dabord le cas du FAP. Dans un premier temps, nous allons tudier thoriquement puis par simulation (Matlab/Simulink) une nouvelle commande, variante de la mthode des puissances relle et imaginaire instantanes. Le FAP tudi sera destin

dpolluer un rseau lectrique triphas trois fils connect une charge non-linaire triphase de type pont redresseur, dbitant dans une charge RL. La commande propose sera valide

exprimentalement laide du systme DSPACE (carte de prototypage DS1104). Cette commande sera mixte (analogique et numrique) :

- la gnration des rfrences de courants harmoniques sera ralise

numriquement, laide du systme DSPACE, - la commande rapproche des interrupteurs de puissance, destine poursuivre les

rfrences de courant gnres par le systme DSPACE, sera analogique et mettra


26

en uvre le contrle par hystrsis module. Une carte analogique a t conue et ralise cet effet au sein de notre laboratoire.

Considrons maintenant le FHP. Ce filtre sera tudi thoriquement et par simulation au

chapitre IV, laide du logiciel Matlab/Simulink. De nouvelles stratgies de commandes, bases sur la mthode dite du rfrentiel li au synchronisme, seront prsentes. Ce FHP sera

destin dpolluer un rseau lectrique triphas trois fils reli une charge non-linaire triphase de type pont redresseur diodes dbitant dans une charge RC. Ensuite, nous

validerons exprimentalement cette commande au chapitre V laide de la technologie FPGA en mettant en uvre une nouvelle mthode de prototypage dite FPGA in the Loop . Cette

technique de prototypage a t rcemment dveloppe au sein de notre quipe de recherche ; elle associe une carte FPGA aux outils logiciels Matlab/Simulink et la toolbox

SimPowerSystems. Ainsi, il est possible de tester exprimentalement limplantation numrique relle de la commande dans son contexte de puissance en mulant la partie

puissance laide dun PC.


27

CONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons prsent la distorsion harmonique et les diffrentes sources de perturbation affectant la forme donde des tensions du rseau lectrique ainsi que

leurs effets nfastes sur les quipements lectriques qui y sont connects. Ces effets sont lorigine dchauffements et de dgradations du fonctionnement de ces quipements. Les

normes imposes ont t galement prsentes. Elles fixent les limites de la gnration dharmoniques.

Ensuite, pour diminuer les effets de ces perturbations harmoniques, diffrentes

solutions traditionnelles et modernes de dpollution ont t prsentes. Les solutions classiques ne sont pas trs efficaces pour traiter ce problme ; les technologies mises en

uvre, telles que les filtres passifs, sont souvent pnalisantes en termes dencombrement et de rsonance. De plus, les filtres passifs ne peuvent pas sadapter lvolution du rseau et des

charges polluantes.

En ce qui concerne les solutions modernes, nous avons prsent les deux topologies utilises, le filtre actif et le filtre hybride. Ces topologies ont pour but de gnrer soit des

courants, soit des tensions harmoniques de manire ce que le courant et la tension du rseau redeviennent sinusodaux. En effet, grce aux progrs raliss dans le domaine de

llectronique de puissance, ces solutions peu encombrantes noccasionnent aucune rsonance avec les lments passifs du rseau et font preuve dune grande flexibilit face lvolution

du rseau lectrique et de la charge polluante.

Ces solutions modernes peuvent tre installes pour compenser toutes les perturbations de

courant telles que les harmoniques, les dsquilibres ainsi que pour compenser de la puissance ractive.

A la fin de ce chapitre, nous avons notamment introduit deux techniques numriques

(systme de prototypage DSPACE et implantation sur cible FPGA), utilises dans ce mmoire pour implanter les algorithmes de commandes tudis. La suite de ce mmoire sera consacre

ltude thorique et exprimentale du filtre actif parallle structure tension, puis du filtre hybride parallle structure tension, en vue dune compensation globale ou slective des

harmoniques de courant pour les systmes triphass trois fils.


28

Chapitre II. Commande du filtre actif parallle base sur la mthode des puissances instantanes avec des FMVs _______________________________________________________________________________________________________________

29

CHAPITRE II

COMMANDE DU FILTRE ACTIF PARALLELE BASE SUR LA

METHODE DES PUISSANCES INSTANTANEES AVEC DES FMVs


30


31

INTRODUCTION

Depuis quelques annes, le filtrage actif fait lobjet de nombreux travaux de recherche afin de compenser les courants harmoniques gnrs par les charges polluantes connectes

aux rseaux lectriques. La figure II.1 rappelle la structure gnrale dun filtre actif parallle. Ce filtre peut tre dcompos en deux parties: la partie puissance et la partie commande [4]. La premire comporte un onduleur, un filtre de dcouplage et une source de stockage dnergie. Ces deux derniers lments dterminent la nature du filtre actif (structure tension ou courant), suivant quil est ralis laide dun onduleur de tension ou de courant.

