Chapitre V : Amélioration de la qualité d’énergie par un FAP et un FAS
V.7 Générateur éolien piézoélectrique associé au filtre actif série
V.7.1 Description du système de compensation piézoélectrique proposé
La Figure V.38 présente l’ensemble de la structure du filtre actif série et de son environnement fonctionnel, lequel se compose :
D’un réseau d’alimentation triphasé déformé (230V).
Une charge non-linéaire en pont de Graëtz à 6 thyristors génératrice des courants harmonique et consommant de la puissance réactive.
D’un groupement de 8 générateurs éoliens piézoélectriques identiques avec leurs circuit d’adaptation d’énergie connectés en série (Fig. V.21) ce qui remplace la fonction du condensateur associé au onduleur (Fig. V.34) et assure une source de tension continue DC avec un niveau de 640 V au circuit de puissance du FAS.
D’un système de stockage hybride sueprcondensateurs batteries étudié qui fournit une tension suffisante et non fluctuante de 640 V au filtre actif. Lorsqu’un déséquilibre de puissance active se produit dans le système, le stockage hybride doit fournir la différence de puissance entre le réseau et la charge et assurer une stabilisation de la tension au circuit de puissance du FAS.
Un filtre actif série, lequel se compose d’un circuit de puissance et d’un circuit de commande.
Circuit de puissance : la partie puissance est constituée en générale d’un onduleur de tension à base d’interrupteurs de puissance, commandé à l'ouverture et à la fermeture de type IGBT, d’un élément de stockage d’énergie avec un système d'alimentation DC, d’un filtre de sortie et de trois transformateurs monophasés d’injection de tension.
Circuit de commande : Le circuit de commande est, en général, réparti comme suit : 1) Algorithmes d’identification des grandeurs harmoniques des tensions de référence
: Pour la détection des tensions harmoniques de référence, on a appliqué la théorie de la puissance instantanée réactive étudiée globalement dans la section V.6.3.2, 2) Commande de l’onduleur : Afin de générer les impulsions du filtre actif, on a
appliqué cette fois ci la technique de commande des interrupteurs par hystérésis dont le principe de fonctionnement est expliqué dans la section V.6.3.1,
3) Régulation de la tension continue de l’onduleur Vdc: la tension continue Vdc appliquée au filtre actif série a été assuré dans cette proposition par le groupement de 8 générateurs éoliens piézoélectriques identiques avec un circuit d’adaptation de tension de 640 V constitué de 8 convertisseurs DC/DC connectés suivant la
topologie à hacheurs modulaires séries, la Figure V.21 montre précisément le principe de connexion (section V.5.2).
Afin de concevoir un système de compensation optimal et réagir de façon efficace face aux harmoniques du courant provoqués par la charge non-linéaire et éviter les inconvénients de sélectivité des filtres passifs dans ce modèle nous avons remplacé le filtre passif parallèle présenté sur la Figure V.34 par un filtre actif parallèle alimenté par 8 GEPZT. Ce modèle de compensation des courants harmoniques a été étudié globalement dans la section V.5.
Fig. V.38. Circuit diagramme d’un filtre actif série alimenté par un groupement de 8 GEPZT
connectés en série
Selon le système de compensation alimenté par les générateurs éoliens PZT proposés, la tension d'alimentation 𝑉𝑠 est elle-même déjà déformé contenant le 5ème et 7ème composantes harmoniques. Cette tension d'alimentation déformée est appliquée à une charge non-linéaire critique qui injecte des courants harmoniques dans le réseau en ligne.
Le filtre actif série raccordée au réseau en série à travers un transformateur. Ce dernier fournit une isolation entre le réseau de distribution et le système proposé. Ce filtre active de puissance série est capable de compenser plusieurs perturbations de tension provenant du réseau (harmoniques, les creux de tensions et les surtensions etc...). Ainsi, la régulation de la tension est déterminée au point commun de couplage (PCC) [279]. Le filtre actif série qui devrait injecter une tension au réseau d’alimentation à travers un transformateur série de ligne se comporte comme un contrôleur de la tension générée, et une tension de sortie de l'onduleur 𝑉𝐹𝐴𝑆 ne comprend que la 5ème et la 7ème composantes harmoniques. Par conséquent, un algorithme de détections des tensions harmoniques de référence est appliqué à le FAS pour déterminer les tensions de charge sinusoïdales de référence et pour générer les impulsions requises pour le fonctionnement du circuit de puissance du FAS à l’aide d’une technique de commande par hystérésis.
173 CHAPITRE V FAP ET FAS ALIMENTES PAR UN GROUPEMENT DE 8 GEPZT Le bloc connecté en parallèle fonctionne comme FAP parallèle. Ce FAP étudié dans la section V.5 et alimenté par le même groupement des générateurs PZT peut compenser toutes les harmoniques du courant indésirables en injectant son image inverse à travers une inductance sur le réseau électrique. De cette manière, la théorie de la puissance réactive instantanée est appliquée sur le FAP parallèle pour l'extraction des composants harmoniques générés par la charge non linéaire et également pour le dispositif de commande par MLI intersective qui a été utilisé pour déterminer les ordres de commutation requis.
V.7.2 Résultats de simulation sous MATLAB/Simulink
Afin de confirmer la validité fonctionnelle du filtre actif série alimenté par le système piézoélectrique proposé, des simulations hypothétiques en utilisant le logiciel MATLAB/Simulink ont été effectuées.
V.7.2.1 Paramètres de simulation
Les paramètres et les composants qui ont été utilisés dans les simulations sont résumés dans le Tableau V.5.
Paramètres Valeur numériques
Réseau d’alimentation Tension efficace 230 V Fréquence f 50 Hz Impédance de ligne (𝑅𝑠, 𝐿𝑠) (0.5 m, 19 µH)
Filtre actif série (𝐿𝑓𝑠 ) 1.5 mH
(𝑅𝑓𝑠 ) 2 m Fréquence de commutation 10 kHz Générateur éolien piézoélectrique (𝑉𝑑𝑐−𝑟 ) 40 V (𝑉𝑑𝑐−𝑏 ) 80 V (𝑉𝑑𝑐−𝑡 ) 640 V
Charge à protéger Résistance 𝑅𝑐 6 Inductance 𝐿𝐿 20 mH
Capacité 𝐶𝐿 0.1 F Inductance 𝐿𝑓 0.32 mH
Tableau V.5. Paramètres de simulation du FAS alimenté par un groupement des GEPZT
V.7.2.2 Résultats de simulation
Dans cette partie nous présentons et analysons les performances obtenues par simulation du filtre actif de puissance à structure série à base d’un convertisseur de tension deux niveaux alimenté par un groupement de 8 GEPZT connectés en série. Les résultats de simulation obtenus ci-dessous représentent les performances du FAS ainsi que du FAP lors de la compensation des
harmoniques de tension et des harmoniques de courant afin d’assurer une tension de source et un courant aux bornes de la charge sinusoïdaux équilibrés.
Pour visualiser les performances individuelles du FAS et du FAP, chaque système est mis en opération à des instants différents. On constate bien que le système de compensation proposé compense parfaitement les perturbations de la tension et du courant harmonique, en effet avant la mise en service du système de filtrage série la tension de source est hautement polluée contenant la 5ème et la 7ème composantes harmoniques comme montré sur la Figure V.39. Cela est confirmé par le spectre harmonique de la tension avec un 𝑇𝐻𝐷𝑉 = 24.58 % comme indiqué sur la Figure V.40.
Fig. V.39. Tension de charge avant la mise en opération du FAS
Fig. V.40. Spectre harmonique de la tension de charge avant la mise en opération du FAS
La forme du courant de source est également influencée par la perturbation harmonique montrant une déformation critique provoquée par la charge non-linéaire, comme décrit dans la Figure V.41. L’analyse de ce courant donne une valeur élevée de 𝑇𝐻𝐷𝑖 =23.42%comme indiqué dans la Figure V.42.
175 CHAPITRE V FAP ET FAS ALIMENTES PAR UN GROUPEMENT DE 8 GEPZT
Fig. V.41. Courant de source avant la mise en opération du FAS et du FAP
Fig. V.42. Spectre harmonique du courant de source avant la mise en opération du FAS et du
FAP
La perturbation harmonique n’est pas le seul problème rencontré dans cette étude car une dégradation au niveau du facteur de puissance est mise en jeu lors de l’utilisation de la charge non-linéaire comme montre la Figure V.43.
Fig. V.43. Tension vsa et le courant isa de source avant la mise en opération du FAS et du FAP Une fois le système de compensation alimenté par les GEPZT est mis en opération avec des instants différents, le FAP série commence le fonctionnement à l’instant t1 = 0.1 s. Plus tard, le FAP parallèle sera activé à l’instant t2 = 0.2 s. la tension de charge et le courant de source ont été totalement déformé avant l'instant t1, lorsque les deux filtre série et parallèle ne sont pas en fonctionnement. À l’instant t1, le FAP série commence l’opération en injectant la somme de la 5ème et la 7ème composantes harmoniques de la tension à travers un transformateur de ligne comme montré dans la Figure V.44. Afin de démontrer la validité fonctionnelle de la méthode
d’identification des tensions harmoniques de référence (méthode p-q) nous avons simulé les courbes de la Figure V.45 dans le même graphe. Cette figure indique que la tension VFASa
générée par le filtre actif série suit parfaitement sa référence V*ha déterminée par la théorie de la puissance réactive instantanée.
Fig. V44. Tension harmonique 𝑉𝐹𝐴𝑆𝑎 générée par le filtre actif série
Fig. V.45. Tension 𝑉𝐹𝐴𝑆𝑎 généré par le filtre actif série et sa référence 𝑉ℎ𝑎∗
A ce moment, une grande compensation est produite dans la tension de charge avec un signal sinusoïdal parfait, la tension de la charge déformée a été totalement filtréede la 5ème et la 7ème composante harmonique comme décrit dans la Figure V.46. Cette amélioration est confirmée par les analyses détaillées sur le spectre harmonique qui prouve que la valeur du THD a été réduit à 𝑇𝐻𝐷𝑉 = 3.86 %selon la Figure V.47.