Fig. II.1. Structure gnrale dun filtre actif parallle.

Nous distinguons donc deux types de filtres actifs parallles, le filtre actif structure

tension et le filtre actif structure courant. Dans cette tude, thorique et exprimentale, nous nous intressons uniquement au filtrage actif parallle structure tension. Nous allons

prsenter successivement :

- la structure gnrale du filtre actif parallle de type tension ; - une variante de la mthode des puissances active et ractive instantanes,

dveloppe au sein de notre laboratoire. Cette nouvelle mthode permet didentifier les courants harmoniques de rfrence et met en uvre des filtres

slectifs dits multi-variables , - lintrt dutiliser des FMVs,

- le contrle du filtre actif par trois types de commandes, hystrsis, hystrsis module ou MLI pour la gnration des courants de rfrence,

S1, S2,S6

Filtre de dcouplage

Onduleur

Source dnergie

Commande de londuleur


32

- le comportement du filtre actif en rgime transitoire. Pour conclure ce chapitre, les rsultats de simulation que nous avons obtenus seront prsents

et comments.

II.1 FILTRE ACTIF PARALLLE STRUCTURE TENSION

La figure II.2 prsente le filtre actif structure tension o londuleur de tension est connect en parallle sur le rseau via un filtre de dcouplage (Lf, Rf). La capacit C se comporte comme une source de tension continue. La tension Vdc aux bornes du condensateur doit tre positive et maintenue constante par la commande. Ses fluctuations doivent tre

faibles dune part pour ne pas dpasser la limite en tension des semi-conducteurs constituant les interrupteurs et dautre part pour ne pas dgrader les performances du filtre actif.

Londuleur triphas est constitu dinterrupteurs bidirectionnels en courant. Ils sont

raliss par des semi-conducteurs commandables louverture et la fermeture (de type IGBT dans la majorit des cas) monts en anti-parallle avec une diode. Pour cette structure, on doit respecter les contraintes suivantes :

- A un instant donn, un seul interrupteur dun mme bras doit conduire afin dviter tout court-circuit de la source de tension,

- Le courant de ligne doit toujours trouver un chemin possible do la mise en antiparallle de diodes au niveau des interrupteurs.

Fig. II.2. Filtre actif structure tension.

Vf1

Vf3 n

Rf

Vf2 C

Lf

dcV

6S 5S

4S

3S 2S 1S

esc

esa

esb


33

En thorie, nous commandons les deux semi-conducteurs dun mme bras de faon complmentaire : la conduction de lun entrane le blocage de lautre. Avec cette hypothse,

louverture et la fermeture des interrupteurs de londuleur de la figure. II.2 dpendent de ltat de trois signaux de commande (T1, T2, T3), dfinis ci-dessous :

1 S1 ferm et S4 ouvert T1 = 0 S4 ferm et S1 ouvert



En pratique, les deux semi-conducteurs d'un mme bras ne doivent jamais conduire en mme temps afin d'viter de court-circuiter la source de tension ; il faut donc gnrer un temps

d'attente, galement appel temps mort, entre la commande au blocage d'un interrupteur et la commande l'amorage de l'autre interrupteur du mme bras. Ainsi, partir des tats des

interrupteurs prsents par les variables T1, T2 et T3, on obtient huit cas possibles pour les 3 tensions de sortie du filtre actif Vfi (rfrences par rapport au point de mi-tension continue), comme le montre le Tableau II.1 [3], [21].

Cas N T3 T2 T1 Vf3 Vf2 Vf1

0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 -Vdc/3 -Vdc/3 2Vdc/3

2 0 1 0 -Vdc/3 2Vdc/3 -Vdc/3

3 0 1 1 -2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3

4 1 0 0 2Vdc/3 -Vdc/3 -Vdc/3

5 1 0 1 Vdc/3 -2Vdc/3 Vdc/3

6 1 1 0 Vdc/3 Vdc/3 -2Vdc/3

7 1 1 1 0 0 0

Tab. II.1. Tensions en sortie de londuleur.


34

II.1.1 Filtre de dcouplage

Le but du filtre de dcouplage est de permettre la connexion de londuleur de tension au rseau lectrique qui est trs souvent considr comme une source de courant qui gnre

des courants harmoniques partir de la diffrence des tensions entre la sortie du pont onduleur et le rseau [4]. Ce filtre est un filtre qui limite certes la dynamique du courant mais rduit en mme temps la propagation sur le rseau lectrique des composantes dues aux commutations.

Dans ce travail, nous avons utilis un filtre entre l'onduleur et le rseau lectrique qui

se compose dune inductance Lf de rsistance interne Rf, comme le montre la figure II.2. Notons toutefois que des filtres de dcouplage du troisime ordre, de type L-C-L, pourraient

galement tre utiliss. Dans notre tude, nous emploierons ce filtre du premier ordre. D'autres tudes, y compris dans notre laboratoire, ont dj t consacres ces filtres de dcouplage [3], [21].

II.2 PRINCIPE DE COMMANDE DU FILTRE ACTIF

Le rle de la commande est la gnration de courants harmoniques produits par le filtre actif afin quils suivent en temps rel leurs rfrences harmoniques. Dans un premier

temps, il faut donc dterminer ces courants harmoniques de rfrence. Lobjectif est de compenser lensemble des harmoniques de courant gnrs par la charge non linaire. La

figure II.3 prsente le systme global tudier, constitu du rseau dalimentation, de la charge polluante et du filtre actif parallle.

Fig. II.3. Systme tudier.

ic

if

is Rseau Charge polluante

Filtre actif


35

La partie commande du filtre actif est constitue de trois modules distincts ralisant les fonctions suivantes :

- dtermination des courants harmoniques de la charge polluante,

- commande de londuleur du filtre actif ou poursuite des rfrences de courant, - rgulation de la tension aux bornes de la source de tension continue.

II.2.1 DETERMINATION DES COURANTS HARMONIQUES DE REFERENCE

La charge polluante absorbe un courant constitu dune composante fondamentale et

de composantes harmoniques. Le but du filtrage actif est la gnration de courants harmoniques de mme amplitude mais en opposition de phase avec ceux absorbs par la

charge. Ainsi, le courant absorb au rseau sera sinusodal. Il est dons ncessaire didentifier avec prcision les courants harmoniques de la charge polluante.

Le choix de la mthode utilise pour isoler la composante harmonique du courant de

charge est un facteur dterminant quant aux performances obtenues par le filtre actif (prcision, dynamique, ) [31]-[37]. Parmi toutes les mthodes prsentes dans la littrature, nous avons choisi de mettre en uvre une variante de la mthode des puissances relle et imaginaire instantanes, dveloppe au sein de notre laboratoire. Elle utilise des filtres FMV

au lieu des filtres classiques (FPB et FPH). La mthode classique des puissances instantanes est devenue aujourdhui trs courante dans les applications comme le filtrage actif car elle ralise le meilleur compromis entre performances statique et dynamique [4].

II.2.1.1 Mthode des puissances instantanes et sa variante

La mthode des puissances instantanes est une mthode temporelle. Elle a t utilise

afin dviter les difficults dues au nombre lev de calcul lors de la mise en oeuvre de mthodes frquentielles telle que la mthode de Fourier (Transformes de Fourier rapide ou discrte). Cette mthode a t introduite par H. Akagi [38]. Son principe est bas sur le passage de systmes triphass constitus par les tensions simples et les courants de ligne, un

systme diphas (repre -) en utilisant la transformation de Concordia, afin de calculer les puissances relle et imaginaire instantanes. Ensuite, pour dterminer les courants


36

harmoniques de la charge, la composante fondamentale est transforme en une composante continue et les composantes harmoniques en composantes alternatives.

Dans la mthode classique des puissances instantanes [38], on utilise gnralement, soit un filtre passe-haut, soit un filtre passe-bas afin de ne garder que la composante harmonique du

signal. La figure suivante II.4 prsente le principe de cette mthode.

Fig. II.4. Dtermination des courants de rfrence du filtre actif par la mthode classique des puissances active et ractive instantanes

Les deux types de filtre dextraction sont prsents la figure suivante :

(a) (b) Fig. II.5. Deux types classiques de filtres dextraction de la composante harmonique.

Cependant, comme cela est expos dans la littrature, ces filtres d'extraction permettent dobtenir une limination plus ou moins satisfaisante de la composante continue,

car leurs caractristiques concernant le rsidu harmonique sont diffrentes. Ces deux types de filtres ont t tudis dans notre laboratoire par M. Benhabib lors de sa thse de Doctorat [21]. Ils nont pas donn entire satisfaction car :

+

i

i

+

V

V

p~

_

+

i*abc

Vdc

VSabc

V*dc

abc

abc

icabc

Calcul de

*

i et *

i

P

Q

Rgulateur

_

+

abc

FPB

+ x

_

x~

x x~FPH x FPB


37

- Pour obtenir une extraction satisfaisante, le rgime dynamique est lent. En gnral, la frquence de coupure est choisie assez basse, entre 5 Hz et 35 Hz, ce qui engendre alors une instabilit du filtre actif de puissance lors de variations rapides de la charge.

- Dans le cas contraire, si lon choisit une frquence de coupure plus leve, la prcision

de la dtermination de la composante alternative est altre et peut savrer insuffisante.

Pour ces raisons, un nouveau type de filtre dextraction nomm ici FMV a t dvelopp au

sein de notre laboratoire. Son principe de base sappuie sur les travaux de Song Hong-Scok [39] et est bas sur l'extraction de la composante fondamentale des signaux, directement selon les axes - comme cela est prsent la figure II.6.

Fig. II.6. Principe du FMV.

Selon les axes -, les expressions liant les composantes x en sortie du FMV aux

composantes dentre x sont les suivantes :

))()]()([( sxs

sxsxs

Kx c

=

(II.1)

))()]()([( sxs

sxsxs

Kx c

+=

(II.2)

o sont reprsents par :

x

x

x

x

S1

K

S1 + - +

-

+

-

+ +

K

c

c


38

x : le signal lectrique dentre selon les axes , de nature tension ou courant x : les composantes fondamentales de x

K : constante fixer

c = 2pif : pulsation fondamentale du rseau

Ce filtre FMV sera systmatiquement mis en uvre dans toutes les commandes tudies tout

au long de ce travail. La figure II.7 prsente le schma modifi de lidentification des courants de rfrence par la mthode des puissances instantanes en employant des FMVs.

Fig. II.7. Dtermination des courants de rfrence du filtre actif laide de FMV

Variante de la mthode des puissances instantanes.

Les tapes suivantes dtaillent le calcul des rfrences par cette variante. Dans le cas dun systme triphas trois fils (donc sans composante homopolaire), caractris par ses tensions simples (VSa, VSb, VSc) et ses courants de ligne (ica, icb, icc), la transformation de Concordia permet de ramener ce systme un systme diphas de tensions et de courants :

=

Sc

Sb

Sa

VVV

CVV

32

(II.3)

V

V

i

i

V

V

p~

q~

+

_

_

+

+

+

i*abc

Vdc

VSabc

V*dc

abc

abc

iCabc

Calcul de

*

i et *

i

P

Q

Rgulateur

_

+

abc

FMV

FMV


39

=

cc

cb

ca

iii

Cii

32

(II.4)

avec :

=

23

230

21

211

32

32C (II.5)

Le premier FMV, utilis au niveau des tensions diphases, permet de filtrer efficacement les composantes harmoniques des tensions d'alimentation, comme nous pourrons le dmonter de faon thorique dans la suite de ce chapitre. Ainsi, sa mise en uvre permet damliorer les performances du filtrage.

Quant aux courants diphass daxes et , ils peuvent tre dfinis comme la somme dune composante fondamentale et dune composante harmonique :

+=

+=

iii

iii~

~

(II.6)

Le rle du FMV est dextraire les composantes fondamentales du courant de charge la

pulsation c, directement selon les axes -. Ensuite, les composantes harmoniques du

courant selon les axes -, notes ici i~

et i~

, sont obtenues en soustrayant sur chaque axe, la

sortie du FMV son entre.

Aprs isolation des composantes fondamentales en tension notes V , et des courants

harmoniques i~ , nous pouvons alors calculer les composantes alternatives des puissances

relle (p) et imaginaire (q) instantanes par :

=

ii

VVVV

qp

~

~

~

~

(II.7)

avec :

qp ~,~ : Composantes alternatives de p et q


40

Les composantes harmoniques du courant sont alors dfinies par :

=

qp

VVVV

ii

~

~

~

~1

(II.8)

avec :

+=

VVVV

VVVVVV

1

22

1

(II.9)

La transformation de Concordia inverse nous permet alors dobtenir les rfrences triphases des courants harmoniques :

=

*

*

*

*

*

23

21

23

21

01

32

ii

iii

c

b

a

(II.10)

II.2.2 Stratgie de commande de londuleur du filtre actif

Les performances du filtre actif et notamment la diminution du THD du courant de source sont certes lies aux performances de la gnration des rfrences de courants harmoniques, mais dpendent galement de la stratgie de commande de londuleur de tension (poursuite des rfrences de courant). Deux stratgies de commande de londuleur de tension du filtre actif sont couramment mises en oeuvre, savoir :

- La commande dite directe dont le principe est bas sur la comparaison du courant de rfrence i*f avec le courant rel if inject par le filtre actif ;

- La commande dite indirecte pour laquelle le courant de rfrence i*f est compar avec le courant de source is [21].

Deux types de commandes rapproches des convertisseurs statiques sont principalement mis en uvre : la commande par MLI et la commande par hystrsis. La commande MLI peut tre chantillonnage naturel ou optimise. Quant la commande par hystrsis, elle peut tre bande fixe, bande variable ou bien encore dite module . Dans ce paragraphe, nous prsentons les modes de commande suivants :


41

- MLI chantillonnage naturel,

- Hystrsis conventionnelle,

- Hystrsis module.

II.2.2.1 Contrle par MLI

Le principe du contrle par MLI est dcrit la figure II.8. Dans ce cas, la diffrence entre le courant rfrence if* et le courant rel if est applique lentre dun rgulateur. Le signal de sortie du rgulateur, appel modulatrice, est ensuite compar un signal triangulaire de frquence fixe (porteuse) afin de dterminer les ordres de commutations des interrupteurs. La frquence de la porteuse triangulaire fixe donc la frquence de dcoupage des semi-conducteurs de puissance.

Fig. II.8. Principe de la commande par MLI.

Le contrle par MLI est dune complexit rduite; il garantit un fonctionnement frquence fixe et conduit un contenu harmonique parfaitement identifi. Cependant, cette technique a des proprits dynamiques qui peuvent tre limitatives et la rponse du systme lors dun changement brutal des courants de rfrence est plus lente que celle dune commande par hystrsis.

II.2.2.2 Contrle conventionnel par hystrsis

La commande conventionnelle par hystrsis est trs couramment utilise de par sa simplicit dutilisation et sa robustesse. En fait, cette stratgie assure un contrle satisfaisant du courant sans exiger une connaissance pousse du modle du systme contrler ou de ses

_

i*f +

Signal triangulaire (Porteuse)

Rgulateur Commande

des interrupteurs

_

+

if 4T

1T


42

paramtres. La figure II.9 expose son principe qui consiste tablir dans un premier temps le signal derreur, diffrence entre le courant de rfrence i*f et le courant produit par londuleur if. Cette erreur est ensuite compare un gabarit appel bande dhystrsis afin de fixer les ordres de commande des interrupteurs. Cette commande prsente cependant un inconvnient majeur : elle ne permet pas de contrler la frquence de commutation des semi-conducteurs, do la prsence dun nombre important dharmoniques dans les courants gnrs.

Fig. II.9. Commande conventionnelle par hystrsis.

II.2.2.3 Contrle par hystrsis module

La commande par hystrsis module a pour objectif de rsoudre linconvnient majeur de la commande par hystrsis conventionnelle en fixant la frquence de commutation des semi-conducteurs [40]-[45]. Cette commande consiste ajouter au signal derreur ( = i*f - if) un signal triangulaire Str, de frquence ftr et damplitude Atr. La frquence ftr doit tre choisie gale la frquence de commutation que lon souhaite imposer aux composants de puissance. Le signal ainsi obtenu attaque alors lentre dun rgulateur hystrsis de largeur de bande 2Bh dont la sortie permet de commander les interrupteurs de puissance. Le schma de cette commande est dcrit la figure II.10.

Fig. II.10. Commande par hystrsis module.

Str +

+ _

+

4T

1T

Signal triangulaire

if

i*f

_

+

if

i*f

4T

1T


43

Dans le cas du contrle par hystrsis module, il est important de dimensionner correctement les valeurs des deux paramtres dterminants, savoir Atr du signal triangulaire et Bh [41], [42]. Si ces paramtres ne sont pas correctement dtermins, la frquence de commutation des interrupteurs de puissance sera soit suprieure (figure II.11-b), soit infrieure (figure II.11-c), la frquence souhaite. La figure II.11, montre quelques exemples illustrant leffet de ces paramtres de commande (Atr, Bh).

-a-

-b-

-c-

Fig. II.11. Exemples de leffet des paramtres de commande (Atr, Bh). (a): frquence de commutation gale la frquence dsire,

(b): frquence de commutation suprieure la frquence dsire. (c): frquence de commutation infrieure la frquence dsire.

2(Atr + Bh)

2Bh

T if

i*f

2(Atr + Bh)

2Bh

T

i*f

if

if

Limit sup + Str

Limit inf

i*f 2Bh

T

2(Atr + Bh)


44

En effet, afin de fixer la frquence de commutation en rgime permanent, il ne doit exister que deux intersections entre le courant rel if et la bande

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FMV.pdf